專利名稱：一種測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于隧道和地下工程領域，具體涉及一種測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓 折減規律的試驗裝置。
背景技術：
在高水位富水區修建隧道，常采用注漿加固圈(超前長導管預注漿或超前平導預 注漿)而非襯砌來承擔外水壓力，研究不同條件下注漿加固圈水壓分布及其折減規律是抗 水壓隧道設計的前提和基礎。抗水壓隧道往往處于地質條件較為復雜的山嶺地區，在工程 設計階段無法進行大量的現場試驗和測試，而模型試驗是解決注漿加固圈水壓折減規律的 有效方法之一。目前還沒有測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的專用試驗裝置。與 本試驗裝置相關的試驗裝置主要有石油大學(北京)的“滲流模擬試驗裝置”(公開 號CN1626771A)與同濟大學的“一種模擬邊界水流影響滲流的方法及裝置”(公開號 CN101308128A)。前者為一種等壓滲流模擬裝置，主要應用于石油領域，其在圓柱形容器內 加入層網等壓板，為滲流模型提供滲流等壓面外邊界。而限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減 規律模擬需要提供內外兩個滲流邊界，該裝置不能模擬內邊界(隧道排水邊界)及其排水 條件，不能測試注漿圈內水壓變化規律，無法滿足限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的 試驗要求。后者采用管流方式提供土體滲流的邊界水流條件，用于再現邊界水流對滲流的 作用過程，無法實現面狀的滲流外邊界，也無法滿足限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律 的試驗要求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝 置，用于解決通過室內試驗確定限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的問題。本發明提出的測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，包括壓力 腔、模擬隧道、加壓設備和量測設備，通過加壓設備給壓力腔施加恒定的滲透壓，并且壓力 大小可精確調節，能滿足不同壓力環境下的試驗需求；模擬隧道位于壓力腔內，量測設備實 現水壓力及流量的精確測量；其中壓力腔為圓柱形容器，包括第四開關9、法蘭盤11、第五開關13、支架14、第六開關 16和壓力腔套19，法蘭盤11固定于壓力腔套19 一側，法蘭盤11上設有出水口，出水口處 連接有第五開關13，支架14位于壓力腔套19底部，壓力腔套19底部設有第六開關16 加壓設備包括氮氣瓶1、控制閥2、調壓閥3、第一開關4、水箱5、第二開關6、第三 開關7、氣-水交換罐8和第四開關9，氮氣瓶1通過管道與調壓閥3連接，控制閥2位于 氮氣瓶1 口，用于控制氮氣瓶1打開或關閉氮氣出口 ；調壓閥3通過管道和第一開關4與 氣_水交換罐8連接，用于控制實驗所需壓力；水箱5通過管道和第二開關6與氣-水交換 罐8連接，用于提供實驗所需水源；第三開關7用于控制氣_水交換罐8出氣口；氣-水交換罐8通過管道與位于壓力腔套19頂部的第四開關9連接；模擬隧道18兩側設有注漿體23，當使用時，注漿圈模具22置于注漿體23上，反濾 層模具20與注漿圈模具22內設有模擬圍巖21 ；量測設備包括流量計15、壓力傳感器17和數據采集儀24，流量計15通過管道連 接第六開關16，壓力傳感器17位于壓力腔內，用于測量壓力腔內部水壓力；數據采集儀24 連接壓力傳感器17。