CN114720167A - 一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法,涉及岩土工程试验装备技术领域，包括反力墙、与反力墙连接的传力垫板、顶部盖板、围岩模型、围岩压力加载模块、水力加载模块和传感模块；所述反力墙数量若干，各所述反力墙首尾依次连接围合形成环状墙体，所述传力垫板与反力墙平行间隔设置,所述传力垫板位于环状墙体内侧，各所述传力垫板围合形成围岩模型置放空间，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板能够靠近或远离所述反力墙；所述顶部盖板密封装配于环状墙体的顶部，所述水力加载模块能够向围岩模型置放空间内注水；所述围岩模型内开有竖直延伸的隧洞，所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程试验装备技术领域，具体涉及一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法。
背景技术
岩石隧洞是指工程建设中设置于岩石中的，输水发电、泄洪导流、交通运输、场地连接等具有封闭断面的地下通道。围岩衬砌是指在地下工程中，为了加固围岩采用混凝土、钢筋混凝土等材料进行支护的工程措施。随着国家经济建设高速发展，铁路隧道、公路隧道、长距离输水隧洞、高压引水隧洞等用于运输、交通、水资源调配、水利水电等地下岩石隧洞或者说岩石隧道工程开始大规模建设。这些工程大多建设在我国的西部及西南高山峻岭地区，通常要穿越赋存环境和地质条件复杂的地层，可能面临埋深大、软岩大变形、岩爆、断层带围岩失稳、支护难度大等一系列工程难题；在运行过程中，还将面临复杂环境荷载的长期作用，如高地应力、高外水压力、活动断裂带的蠕滑等，对工程长期运行安全构成威胁。目前对地下岩石隧洞工程的稳定性研究主要集中在数值仿真计算和经验公式计算，在模型试验，特别是大比尺试验方面的研究较少。但是，当前在水利水电工程衬砌结构的模型试验研究方面，还存在若干的不足：(1)只对衬砌结构进行模型试验，加载主要采用轮毂模拟内、外水压力作用，此类试验可进行大比尺试验，但不能考虑围岩-衬砌结构联合承载，不能考虑真实的水荷载作用效应；(2)考虑围岩-衬砌结构联合承载，采用液压千斤顶或液压钢枕模拟围压的作用，此类试验比例尺一般较小，且没有考虑真实水荷载作用效应；(3)考虑围岩-衬砌结构联合承载，采用真实水荷载模拟外水压力、内水压力作用效应，此类试验一般没有考虑围压效应，没有考虑围岩真实的受力状态，且试验装置难重复利用，成本代价较大。而且上述试验基本采用混凝土或岩体堆砌形成围岩结构，没有考虑复制的岩体结构状态。
发明内容
本发明提供了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法，能够模拟水载荷以及围岩-衬砌结构联合承载二者同时作用效果。
本发明通过下述技术方案实现：
一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，包括反力墙、与反力墙连接的传力垫板、顶部盖板、围岩模型、围岩压力加载模块、水力加载模块和传感模块；所述反力墙数量若干，各所述反力墙首尾依次连接围合形成环状墙体，所述传力垫板与反力墙平行间隔设置,所述传力垫板位于环状墙体内侧，各所述传力垫板围合形成围岩模型置放空间，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板能够靠近或远离所述反力墙；所述顶部盖板密封装配于环状墙体的顶部，所述水力加载模块能够向围岩模型置放空间内注水；所述围岩模型内开有竖直延伸的隧洞，所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌；所述传感模块用于实时采集围岩模型的力学数据。