富水巖溶隧道襯砌外水壓力測試裝置及測試方法與流程

本發明屬于隧道工程技術領域，涉及一種富水巖溶隧道襯砌外水壓力測試裝置及測試方法，特別涉及富水巖溶隧道襯砌外水壓力的測試裝置及不同排水孔失效區段長度下襯砌外水壓力的測試方法。

背景技術：
交通工程是國家的重要基礎設施，在國民經濟發展中占有十分重要的地位。在云、貴、川地區，許多城市的各行政區間被山脈所分割。為了加快城區間人流、物流流通和緩解城市公共交通壓力，需要在山嶺地區修建大量的城區間交通隧道，包括公路隧道、鐵路隧道和地鐵隧道。而云、貴、川地區的隧址區經常涉及到高水壓富水巖溶地層。在城市地區山嶺交通隧道富水區隧道防排水設計若采用“以排為主”的設計理念，將會造成三方面的問題，一是由于“以排為主”的設計理念，在襯砌結構設計計算中往往不考慮水壓力，襯砌設計較薄，盡管初期節約了一定資金，但在運營中襯砌破裂的事例屢有發生；二是地下水長期由隧道大量排走，地下水位降低，造成洞頂地表失水并發生沉降變形，引起隧址區地表居民生活用水缺失和房屋塌陷等問題；三是地下水從隧道大量流失，圍巖中的地下水滲流通道(如巖層節理裂隙或巖溶管道)中的充填物被水沖走，貫通性愈來愈好，可能造成隧道洞內流量不斷增大，各種病害如襯砌滲漏變形、路面翻漿冒泥、排水溝淤塞漫流等逐年嚴重，同時，襯砌背后滲水通道的擴大還會造成襯砌受力不均勻。若在高水壓段采用以堵為主的方案，將會導致數值很大的水壓力，增大隧道結構的施工難度，提高建設成本。此外在后期的運營期間易出現由于襯砌承擔水壓力過大造成隧道滲漏水或襯砌開裂等病害，對城市交通的運營環境和安全構成嚴重的威脅。我國鐵路隧道設計規范用礦山法修建的山嶺隧道采用排導方式，通常通過設置在襯砌背后的透水墊層、盲溝或排水管等將圍巖中的地下水引到設置在襯砌墻腳的出水口排出。因此，不考慮水壓力對襯砌的作用。我國公路隧道設計規范中提到“當隧道位于常水位以下，又不宜排泄時，隧道襯砌應該采用抗水壓襯砌。隧道防排水應遵循“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則”，但對如何考慮襯砌水壓力沒有給出明確的方法。我國水工隧洞設計規范在設計時考慮了襯砌外水壓力，引入一個折減系數β來計算不同情況下的水壓力大小，但β的取值僅考慮了圍巖與襯砌的相對滲透系數，而且在取值時靠定性判斷為主，缺乏定量的標準，其確定帶有很大的主觀性，計算數值和實際數值往往存在較大偏差。實際上，作用在襯砌上的水壓力與圍巖級別、初始滲流場、襯砌條件、防排水措施以及初始地應力場等均密切相關。目前，對于富水巖溶隧道滲流場與應力場的耦合分析已有不少觀點和成果，但多數是基于簡化經驗公式或數值計算結果，無法給實際隧道工程的結構設計提供準確的水壓力參數。尤其是城市地區隧道結構的防排水設計理念已由“已排為主，防排結合”轉向“主動堵水、限量排放”的條件下，襯砌結構外水壓力荷載應如何準確取值更無參考可依。在此情況下，進行富水巖溶隧道襯砌外水壓力現場量測試驗具有重要的理論意義和工程應用價值。但國內相關規范或試驗規程中均未給出富水巖溶隧道襯砌結構外水壓力的測試裝置及方法。此外，巖溶地區的巖溶水易與空氣中的CO2反應析出CaCO3結晶體，造成隧道襯砌內的環向排水孔堵塞，如何模仿和量測巖溶隧道運營期間隧道排水孔被結晶體堵塞導致排水失效時隧道結構襯砌外水壓力對評價運營期間隧道結構的安全性和耐久性均具有重要的研究意義。