本發明中，模擬隧道18為圓形或馬蹄形等不同的隧道形狀，表面均勻打孔，可實 現不同形狀、不同排水條件隧道的模擬。本發明中，法蘭盤11與壓力腔套19連接處用橡膠墊密封。本發明中，壓力傳感器17可根據試驗需要埋置于壓力腔內不同的測量位置。本發明中，所述反濾層模具20為圓柱形結構，其圓柱形面上均勻分布有小孔。本發明中，支架14底部設有滾輪。本發明中，注漿體直徑及配比可根據試驗需要及幾何相似比換算。采用上述技術方案，本發明可用于研究限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試 驗，具有以下有益效果1、可實現注漿加固圈外邊界上水壓的模擬與控制。2、可實現注漿加固圈內邊界上隧道排水的模擬與控制。3、可實現注漿加固圈內水壓折減規律的測試。4、可實現模具輔助加固圈成型，實現加固圈形狀的模擬。
5、可實現不同厚度注漿加固圈的模擬。6、可實現不同尺寸與形狀隧道的模擬。7、可實現壓力腔豎立填埋試驗材料與安裝測試裝置，平放試驗，簡單易用，量測精 確。
圖1是本試驗裝置結構圖示； 圖2是圖1中A-A剖面圖； 圖3是法蘭盤11平面圖4是反濾層模具20結構圖；其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖； 圖5是圓形模擬隧道18結構圖；其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖； 圖6是第1、4、7、10組試驗壓力傳感器布置圖； 圖7是第2、5、8組試驗壓力傳感器布置圖； 圖8是第3、6、9組試驗壓力傳感器布置圖； 圖9是第11組試驗壓力傳感器布置圖； 圖10是不注漿不排水條件下水壓力分布(單位MPa)； 圖11是注漿不排水條件下水壓力分布(單位MPa)； 圖12是不注漿全排水條件下水壓力分布(單位MPa，Q = 294. 47m3/d)； 圖13是注漿全排水條件下水壓力分布(單位MPa，Q = 41. 61m3/d)； 圖14是注漿圈厚度對水壓力的影響(測點1)；
4
圖15是注漿圈厚度對水壓力的影響(測點4)；圖16是注漿圈厚度對水壓力的影響(測點7)；圖17是注漿圈厚度對水壓力的影響(測點3)；圖18是注漿圈厚度對水壓力的影響(測點6)；圖19是注漿圈厚度對水壓力的影響(測點9)；圖20是注漿圈滲透系數對水壓力的影響(測點1)；圖21是注漿圈滲透系數對水壓力的影響(測點4)；圖22是注漿圈滲透系數對水壓力的影響(測點7)；圖23是注漿圈滲透系數對水壓力的影響(測點3)；圖24是注漿圈滲透系數對水壓力的影響(測點6)；圖25是注漿圈滲透系數對水壓力的影響(測點9)；圖26是隧道排水量對水壓力的影響(測點1-3)；圖27是隧道排水量對水壓力的影響(測點4-6)；圖28是隧道排水量對水壓力的影響(測點7-9)；圖29是內水壓力對隧洞洞壁水壓力的影響；圖30是內水壓力對注漿圈中部水壓力的影響；圖31是內水壓力對注漿圈邊緣水壓力的影響；圖32是注漿圈對水壓力的折減影響(測點1-3)；圖33是注漿圈對水壓力的折減影響(測點6-9)。圖中標號1為氮氣瓶；2為控制閥；3為調壓閥；4為第一開關；5為水箱；6為第二 開關-J為第三開關；8為氣-水交換罐；9為第四開關；10為螺帽；11為法蘭盤；12為螺扣； 13為第五開關；14為支架；15為流量計；16為第六開關；17為壓力傳感器；18為模擬隧道； 19為壓力腔套；20為反濾層模具；21為模擬圍巖；22為注漿圈模具；23為注漿體；24為數 據采集儀。