如上所述，本发明提供了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置。在进行实际试验时，首先制作能够反应实际性能的围岩模型，围岩模型内各处合理布置传感模块以以便后续采集试验过程中的围堰模型的力学数据。随后将围岩模型置入传力垫板围合形成围岩模型置放空间内，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板能够靠近或远离所述反力墙以实现对围岩模型进行力的加载，实现围岩-衬砌结构联合承载的模拟试验。反力墙是整个装置的基础。所述围岩模型内开有竖直延伸的隧洞，所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌。围岩模型中的隧洞可以在传力垫板施力的条件下进行挖掘，以模拟实际开挖隧道时的岩石力学变化。所述顶部盖板密封装配于环状墙体的顶部，即地面、反力墙、顶部盖板围合形成密闭的试验空间，本装置具有的水力加载模块向该空间内注水，以模拟水载荷对围岩的作用效应。
进一步的技术方案：
所述反力墙包括剪力墙，所述剪力墙的两端分别固定有混凝土柱；各所述反力墙围合形成的环状区域底部铺设有润滑层，所述润滑层的顶部铺设有底部防水橡胶垫。
进一步的：所述混凝土柱外侧包裹有外包钢管，相邻所述混凝土柱通过若干横向H型钢梁连接，所述剪力墙包括间隔设置的外包钢板，两个外包钢板之间填充有高强混凝土，所述剪力墙中设置有连接筋。具体地来说，反力墙采用框架-SRC剪力墙组合结构，其各混凝土柱采用钢管约束型钢混凝土柱结构，钢管约束型钢混凝土柱结构的外部采用方型钢管包裹，内部布置竖向的H型钢梁，并浇筑高强混凝土材料，每根钢管设置3个节点，并在节点断开处用来连接剪力墙内设的3根横向H型钢梁，在每面剪力墙内再布置3根竖向H型钢梁，这样纵、横交错的H型钢梁组成反力墙的骨架结构。这种结构约束效果好、轴压比限值高并充分利用高强混凝土和高强钢材的强度。在墙内布设水平钢筋、竖向钢筋和箍筋，组成墙体的钢筋网结构，在墙体两侧外包钢板上纵、横交错地焊接工字型钢，在外包钢板与钢筋网之间用上下左右均间距500mm的钢筋焊接在一起，连接筋弯成“U”字形状，保证弯折部分有足够的长度能够焊接在外包钢板上。最后在墙体内浇筑高强混凝土材料，形成整个反力承载装置。
进一步的：所述顶部盖板包括钢结构框架及设置在所述钢结构框架内的聚碳酸酯塑料板,所述聚碳酸酯塑料板透明。本发明中用于全密封的顶部盖板由钢结构框架、聚碳酸酯塑料组合而成，聚碳酸酯塑料具备高强度、高冲击强度、耐疲劳性、不会应力开裂等特征，且易成型、透明性好。采用高强钢组成顶部盖板的薄六面体形态的钢骨架，在钢骨架内部嵌入聚碳酸酯塑料厚板，在顶盖框架内部采用纵、横交错竖向分布的聚碳酸酯塑料厚板对顶盖进行加固。
进一步的：所述反力墙顶部开有密封槽，所述顶部盖板的底面设置有与所述密封槽对应的密封条；所述钢筋混凝土衬砌的顶端圆口边缘设置有密封垫片，所述顶部盖板设置有用于与所述密封垫片贴合连接的法兰盘；所述围岩模型的顶部铺设有顶部防水橡胶垫。在本技术特征中，依据反力墙顶部设置的密封槽的位置，对应地在顶盖下部焊接一圈密封条，同时依据隧洞衬砌结构的位置在顶盖下部连接一圈法兰盘，在围岩模型的顶部铺设有顶部防水橡胶垫，以避免水从顶盖和钢筋混凝土衬砌的顶端圆口边缘之间的缝隙渗漏，达到整个试验装置的全密封的目的。装置密封完成后，在顶盖部位通过四根钢梁与试验大厅内的大型反力墙内的孔洞相连，这样达到固定整个试验装置和承受顶盖反力的作用。
