CN101893617B

CN101893617B - 一种测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置

Info

Publication number: CN101893617B
Application number: CN 201010209061
Authority: CN
Inventors: 王建秀; 冯波; 胡力绳; 唐益群; 杨坪
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: CN101893617A

Abstract

本发明涉及一种测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，包括压力腔、模拟隧道、加压设备和量测设备。加压设备包括氮气瓶、控制阀、调压阀、开关、水箱、和气-水交换罐，压力腔为圆柱形容器，包括开关、法兰盘、支架和压力腔套，加压设备采用氮气瓶结合气-水交换罐加压，可为压力腔提供稳定的渗透压，模拟隧道、模拟注浆体和模拟围岩放置于压力腔内，注浆体直径可根据试验需要及几何相似比换算，模拟隧道可根据试验需要和几何相似比预制成不同的形状与尺寸。量测设备可实现压力、流量的精确测量。本装置可用于研究限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律问题。

Description

一种测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置

技术领域

本发明属于隧道和地下工程领域，具体涉及一种测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置。

背景技术

在高水位富水区修建隧道，常采用注浆加固圈(超前长导管预注浆或超前平导预注浆)而非衬砌来承担外水压力，研究不同条件下注浆加固圈水压分布及其折减规律是抗水压隧道设计的前提和基础。抗水压隧道往往处于地质条件较为复杂的山岭地区，在工程设计阶段无法进行大量的现场试验和测试，而模型试验是解决注浆加固圈水压折减规律的有效方法之一。

目前还没有测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的专用试验装置。与本试验装置相关的试验装置主要有石油大学(北京)的“渗流模拟试验装置”(公开号：CN1626771A)与同济大学的“一种模拟边界水流影响渗流的方法及装置”(公开号：CN101308128A)。前者为一种等压渗流模拟装置，主要应用于石油领域，其在圆柱形容器内加入层网等压板，为渗流模型提供渗流等压面外边界。而限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律模拟需要提供内外两个渗流边界，该装置不能模拟内边界(隧道排水边界)及其排水条件，不能测试注浆圈内水压变化规律，无法满足限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验要求。后者采用管流方式提供土体渗流的边界水流条件，用于再现边界水流对渗流的作用过程，无法实现面状的渗流外边界，也无法满足限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，用于解决通过室内试验确定限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的问题。

本发明提出的测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，包括压力腔、模拟隧道、加压设备和量测设备，通过加压设备给压力腔施加恒定的渗透压，并且压力大小可精确调节，能满足不同压力环境下的试验需求；模拟隧道位于压力腔内，量测设备实现水压力及流量的精确测量；其中：

压力腔为圆柱形容器，包括第四开关9、法兰盘11、第五开关13、支架14、第六开关16和压力腔套19，法兰盘11固定于压力腔套19一侧，法兰盘11上设有出水口，出水口处连接有第五开关13，支架14位于压力腔套19底部，压力腔套19底部设有第六开关16：

加压设备包括氮气瓶1、控制阀2、调压阀3、第一开关4、水箱5、第二开关6、第三开关7、气-水交换罐8和第四开关9，氮气瓶1通过管道与调压阀3连接，控制阀2位于氮气瓶1口，用于控制氮气瓶1打开或关闭氮气出口；调压阀3通过管道和第一开关4与气-水交换罐8连接，用于控制实验所需压力；水箱5通过管道和第二开关6与气-水交换罐8连接，用于提供实验所需水源；第三开关7用于控制气-水交换罐8出气口；气-水交换罐8通过管道与位于压力腔套19顶部的第四开关9连接；

模拟隧道18两侧设有注浆体23，当使用时，注浆圈模具22置于注浆体23上，反滤层模具20与注浆圈模具22内设有模拟围岩21；

量测设备包括流量计15、压力传感器17和数据采集仪24，流量计15通过管道连接第六开关16，压力传感器17位于压力腔内，用于测量压力腔内部水压力；数据采集仪24连接压力传感器17。

本发明中，模拟隧道18为圆形或马蹄形等不同的隧道形状，表面均匀打孔，可实现不同形状、不同排水条件隧道的模拟。

本发明中，法兰盘11与压力腔套19连接处用橡胶垫密封。

本发明中，压力传感器17可根据试验需要埋置于压力腔内不同的测量位置。

本发明中，所述反滤层模具20为圆柱形结构，其圆柱形面上均匀分布有小孔。

本发明中，支架14底部设有滚轮。

本发明中，注浆体直径及配比可根据试验需要及几何相似比换算。

采用上述技术方案，本发明可用于研究限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验，具有以下有益效果：