具體實施例方式下面通過實施例結合附圖進一步說明本發明。實施例1 加壓設備包括氮氣瓶1、控制閥2、調壓閥3、第一開關4、水箱5、第二開 關6、第三開關7、氣-水交換罐8和第四開關9。氮氣瓶1通過軟管與調壓閥3連接，容積 為0. 05m3,加壓范圍為0-1. OMpa ；控制閥2控制打開或關閉氮氣出口 ；調壓閥3通過軟管與 氣_水交換罐8連接，量程為0-0. 85Mpa,精度誤差1 % F. S，用于控制實驗所需壓力；第一 開關4用于控制氣-水交換罐8氣源；水箱5通過軟管與氣-水交換罐8連接，用于提供實 驗所需水源，通過第三開關7控制；第二開關6用于控制氣_水交換罐8出氣口，實驗完畢 或者需要加水時打開放氣；氣-水交換罐8通過軟管與壓力腔套19連接。壓力腔包括第四 開關9、壓力腔套19、螺帽10、法蘭盤11、螺扣12、第五開關13、支架14、第六開關16。壓力 腔套19采用不銹鋼制作，能承受0. 5MPa壓力，變形不大于0. Icm ；法蘭盤11用螺帽10固 定在壓力腔套19上，連接處用橡膠墊密封；螺扣12用于連接模擬隧道18與法蘭盤11的出 水口 ；支架14用于支撐壓力腔，下端為滾輪，可自由移動；第四開關9控制壓力腔進水口 ； 第六開關16控制壓力腔出水口。量測設備包括流量計15、壓力傳感器17、數據采集儀24。流量計15用于量測壓力腔出口流量，量程比為20 1，精度為F. S;壓力傳感器17用 于量測壓力腔內部水壓力，量程為0-1. OMPa,精度誤差0. 2% F. S ；數據采集儀24用于采集 壓力傳感器17壓力數值，可自動采集。附屬設備包括注漿圈模具22、反濾層模具20，試驗 時，將模具放入壓力腔19內，填充試驗材料即可。一、試驗設計(1)試驗方案為了研究限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減的規律，共設計了 11組試驗方案 (表1)。注漿圈半徑分別為13Cm、17Cm、20Cm，注漿圈滲透系數較圍巖滲透系數分別減小 10-1000倍，滲透系數相似比Ck= 1，比重相似比Cyw= 1，模擬的隧道縱向長度為50m，模擬 的注漿半徑為13m、17m、20m。壓力傳感器17的布置根據不同試驗方案而有所差異，具體布 置方法為對于注漿半徑為20cm的試驗，在隧道洞壁、注漿圈中部、注漿圈邊緣各布置三個 壓力傳感器，在箱體頂部布置一個壓力傳感器；對于其他注漿半徑的試驗，在隧道洞壁、注 漿圈邊緣以及透水管邊緣各布置3個壓力傳感器，在箱體頂部布置一個壓力傳感器；對于 研究注漿圈水壓力折減規律的試驗，在注漿圈內部均勻布置8個壓力傳感器，在透水管頂 部和一側各布置1個壓力傳感器。每組試驗的壓力傳感器布置見圖6-圖9。表1試驗方案 二、試驗步驟(1)裝樣。將壓力腔19豎立，放置反濾板20，將模擬隧道表面包裹濾布并放入壓力 腔19內，放入注漿圈模具22并進行定位，向模具內填注注漿圈相似材料23，在模具外側填 注圍巖相似材料21，填注完成之后提升模具，重復上述過程直至箱體填滿，并將材料壓密。 當填注材料高度達到測試斷面位置時在相應位置埋設壓力傳感器17，壓力傳感器17測線 從箱體底部引出，連接數據采集儀24。(2)密封。取出注漿圈模具22，扣緊螺扣12，在法蘭盤11內部安裝橡膠墊，將法蘭 盤11安裝在箱體上并旋緊螺帽10，在其外緣涂抹硅膠對箱體進行密封，確保試驗過程中水 只從模擬隧道18中排出。