进一步的：所述围岩模型的材料包括岩石粉末、水泥砂浆。围岩模型可以通过3D打印技术来实现制造，其制造方法具体包括如下步骤：步骤1.通过地质测量、物探、钻探、地质人员现场勘查和进行地质素描，获取隧洞(道)工程区域岩体的地层岩性特征、地质构造(断层、节理裂隙等结构面)特征、岩体风化特征等；步骤2.通过自编的三维地质建模软件构建能反映工程区域三维结构面网络系统的三维地质概化模型；步骤3.将三维地质概化模型进行等比例尺缩放至试验设计的尺寸比例，然后获取缩放模型的网格单元信息、节点坐标信息、结构面位置信息等，然后导入三维建模软件(如犀牛Rhino)；步骤4.在三维建模软件里面构建地质概化模型的3D实体模型，并将3D数值仿真模型分块导出用于3D打印的.stl文件；步骤5.将试验对象的岩石粉末作为原材料，通过与水泥砂浆等配比组合形成与现场岩体力学性能相近的材料，再通过3D打印机逐层打印的方式构建出反映试验对象岩体特性、结构特征的围岩模型。
进一步的：所述反力墙的数量为四个，各所述反力墙围合形成的环状墙体的走向为正方形；所述围岩压力加载模块包括液压千斤顶，所述液压千斤顶固定在所述反力墙上，所述液压千斤顶通过液压杆与传力垫板连接；所述反力墙上开有油路进出口，所述千斤顶通过高压油管穿过油路进出口至反力墙外侧与液压泵连接，所述高压油管上设置有压力计；对侧所述的反力墙对应设置的两个千斤顶由同一液压泵控制；本装置还包括设置在底部的导轨，所述导轨内设置有滚轮，所述传力垫板通过滚轮与导轨滑动装配。实际操作形式为，在反力墙浇筑完成后，将液压千斤顶安装在反力墙内壁的固定支架，再将传力垫板与反力墙内壁平行放置在反力墙底板的导轨上，并连接传力垫板和反力墙内壁间的液压杆，将传力钢筋混凝土垫板固定住，然后按设计的油路链接方案连接高压油管，形成2个独立的围岩压力加载系统；在试验对象围岩模型在反力墙内壁放置的区域底部铺设润滑层，采用聚四氟乙烯高强薄膜材料，再在润滑层上面铺设橡胶垫，用于后续实现中模型的防水密封操作。
进一步的：所述水力加载模块包括高压水管，所述反力墙上开有出水阀孔，所述出水阀孔内安装有连通反力墙内外两侧的出水管。高压水管用于将水泵入装置体内，出水管用于完成试验后排出装置内的水。
进一步的：所述传感模块包括声发生器、防水应变片、应变计、钢筋计、光纤光栅传感器、振弦式孔隙水压力计、土压力计、信号数据采集仪、振弦数据记录仪、光纤数据记录仪、计算机数据分析系统。具体地来说，测试开始前，将围岩模型通过吊车梁整体吊装至反力墙内部的底部防水橡胶垫上部，并固定位置。随后通过调节液压千斤顶的初始出力，使液压千斤顶、传力钢筋混凝土垫板和围岩模型紧密贴在一起。待所有试验条件准备完成后，将监测仪器的线缆连接至相应的数据采集仪，再依据试验方案通过液压泵按一定比例均匀施加四周的围岩压力，直至达到设计值，使整个围岩模型处于设计的应力状态下，然后依据试验方案隧洞尺寸的大小，采用电钻模拟隧洞岩体的开挖，逐步向下推进，直至整个隧洞开挖完成，隧洞开挖过程中实时采集应力应变、声发射的数据，以便进行第一阶段结果分析。完成第一阶段试验后，在开挖完成的隧洞内部放入衬砌模型结构的钢筋笼和衬砌内壁模板，制作完成的钢筋笼内部环向钢筋、纵向钢筋上贴上测量应变的钢筋计，并在环向钢筋上布设光纤传感器；然后浇筑混凝土材料，养护28天后拆除衬砌模型内部的模板，在衬砌内部贴上声发射传感器、电阻式应变片，在衬砌模型结构的底部浇筑一层环氧树脂密封层。之后，通过高压水管、三通阀依次连接水箱、液压泵、稳压罐、压力计，并与反力墙上的进水口相连接，形成一套水压加载稳压系统。制作顶部盖板，将盖板固定在反力墙顶部，使盖板下部的密封条和反力墙密封槽紧密贴合在一起，并在凹型槽内部铺设与水膨胀止水带，同时在衬砌模型区域通过螺栓[将顶盖的法兰盘、中间的密封垫片、衬砌模型顶部的法兰盘紧密连接在一起，并在顶部盖板与下部围岩模型间布设一层防水橡胶垫这样在反力墙和衬砌间形成了一个防水密封结构，这样通过水压加载系统可施加外水压力，进行隧洞围岩-衬砌结构在运行期的试验研究。
本发明还提供了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验方法，采用上述一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，包括以下步骤：