1、可实现注浆加固圈外边界上水压的模拟与控制。

2、可实现注浆加固圈内边界上隧道排水的模拟与控制。

3、可实现注浆加固圈内水压折减规律的测试。

4、可实现模具辅助加固圈成型，实现加固圈形状的模拟。

5、可实现不同厚度注浆加固圈的模拟。

6、可实现不同尺寸与形状隧道的模拟。

7、可实现压力腔竖立填埋试验材料与安装测试装置，平放试验，简单易用，量测精确。

附图说明

图1是本试验装置结构图示；

图2是图1中A-A剖面图；

图3是法兰盘11平面图；

图4是反滤层模具20结构图；其中：(a)为主视图，(b)为俯视图；

图5是圆形模拟隧道18结构图；其中：(a)为主视图，(b)为俯视图；

图6是第1、4、7、10组试验压力传感器布置图；

图7是第2、5、8组试验压力传感器布置图；

图8是第3、6、9组试验压力传感器布置图；

图9是第11组试验压力传感器布置图；

图10是不注浆不排水条件下水压力分布(单位：MPa)；

图11是注浆不排水条件下水压力分布(单位：MPa)；

图12是不注浆全排水条件下水压力分布(单位：MPa，Q＝294.47m³/d)；

图13是注浆全排水条件下水压力分布(单位：MPa，Q＝41.61m³/d)；

图14是注浆圈厚度对水压力的影响(测点1)；

图15是注浆圈厚度对水压力的影响(测点4)；

图16是注浆圈厚度对水压力的影响(测点7)；

图17是注浆圈厚度对水压力的影响(测点3)；

图18是注浆圈厚度对水压力的影响(测点6)；

图19是注浆圈厚度对水压力的影响(测点9)；

图20是注浆圈渗透系数对水压力的影响(测点1)；

图21是注浆圈渗透系数对水压力的影响(测点4)；

图22是注浆圈渗透系数对水压力的影响(测点7)；

图23是注浆圈渗透系数对水压力的影响(测点3)；

图24是注浆圈渗透系数对水压力的影响(测点6)；

图25是注浆圈渗透系数对水压力的影响(测点9)；

图26是隧道排水量对水压力的影响(测点1-3)；

图27是隧道排水量对水压力的影响(测点4-6)；

图28是隧道排水量对水压力的影响(测点7-9)；

图29是内水压力对隧洞洞壁水压力的影响；

图30是内水压力对注浆圈中部水压力的影响；

图31是内水压力对注浆圈边缘水压力的影响；

图32是注浆圈对水压力的折减影响(测点1-3)；

图33是注浆圈对水压力的折减影响(测点6-9)。

图中标号：1为氮气瓶；2为控制阀；3为调压阀；4为第一开关；5为水箱；6为第二开关；7为第三开关；8为气-水交换罐；9为第四开关；10为螺帽；11为法兰盘；12为螺扣；13为第五开关；14为支架；15为流量计；16为第六开关；17为压力传感器；18为模拟隧道；19为压力腔套；20为反滤层模具；21为模拟围岩；22为注浆圈模具；23为注浆体；24为数据采集仪。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：加压设备包括氮气瓶1、控制阀2、调压阀3、第一开关4、水箱5、第二开关6、第三开关7、气-水交换罐8和第四开关9。氮气瓶1通过软管与调压阀3连接，容积为0.05m³，加压范围为0-1.0Mpa；控制阀2控制打开或关闭氮气出口；调压阀3通过软管与气-水交换罐8连接，量程为0-0.85Mpa，精度误差1％F.S，用于控制实验所需压力；第一开关4用于控制气-水交换罐8气源；水箱5通过软管与气-水交换罐8连接，用于提供实验所需水源，通过第三开关7控制；第二开关6用于控制气-水交换罐8出气口，实验完毕或者需要加水时打开放气；气-水交换罐8通过软管与压力腔套19连接。压力腔包括第四开关9、压力腔套19、螺帽10、法兰盘11、螺扣12、第五开关13、支架14、第六开关16。压力腔套19采用不锈钢制作，能承受0.5MPa压力，变形不大于0.1cm；法兰盘11用螺帽10固定在压力腔套19上，连接处用橡胶垫密封；螺扣12用于连接模拟隧道18与法兰盘11的出水口；支架14用于支撑压力腔，下端为滚轮，可自由移动；第四开关9控制压力腔进水口；第六开关16控制压力腔出水口。量测设备包括流量计15、压力传感器17、数据采集仪24。流量计15用于量测压力腔出口流量，量程比为20∶1，精度为1％F.S；压力传感器17用于量测压力腔内部水压力，量程为0-1.0MPa，精度误差0.2％F.S；数据采集仪24用于采集压力传感器17压力数值，可自动采集。附属设备包括注浆圈模具22、反滤层模具20，试验时，将模具放入压力腔19内，填充试验材料即可。