待法蘭盤11安裝完成之后，水平放置壓力腔19，打開采數據集儀 24并將各通道接口的讀數清零，準備試驗。(3)加壓。向水箱5注入試驗用水，注滿80%后打開第二開關6、第三開關7，向 氣_水交換罐8內注水，注滿80%后關閉第二開關6、第三開關7。打開開關2，調節調壓閥 3至所需壓力，打開第一開關4、第四開關9，并打開第六開關16，同時觀察壓力傳感器17讀 數，待讀數穩定之后，證明箱體內空氣已排盡。待滲流穩定后，記錄數據采集儀24與流量計 15讀書；然后不斷改變流量，待滲流穩定后重復讀數。(4)取樣。試驗完成之后，后拆下法蘭盤11，取出圍巖相似材料22及注漿圈相似 材料24并進行篩分，將箱體清洗干凈并晾干，同時準備好相似材料進行下一組試驗。三、試驗結果分析
(1)限排抗水壓隧道水壓折減規律①不排水條件下滲流場水壓力分布圖10、圖11為不注漿與注漿條件下(注漿圈厚度20m，滲透系數kg = 5. 37X10_5cm/s)，隧道不排水的滲流場水壓力分布圖。從圖中可以看出若對地下水采用全 封堵方式，無論是否注漿，水壓力的分布均為靜水壓力分布，各測點的水壓力隨著距加壓水 箱垂直距離的增大而線性增加，說明在不排水的條件下，即使注漿也無法對水壓力進行折 減。②隧道開挖后滲流場水壓力分布不注漿隧道自由排水與注漿條件下隧道自由排水(注漿圈厚度20m，滲透系數kg =5. 37Xl(T5Cm/S)的試驗成果見圖12、圖13。從圖中可以看出，開挖后隧道將成為地下水 的主要排泄通道，全排水條件下滲流場各點水壓力較不排水時均有不同程度的減小，尤其 是靠近洞壁位置的水壓力急劇降低，說明通過排水能有效減小襯砌承受的水壓力；對比隧 道排水量可以發現，無注漿條件下隧道自由排水量將遠遠大于注漿條件下的排水量，這是 由于地下水滲流受到注漿圈的阻礙，地下水水頭損失較大，從而導致流量減小；流量減小的 同時，圍巖承受的滲流力也減小，有利于圍巖穩定，而注漿圈將承受了較大的滲流體積力。(2)注漿圈厚度對水壓折減的影響圖14-圖19列出了注漿圈滲透系數kg = 5. 1 X 10_6cm/s，不同注漿圈厚度對滲流 場水壓力的影響隨著注漿圈厚度的增加，隧道自由排水量逐漸減小，靠近洞壁位置處水壓 力逐漸減小(測點1、4、7)，遠離隧洞處的水壓力則無明顯變化(如靠近模型箱邊緣處的測 點3、6、9)。這是由于隨著注漿圈厚度的增大，地下水通過注漿圈的滲流路徑增長，地下水將 消耗更多能量才能到達襯砌，導致襯砌處的水壓力減小；當注漿圈厚度達到一定量值后，其 厚度的增加對水壓力的折減效果逐漸減弱，說明注漿厚度是存在相對經濟合理的最優值， 其值與遠場水壓力大小、內水壓力大小、圍巖滲透系數、注漿圈滲透系數、隧道排水量等因 素有關。(3)注漿圈滲透系數對水壓折減的影響圖20-圖25列出了注漿圈厚度為20m，注漿圈滲透系數分別為5. 37X l(T5Cm/S、 5. IX 10_6cm/s、8. OX 10_7cm/s的試驗結果。圖20-圖25表明對于相同的排水量，隨著注漿 圈滲透系數的減小，襯砌處的水壓力明顯減小，注漿圈外緣處的水壓力略有增大，說明提高 注漿效果能降低襯砌水壓力，但同時也會增大注漿圈承受的水壓力；注漿圈效果越好，要達 到同樣的襯砌外水壓力所需的排水量也越小。以本次試驗洞壁測點1為例，當襯砌處的水 壓力接近零時，三種注漿材料作用下的隧道排水量分別為41. 61m3/d、21. 86m3/d、14. 64m3/