技術實現要素：
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種用于富水巖溶隧道襯砌外水壓力的測試裝置和模仿運營期間區段排水孔失效后襯砌外水壓力的測試方法。為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種富水巖溶隧道襯砌外水壓力測試裝置，包括排水裝置、外水壓力量測裝置以及開關裝置；所述排水裝置由連接接頭、橫向導水管組成；所述外水壓力量測裝置由三通接頭、連通管、水壓力表組成；所述開關裝置由法蘭球閥組成；連接接頭與橫向導水管相連，橫向導水管與三通接頭的一端相連，三通接頭的中間端通過連通管與水壓力表相連，三通接頭的另一端通過橫向導水管與法蘭球閥相連。進一步，所述連接接頭采用內螺紋連接接頭。進一步，所述橫向導水管采用鋼制材料。本發明還提供了一種富水巖溶隧道襯砌外水壓力測試方法，包括以下步驟：步驟一：確定測試斷面；步驟二：安裝外水壓力測試裝置；步驟三：采用排水孔封堵方法逐段模擬排水孔失效，進而量測隧道運營期間可能產生的最大外水壓力值。進一步，在步驟一中，根據隧道的地質勘察情況和地下水發育情況，選定隧道富水區段的中間帶排水孔的斷面作為測試斷面。進一步，在步驟二中，在步驟一確定的測試斷面處及左右兩側一定范圍內的排水孔處安裝上外水壓力測試裝置。進一步，步驟三具體包括以下步驟：1)關閉測試斷面左右兩側各5m范圍內隧道雙側排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數；2)繼續關閉測試斷面左右兩側各10m范圍內隧道雙側排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數，觀察雙側堵水后對測試斷面處的襯砌外水壓力的影響；如果壓力表讀數無變化，此時壓力表處的讀數即為襯砌可能承擔的最大的外水壓力值；如果有變化，則繼續執行步驟3)；3)關閉測試斷面左右兩側各15m范圍內隧道雙側排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數；如果壓力表讀數無變化，此時壓力表處的讀數即為襯砌可能承擔的最大的外水壓力值；如果有變化，則以5m長度為遞增值，繼續關閉隧道左右兩側的排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數；一直到再次關閉隧道雙側排水孔處的閥門時測試斷面處的水壓力表讀數無變化為止，此時壓力表處的讀數即為襯砌可能承擔的最大的外水壓力值，此時關閉閥門的總長度為富水巖溶隧道運營期間區段排水孔失效最大的影響長度，將此試驗結果作為該類型隧道設計及運營維護的參考。本發明的有益效果在于：本發明設計合理，測試方法實施可靠，應用方便，能有效的測量富水巖溶隧道襯砌的外水壓力，尤其是測試富水巖溶隧道運營期間由于排水孔失效在襯砌背后產生的最大水壓力值，進而為采取“主動堵水、限量排放”的隧道防排水設計理念下襯砌結構的設計和運營期間疏通排水孔口結晶體的時機選擇提供了重要參考。附圖說明為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：圖1為測試斷面外水壓力測試裝置示意圖；圖2為測試斷面測點布置示意圖。具體實施方式下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。圖1為測試斷面外水壓力測試裝置示意圖，如圖所示，該裝置包括排水裝置、外水壓力量測裝置以及開關裝置；所述排水裝置由連接接頭1、橫向導水管2組成；所述外水壓力量測裝置由三通接頭3、連通管4、水壓力表5組成；所述開關裝置由法蘭球閥6組成；連接接頭1與橫向導水管2相連，橫向導水管2與三通接頭3的一端相連，三通接頭3的中間端通過連通管4與水壓力表5相連，三通接頭3的另一端通過橫向導水管2與法蘭球閥6相連。在本實施例中，所述連接接頭1采用內螺紋連接接頭，所述橫向導水管2采用鋼制材料。本發明還提供了一種富水巖溶隧道襯砌外水壓力測試方法，包括以下步驟：步驟一：確定測試斷面；步驟二：安裝外水壓力測試裝置；步驟三：采用排水孔封堵方法逐段模擬排水孔失效，進而量測隧道運營期間可能產生的最大外水壓力值。具體來說：在步驟一中，根據隧道的地質勘察情況和地下水發育情況，選定隧道富水區段的中間帶排水孔的斷面作為測試斷面。在步驟二中，在步驟一確定的測試斷面處及左右兩側一定范圍內的排水孔處安裝上外水壓力測試裝置。步驟三具體包括以下步驟：1)關閉測試斷面左右兩側各5m范圍內隧道雙側排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數；2)繼續關閉測試斷面左右兩側各10m范圍內隧道雙側排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數，觀察雙側堵水后對測試斷面處的襯砌外水壓力的影響；如果壓力表讀數無變化，此時壓力表處的讀數即為襯砌可能承擔的最大的外水壓力值；如果有變化，則繼續執行步驟3)；3)關閉測試斷面左右兩側各15m范圍內隧道雙側排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數；如果壓力表讀數無變化，此時壓力表處的讀數即為襯砌可能承擔的最大的外水壓力值；如果有變化，則以5m長度為遞增值，繼續關閉隧道左右兩側的排水孔處的閥門，待測試斷面處的水壓力表穩定后讀取讀數；一直到再次關閉隧道雙側排水孔處的閥門時測試斷面處的水壓力表讀數無變化為止，此時壓力表處的讀數即為襯砌可能承擔的最大的外水壓力值，此時關閉閥門的總長度為富水巖溶隧道運營期間區段排水孔失效最大的影響長度，將此試驗結果作為該類型隧道設計及運營維護的參考。圖2為測試斷面測點布置示意圖，單位為：m。最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。