一、试验设计

(1)试验方案

为了研究限排抗水压隧道注浆圈水压折减的规律，共设计了11组试验方案(表1)。注浆圈半径分别为13cm、17cm、20cm，注浆圈渗透系数较围岩渗透系数分别减小10-1000倍，渗透系数相似比C_K＝1，比重相似比C_γw＝1，模拟的隧道纵向长度为50m，模拟的注浆半径为13m、17m、20m。压力传感器17的布置根据不同试验方案而有所差异，具体布置方法为：对于注浆半径为20cm的试验，在隧道洞壁、注浆圈中部、注浆圈边缘各布置三个压力传感器，在箱体顶部布置一个压力传感器；对于其他注浆半径的试验，在隧道洞壁、注浆圈边缘以及透水管边缘各布置3个压力传感器，在箱体顶部布置一个压力传感器；对于研究注浆圈水压力折减规律的试验，在注浆圈内部均匀布置8个压力传感器，在透水管顶部和一侧各布置1个压力传感器。每组试验的压力传感器布置见图6-图9。

表1试验方案

试验编号	注浆圈半径(cm)	注浆圈渗透系数(cm/s)	压力传感器布置点与隧道洞壁距离r(cm)
				1	-	-	r＝0，布置3个；r＝7.5，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
2	13	5.37×10^-5	r＝0，布置3个；r＝8，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
				3	17	5.37×10^-5	r＝0，布置3个；r＝12，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
4	20	5.37×10^-5	r＝0，布置3个；r＝7.5，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
				5	13	5.1×10^-6	r＝0，布置3个；r＝8，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
6	17	5.1×10^-6	r＝0，布置3个；r＝12，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
				7	20	5.1×10^-6	r＝0，布置3个；r＝7.5，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
8	13	8.0×10^-7	r＝0，布置3个；r＝8，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
				9	17	8.0×10^-7	r＝0，布置3个；r＝12，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
10	20	8.0×10^-7	r＝0，布置3个；r＝7.5，布置3个；r＝15，布置3个；r＝20，布置1个
				11	20	8.0×10^-7	r＝0，布置2个；r＝5，布置2个；r＝10，布置2个；r＝15，布置2个；r＝20，布置1个

二、试验步骤

(1)装样。将压力腔19竖立，放置反滤板20，将模拟隧道表面包裹滤布并放入压力腔19内，放入注浆圈模具22并进行定位，向模具内填注注浆圈相似材料23，在模具外侧填注围岩相似材料21，填注完成之后提升模具，重复上述过程直至箱体填满，并将材料压密。当填注材料高度达到测试断面位置时在相应位置埋设压力传感器17，压力传感器17测线从箱体底部引出，连接数据采集仪24。

(2)密封。取出注浆圈模具22，扣紧螺扣12，在法兰盘11内部安装橡胶垫，将法兰盘11安装在箱体上并旋紧螺帽10，在其外缘涂抹硅胶对箱体进行密封，确保试验过程中水只从模拟隧道18中排出。待法兰盘11安装完成之后，水平放置压力腔19，打开采数据集仪24并将各通道接口的读数清零，准备试验。

(3)加压。向水箱5注入试验用水，注满80％后打开第二开关6、第三开关7，向气-水交换罐8内注水，注满80％后关闭第二开关6、第三开关7。打开开关2，调节调压阀3至所需压力，打开第一开关4、第四开关9，并打开第六开关16，同时观察压力传感器17读数，待读数稳定之后，证明箱体内空气已排尽。待渗流稳定后，记录数据采集仪24与流量计15读书；然后不断改变流量，待渗流稳定后重复读数。

(4)取样。试验完成之后，后拆下法兰盘11，取出围岩相似材料22及注浆圈相似材料24并进行筛分，将箱体清洗干净并晾干，同时准备好相似材料进行下一组试验。

三、试验结果分析

(1)限排抗水压隧道水压折减规律

①不排水条件下渗流场水压力分布

图10、图11为不注浆与注浆条件下(注浆圈厚度20m，渗透系数kg＝5.37×10^-5cm/s)，隧道不排水的渗流场水压力分布图。从图中可以看出：若对地下水采用全封堵方式，无论是否注浆，水压力的分布均为静水压力分布，各测点的水压力随着距加压水箱垂直距离的增大而线性增加，说明在不排水的条件下，即使注浆也无法对水压力进行折减。