do(4)隧道排水量對水壓折減的影響圖26-圖28列出了注漿圈厚度20m，注漿圈滲透系數為5. 1 X lO^cm/s的試驗結 果。由圖中可以看出，隨著排水量的增加，滲流場各點水壓力逐漸減小，越靠近洞壁處水壓 力降低幅度越大(測點1、4、7)，說明通過排水能有效降低襯砌外水壓力。隨著與洞壁距離 的增大，水壓力降低幅度逐漸減小，滲流場邊緣位置(測點3、6、9)處的水壓力受排水量的 影響很小。(5)內水壓力對水壓折減的影響
對于水工隧洞工程，在運行期存在內水壓力的作用，需研究內水壓力對滲流場的 影響。注漿圈厚度20m，注漿圈滲透系數8. OX 10_7cm/s，不同內水壓力作用下的水壓力分布 見圖29-圖31 隨著內水壓力的增大，滲流場各點的水壓力逐漸增大，靠近隧洞洞壁位置處 的水壓力變化幅度最大，注漿圈外邊緣處的水壓力變化幅度較小。當內水壓力接近遠場穩 定水壓時，滲流場水壓力服從靜水壓力分布規律。(6)注漿圈對水壓力的折減規律注漿圈厚度20m，注漿圈滲透系數8. 0 X lO^cm/s,注漿圈內不同位置處的水壓力 分布見圖32、圖33(試驗方案11，Q為隧道每延米流量，單位m3/d)。從圖中可以看出，在 隧道排水的條件下，注漿圈內各點水壓力隨著與注漿圈外緣距離的增大而逐漸減小，注漿 圈對水壓力的折減符合線性折減規律。四、試驗結論(1)當隧道不排水時，無論注漿與否，隧道滲流場的分布均為靜水壓力分布；開挖 后隧道將成為地下水的主要排泄通道，滲流場各點水壓力較不排水時均有不同程度的減 小，靠近隧洞洞壁處的水壓力變化幅度最大，說明通過排水能有效減小襯砌承受的水壓力； 注漿條件下隧道的自由排水量小于不注漿條件下的排水量，在自由排水量減小的同時，注 漿圈將承受較大的滲流體積力，而圍巖承受的滲流力將減小，有利于圍巖穩定。(2)在隧道定流量排水的條件下，隨著注漿圈厚度的增加，隧道自由排水量逐漸減 小，靠近洞壁位置處水壓力逐漸減小，遠離隧洞處的水壓力則無明顯變化，說明增大注漿圈 厚度能夠減小襯砌承受的水壓力；當注漿圈厚度達到一定量值后，其厚度的增加對減小襯 砌外水壓力已無明顯作用，說明了注漿厚度存在相對經濟合理的最優值；對于相同的排水 量，隨著注漿圈滲透系數的減小，襯砌處的水壓力明顯減小，注漿圈外緣處的水壓力略有增 大，說明提高注漿效果能降低襯砌水壓力，但同時地下水在加固圈中的滲流會消耗掉大量 能量，注漿圈將承受更大的滲透力；注漿圈效果越好，要達到同樣的襯砌外水壓力所需的排 水量也就越小。(3)隨著排水量的增加，滲流場各點水壓力均有不同程度的減小，越靠近洞壁處水 壓力降低幅度越大，隨著與洞壁距離的增大，水壓力變化幅度逐漸減小，滲流場邊緣位置的 水壓力受排水量的影響很小。(4)對于水工隧洞工程，隨著內水壓力的增大，滲流場各點的水壓力逐漸增大，靠 近隧洞洞壁位置處的水壓力變化幅度最大，注漿圈外邊緣處的水壓力變化幅度較小。當內 水壓力接近遠場穩定水壓時，滲流場水壓力服從靜水壓力分布規律。(5)注漿圈內各點水壓力隨著與注漿圈外緣距離的增大而逐漸減小，注漿圈對水 壓力的折減符合線性折減規律。
權利要求
一種測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，其特征在于包括壓力腔、模擬隧道、加壓設備和量測設備，通過加壓設備給壓力腔施加恒定的滲透壓，并且壓力大小可精確調節，能滿足不同壓力環境下的試驗需求；模擬隧道位于壓力腔內，量測設備實現水壓力及流量的精確測量；其中壓力腔為圓柱形容器，包括第四開關(9)、法蘭盤(11)、第五開關(13)、支架(14)、第六開關(16)和壓力腔套(19)，法蘭盤(11)固定于壓力腔套(19)一側，法蘭盤(11)上設有出水口，出水口處連接有第五開關(13)，支架(14)位于壓力腔套(19)底部，壓力腔套(19)底部設有第六開關(16)；加壓設備包括氮氣瓶(1)、控制閥(2)、調壓閥(3)、第一開關(4)、水箱(5)、第二開關(6)、第三開關(7)、氣 