步骤1：在钢筋混凝土衬砌结构的内、外壁需要监测的部位贴应变片；在衬砌内部的的环向钢筋、纵向钢筋上贴上测量应变的钢筋计；在衬砌环向钢筋上布设光纤传感器；在衬砌外壁布设振弦数据记录仪，用来测量衬砌模型与围岩模型间的相互作用力；
步骤2：在围岩模型内部间隔一定的距离和角度系统地贴上防水应变片，用来测量整个围岩模型的变形场分布特征；在围岩模型内部按一定的距离和角度布设振弦式孔隙水压力计，用来测量衬砌开裂后外水内渗、内水外渗情况下的渗流场变化特征；在传力钢筋混凝土垫板和围岩模型间布设土压力计，用来测量试验过程中围岩模型承受的压力值大小；
步骤3：在衬砌内壁布设声发射传感器，用来测量试验过程中围岩和衬砌结构的损伤破裂特征；
步骤4：将所有监测仪器数据导至电脑，通过对应的数据分析软件对采集到的应力应变、压力值、水压力值、声波等数据进行后期处理，分析在不同压力荷载下围岩结构响应特征和衬砌结构中钢筋和混凝土的应力应变关系，试验完毕后，打开上盖板对围岩模型和衬砌结构破坏形态进行分析研究。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种工件定位夹紧装置，所提出的试验装置和测试测量方法适用性广泛，可进行水工隧洞(有压、无压)、铁路隧道、公路隧道等地下洞室工程稳定性的试验研究；
2、本发明一种工件定位夹紧装置，提出的反力框架可承载性能高，稳定性好，方便试验模型的安装和测试，且可进行变尺寸的试验对象研究，且顶盖为透明结构，可在试验过程中实时观察试验对象的外观变化特征；
3、本发明一种工件定位夹紧装置，提出的围岩模型根据现场地质勘测和编录，进行三维数值建模，再采用3D打印技术制造，可更加精确地模拟地下工程岩体的结构特征；
4、本发明一种工件定位夹紧装置，提出的地下工程外力加载装置分为围岩和水压力加载两部分，围岩压力通过液压钢枕挤压围岩结构传导受力的方式进行加载，水压力采用真实水压进行加载，两者互不干扰且能协同分级加载，能最大程度满足复杂荷载条件下的各级加载流程；
5、本发明一种工件定位夹紧装置，提出的测试方法和测量系统可研究岩体地下工程隧洞(道)开挖过程以及运行过程的试验研究和全面数据的测试采集分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明整体示意图；
图2为本发明混凝土柱示意图；
图3为本发明剪力墙示意图；
图4为本发明俯视剖面示意图；
图5为本发明前视剖面示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-反力墙，2-传力垫板，3-顶部盖板，4-围岩模型，11-剪力墙，12-混凝土柱，13-润滑层，14-底部防水橡胶垫，31-钢结构框架，32-聚碳酸酯塑料板，33-法兰盘，41-钢筋混凝土衬砌，42-密封垫片，43-隧洞，44-环氧树脂密封层，45-顶部防水橡胶垫，51-液压千斤顶，52-压力计，53-高压油管，54-导轨，55-滚轮，61-高压水管，62-出水管，111-外包钢板，112-连接筋，113-密封槽，121-外包钢管，122-横向H型钢梁。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1～图5所示，一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，包括反力墙1、与反力墙1连接的传力垫板2、顶部盖板3、围岩模型4、围岩压力加载模块、水力加载模块和传感模块；所述反力墙1数量若干，各所述反力墙1首尾依次连接围合形成环状墙体，所述传力垫板2与反力墙1平行间隔设置,所述传力垫板2位于环状墙体内侧，各所述传力垫板2围合形成围岩模型4置放空间，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板2能够靠近或远离所述反力墙1；所述顶部盖板3密封装配于环状墙体的顶部，所述水力加载模块能够向围岩模型4置放空间内注水；所述围岩模型4内开有竖直延伸的隧洞43，所述隧洞43的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌41；所述传感模块用于实时采集围岩模型4的力学数据。