②隧道开挖后渗流场水压力分布

不注浆隧道自由排水与注浆条件下隧道自由排水(注浆圈厚度20m，渗透系数kg＝5.37×10^-5cm/s)的试验成果见图12、图13。从图中可以看出，开挖后隧道将成为地下水的主要排泄通道，全排水条件下渗流场各点水压力较不排水时均有不同程度的减小，尤其是靠近洞壁位置的水压力急剧降低，说明通过排水能有效减小衬砌承受的水压力；对比隧道排水量可以发现，无注浆条件下隧道自由排水量将远远大于注浆条件下的排水量，这是由于地下水渗流受到注浆圈的阻碍，地下水水头损失较大，从而导致流量减小；流量减小的同时，围岩承受的渗流力也减小，有利于围岩稳定，而注浆圈将承受了较大的渗流体积力。

(2)注浆圈厚度对水压折减的影响

图14-图19列出了注浆圈渗透系数kg＝5.1×10^-6cm/s，不同注浆圈厚度对渗流场水压力的影响：随着注浆圈厚度的增加，隧道自由排水量逐渐减小，靠近洞壁位置处水压力逐渐减小(测点1、4、7)，远离隧洞处的水压力则无明显变化(如靠近模型箱边缘处的测点3、6、9)。这是由于随着注浆圈厚度的增大，地下水通过注浆圈的渗流路径增长，地下水将消耗更多能量才能到达衬砌，导致衬砌处的水压力减小；当注浆圈厚度达到一定量值后，其厚度的增加对水压力的折减效果逐渐减弱，说明注浆厚度是存在相对经济合理的最优值，其值与远场水压力大小、内水压力大小、围岩渗透系数、注浆圈渗透系数、隧道排水量等因素有关。

(3)注浆圈渗透系数对水压折减的影响

图20-图25列出了注浆圈厚度为20m，注浆圈渗透系数分别为5.37×10^-5cm/s、5.1×10^-6cm/s、8.0×10^-7cm/s的试验结果。图20-图25表明：对于相同的排水量，随着注浆圈渗透系数的减小，衬砌处的水压力明显减小，注浆圈外缘处的水压力略有增大，说明提高注浆效果能降低衬砌水压力，但同时也会增大注浆圈承受的水压力；注浆圈效果越好，要达到同样的衬砌外水压力所需的排水量也越小。以本次试验洞壁测点1为例，当衬砌处的水压力接近零时，三种注浆材料作用下的隧道排水量分别为41.61m³/d、21.86m³/d、14.64m³/d。

(4)隧道排水量对水压折减的影响

图26-图28列出了注浆圈厚度20m，注浆圈渗透系数为5.1×10^-6cm/s的试验结果。由图中可以看出，随着排水量的增加，渗流场各点水压力逐渐减小，越靠近洞壁处水压力降低幅度越大(测点1、4、7)，说明通过排水能有效降低衬砌外水压力。随着与洞壁距离的增大，水压力降低幅度逐渐减小，渗流场边缘位置(测点3、6、9)处的水压力受排水量的影响很小。

(5)内水压力对水压折减的影响

对于水工隧洞工程，在运行期存在内水压力的作用，需研究内水压力对渗流场的影响。注浆圈厚度20m，注浆圈渗透系数8.0×10^-7cm/s，不同内水压力作用下的水压力分布见图29-图31：随着内水压力的增大，渗流场各点的水压力逐渐增大，靠近隧洞洞壁位置处的水压力变化幅度最大，注浆圈外边缘处的水压力变化幅度较小。当内水压力接近远场稳定水压时，渗流场水压力服从静水压力分布规律。

(6)注浆圈对水压力的折减规律

注浆圈厚度20m，注浆圈渗透系数8.0×10^-7cm/s，注浆圈内不同位置处的水压力分布见图32、图33(试验方案11，Q为隧道每延米流量，单位：m³/d)。从图中可以看出，在隧道排水的条件下，注浆圈内各点水压力随着与注浆圈外缘距离的增大而逐渐减小，注浆圈对水压力的折减符合线性折减规律。

四、试验结论

(1)当隧道不排水时，无论注浆与否，隧道渗流场的分布均为静水压力分布；开挖后隧道将成为地下水的主要排泄通道，渗流场各点水压力较不排水时均有不同程度的减小，靠近隧洞洞壁处的水压力变化幅度最大，说明通过排水能有效减小衬砌承受的水压力；注浆条件下隧道的自由排水量小于不注浆条件下的排水量，在自由排水量减小的同时，注浆圈将承受较大的渗流体积力，而围岩承受的渗流力将减小，有利于围岩稳定。