水交換罐(8)和第四開關(9)，氮氣瓶(1)通過管道與調壓閥(3)連接，控制閥(2)位于氮氣瓶(1)口，用于控制氮氣瓶(1)打開或關閉氮氣出口；調壓閥(3)通過管道和第一開關(4)與氣 水交換罐(8)連接，用于控制實驗所需壓力；水箱(5)通過管道和第二開關(6)與氣 水交換罐(8)連接，用于提供實驗所需水源；第三開關(7)用于控制氣 水交換罐(8)出氣口；氣 水交換罐(8)通過管道與位于壓力腔套(19)頂部的第四開關(9)連接；模擬隧道(18)兩側設有注漿體(23)，當使用時，注漿圈模具(22)置于注漿體(23)上，反濾層模具(20)與注漿圈模具(22)內設有模擬圍巖(21)；量測設備包括流量計(15)、壓力傳感器(17)和數據采集儀(24)，流量計(15)通過管道連接第六開關(16)，壓力傳感器(17)位于壓力腔內，用于測量壓力腔內部水壓力；數據采集儀(24)連接壓力傳感器(17)。
2.根據權利要求1所述的測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，其特 征在于所述模擬隧道(18)為圓形或馬蹄形的隧道形狀，表面均勻打孔。
3.根據權利要求1所述的測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，其特 征在于法蘭盤(11)與壓力腔套(19)連接處用橡膠墊密封。
4.根據權利要求1所述的測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，其特 征在于壓力傳感器(17)根據試驗需要埋置于壓力腔內不同的測量位置。
5.根據權利要求1所述的測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，其特 征在于所述反濾層模具(20)為圓柱形結構，其圓柱形面上均勻分布有小孔。
6.根據權利要求1所述的測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，其特 征在于支架(14)底部設有滾輪。
7.根據權利要求1所述的測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，其特 征在于注漿體直徑及配比可根據試驗需求及幾何相似比換算。
全文摘要
本發明涉及一種測試限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律的試驗裝置，包括壓力腔、模擬隧道、加壓設備和量測設備。加壓設備包括氮氣瓶、控制閥、調壓閥、開關、水箱、和氣-水交換罐，壓力腔為圓柱形容器，包括開關、法蘭盤、支架和壓力腔套，加壓設備采用氮氣瓶結合氣-水交換罐加壓，可為壓力腔提供穩定的滲透壓，模擬隧道、模擬注漿體和模擬圍巖放置于壓力腔內，注漿體直徑可根據試驗需要及幾何相似比換算，模擬隧道可根據試驗需要和幾何相似比預制成不同的形狀與尺寸。量測設備可實現壓力、流量的精確測量。本裝置可用于研究限排抗水壓隧道注漿圈水壓折減規律問題。
文檔編號E21D11/10GK101893617SQ20101020906
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月24日 優先權日2010年6月24日
發明者馮波, 唐益群, 楊坪, 王建秀, 胡力繩 申請人:同濟大學