如上所述，本申请提供了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置。在进行实际试验时，首先制作能够反应实际性能的围岩模型4，围岩模型4内各处合理布置传感模块以以便后续采集试验过程中的围堰模型的力学数据。随后将围岩模型4置入传力垫板2围合形成围岩模型4置放空间内，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板2能够靠近或远离所述反力墙1以实现对围岩模型4进行力的加载，实现围岩-衬砌结构联合承载的模拟试验。反力墙1是整个装置的基础。所述围岩模型4内开有竖直延伸的隧洞43，所述隧洞43的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌41。围岩模型4中的隧洞43可以在传力垫板2施力的条件下进行挖掘，以模拟实际开挖隧道时的岩石力学变化。所述顶部盖板3密封装配于环状墙体的顶部，即地面、反力墙1、顶部盖板3围合形成密闭的试验空间，本装置具有的水力加载模块向该空间内注水，以模拟水载荷对围岩的作用效应。
所述反力墙1包括剪力墙11，所述剪力墙11的两端分别固定有混凝土柱12；各所述反力墙1围合形成的环状区域底部铺设有润滑层13，所述润滑层13的顶部铺设有底部防水橡胶垫14。
所述混凝土柱12外侧包裹有外包钢管121，相邻所述混凝土柱12通过若干横向H型钢梁122连接，所述剪力墙11包括间隔设置的外包钢板111，两个外包钢板111之间填充有高强混凝土，所述剪力墙11中设置有连接筋112。具体地来说，反力墙1采用框架-SRC剪力墙11组合结构，其各混凝土柱12采用钢管约束型钢混凝土柱12结构，钢管约束型钢混凝土柱12结构的外部采用方型钢管包裹，内部布置竖向的H型钢梁，并浇筑高强混凝土材料，每根钢管设置3个节点，并在节点断开处用来连接剪力墙11内设的3根横向H型钢梁122，在每面剪力墙11内再布置3根竖向H型钢梁，这样纵、横交错的H型钢梁组成反力墙1的骨架结构。这种结构约束效果好、轴压比限值高并充分利用高强混凝土和高强钢材的强度。在墙内布设水平钢筋、竖向钢筋和箍筋，组成墙体的钢筋网结构，在墙体两侧外包钢板111上纵、横交错地焊接工字型钢，在外包钢板111与钢筋网之间用上下左右均间距500mm的钢筋焊接在一起，连接筋112弯成“U”字形状，保证弯折部分有足够的长度能够焊接在外包钢板111上。最后在墙体内浇筑高强混凝土材料，形成整个反力承载装置。
所述顶部盖板3包括钢结构框架31及设置在所述钢结构框架31内的聚碳酸酯塑料板32,所述聚碳酸酯塑料板32透明。本发明中用于全密封的顶部盖板3由钢结构框架31、聚碳酸酯塑料组合而成，聚碳酸酯塑料具备高强度、高冲击强度、耐疲劳性、不会应力开裂等特征，且易成型、透明性好。采用高强钢组成顶部盖板3的薄六面体形态的钢骨架，在钢骨架内部嵌入聚碳酸酯塑料厚板，在顶盖框架内部采用纵、横交错竖向分布的聚碳酸酯塑料厚板对顶盖进行加固。
所述反力墙1顶部开有密封槽113，所述顶部盖板3的底面设置有与所述密封槽113对应的密封条；所述钢筋混凝土衬砌41的顶端圆口边缘设置有密封垫片42，所述顶部盖板3设置有用于与所述密封垫片42贴合连接的法兰盘33；所述围岩模型4的顶部铺设有顶部防水橡胶垫45。在本技术特征中，依据反力墙1顶部设置的密封槽113的位置，对应地在顶盖下部焊接一圈密封条，同时依据隧洞43衬砌结构的位置在顶盖下部连接一圈法兰盘33，在围岩模型4的顶部铺设有顶部防水橡胶垫45，以避免水从顶盖和钢筋混凝土衬砌41的顶端圆口边缘之间的缝隙渗漏，达到整个试验装置的全密封的目的。装置密封完成后，在顶盖部位通过四根钢梁与试验大厅内的大型反力墙1内的孔洞相连，这样达到固定整个试验装置和承受顶盖反力的作用。