(2)在隧道定流量排水的条件下，随着注浆圈厚度的增加，隧道自由排水量逐渐减小，靠近洞壁位置处水压力逐渐减小，远离隧洞处的水压力则无明显变化，说明增大注浆圈厚度能够减小衬砌承受的水压力；当注浆圈厚度达到一定量值后，其厚度的增加对减小衬砌外水压力已无明显作用，说明了注浆厚度存在相对经济合理的最优值；对于相同的排水量，随着注浆圈渗透系数的减小，衬砌处的水压力明显减小，注浆圈外缘处的水压力略有增大，说明提高注浆效果能降低衬砌水压力，但同时地下水在加固圈中的渗流会消耗掉大量能量，注浆圈将承受更大的渗透力；注浆圈效果越好，要达到同样的衬砌外水压力所需的排水量也就越小。

(3)随着排水量的增加，渗流场各点水压力均有不同程度的减小，越靠近洞壁处水压力降低幅度越大，随着与洞壁距离的增大，水压力变化幅度逐渐减小，渗流场边缘位置的水压力受排水量的影响很小。

(4)对于水工隧洞工程，随着内水压力的增大，渗流场各点的水压力逐渐增大，靠近隧洞洞壁位置处的水压力变化幅度最大，注浆圈外边缘处的水压力变化幅度较小。当内水压力接近远场稳定水压时，渗流场水压力服从静水压力分布规律。

(5)注浆圈内各点水压力随着与注浆圈外缘距离的增大而逐渐减小，注浆圈对水压力的折减符合线性折减规律。

Claims

1.一种测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，其特征在于包括压力腔、模拟隧道、加压设备和量测设备，通过加压设备给压力腔施加恒定的渗透压，并且压力大小可精确调节，能满足不同压力环境下的试验需求；模拟隧道位于压力腔内，量测设备实现水压力及流量的精确测量；其中：

压力腔为圆柱形容器，包括第四开关(9)、法兰盘(11)、第五开关(13)、支架(14)、第六开关(16)和压力腔套(19)，法兰盘(11)固定于压力腔套(19)一侧，法兰盘(11)上设有出水口，出水口处连接有第五开关(13)，支架(14)位于压力腔套(19)底部，压力腔套(19)底部设有第六开关(16)；

加压设备包括氮气瓶(1)、控制阀(2)、调压阀(3)、第一开关(4)、水箱(5)、第二开关(6)、第三开关(7)和气-水交换罐(8)，氮气瓶(1)通过管道与调压阀(3)连接，控制阀(2)位于氮气瓶(1)口，用于控制氮气瓶(1)打开或关闭氮气出口；调压阀(3)通过管道和第一开关(4)与气-水交换罐(8)连接，用于控制实验所需压力；水箱(5)通过管道和第二开关(6)与气-水交换罐(8)连接，用于提供实验所需水源；第三开关(7)用于控制气-水交换罐(8)出气口；气-水交换罐(8)通过管道与位于压力腔套(19)顶部的第四开关(9)连接；

模拟隧道(18)两侧设有注浆体(23)，当使用时，注浆圈模具(22)置于注浆体(23)上，反滤层模具(20)与注浆圈模具(22)内设有模拟围岩(21)；

量测设备包括流量计(15)、压力传感器(17)和数据采集仪(24)，流量计(15)通过管道连接第六开关(16)，压力传感器(17)位于压力腔内，用于测量压力腔内部水压力；数据采集仪(24)连接压力传感器(17)。

2.根据权利要求1所述的测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，其特征在于所述模拟隧道(18)为圆形或马蹄形的隧道形状，表面均匀打孔。

3.根据权利要求1所述的测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，其特征在于法兰盘(11)与压力腔套(19)连接处用橡胶垫密封。

4.根据权利要求1所述的测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，其特征在于压力传感器(17)根据试验需要埋置于压力腔内不同的测量位置。

5.根据权利要求1所述的测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，其特征在于所述反滤层模具(20)为圆柱形结构，其圆柱形面上均匀分布有小孔。

6.根据权利要求1所述的测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，其特征在于支架(14)底部设有滚轮。

7.根据权利要求1所述的测试限排抗水压隧道注浆圈水压折减规律的试验装置，其特征在于注浆体直径及配比根据试验需求及几何相似比换算。