所述围岩模型4的材料包括岩石粉末、水泥砂浆。围岩模型4可以通过3D打印技术来实现制造，其制造方法具体包括如下步骤：步骤1.通过地质测量、物探、钻探、地质人员现场勘查和进行地质素描，获取隧洞43(道)工程区域岩体的地层岩性特征、地质构造(断层、节理裂隙等结构面)特征、岩体风化特征等；步骤2.通过自编的三维地质建模软件构建能反映工程区域三维结构面网络系统的三维地质概化模型；步骤3.将三维地质概化模型进行等比例尺缩放至试验设计的尺寸比例，然后获取缩放模型的网格单元信息、节点坐标信息、结构面位置信息等，然后导入三维建模软件(如犀牛Rhino)；步骤4.在三维建模软件里面构建地质概化模型的3D实体模型，并将3D数值仿真模型分块导出用于3D打印的.stl文件；步骤5.将试验对象的岩石粉末作为原材料，通过与水泥砂浆等配比组合形成与现场岩体力学性能相近的材料，再通过3D打印机逐层打印的方式构建出反映试验对象岩体特性、结构特征的围岩模型4。
所述反力墙1的数量为四个，各所述反力墙1围合形成的环状墙体的走向为正方形；所述围岩压力加载模块包括液压千斤顶51，所述液压千斤顶51固定在所述反力墙1上，所述液压千斤顶51通过液压杆与传力垫板2连接；所述反力墙1上开有油路进出口，所述千斤顶通过高压油管53穿过油路进出口至反力墙1外侧与液压泵连接，所述高压油管53上设置有压力计52；对侧所述的反力墙1对应设置的两个千斤顶由同一液压泵控制；本装置还包括设置在底部的导轨54，所述导轨54内设置有滚轮55，所述传力垫板2通过滚轮55与导轨54滑动装配。实际操作形式为，在反力墙1浇筑完成后，将液压千斤顶51安装在反力墙1内壁的固定支架，再将传力垫板2与反力墙1内壁平行放置在反力墙1底板的导轨54上，并连接传力垫板2和反力墙1内壁间的液压杆，将传力钢筋混凝土垫板固定住，然后按设计的油路链接方案连接高压油管53，形成2个独立的围岩压力加载系统；在试验对象围岩模型4在反力墙1内壁放置的区域底部铺设润滑层13，采用聚四氟乙烯高强薄膜材料，再在润滑层13上面铺设橡胶垫，用于后续实现中模型的防水密封操作。
所述水力加载模块包括高压水管61，所述反力墙1上开有出水阀孔，所述出水阀孔内安装有连通反力墙1内外两侧的出水管62。高压水管61用于将水泵入装置体内，出水管62用于完成试验后排出装置内的水。
所述传感模块包括声发生器、防水应变片、应变计、钢筋计、光纤光栅传感器、振弦式孔隙水压力计52、土压力计52、信号数据采集仪、振弦数据记录仪、光纤数据记录仪、计算机数据分析系统。具体地来说，测试开始前，将围岩模型4通过吊车梁整体吊装至反力墙1内部的底部防水橡胶垫14上部，并固定位置。随后通过调节液压千斤顶51的初始出力，使液压千斤顶51、传力钢筋混凝土垫板和围岩模型4紧密贴在一起。待所有试验条件准备完成后，将监测仪器的线缆连接至相应的数据采集仪，再依据试验方案通过液压泵按一定比例均匀施加四周的围岩压力，直至达到设计值，使整个围岩模型4处于设计的应力状态下，然后依据试验方案隧洞43尺寸的大小，采用电钻模拟隧洞43岩体的开挖，逐步向下推进，直至整个隧洞43开挖完成，隧洞43开挖过程中实时采集应力应变、声发射的数据，以便进行第一阶段结果分析。完成第一阶段试验后，在开挖完成的隧洞43内部放入衬砌模型结构的钢筋笼和衬砌内壁模板，制作完成的钢筋笼内部环向钢筋、纵向钢筋上贴上测量应变的钢筋计，并在环向钢筋上布设光纤传感器；然后浇筑混凝土材料，养护28天后拆除衬砌模型内部的模板，在衬砌内部贴上声发射传感器、电阻式应变片，在衬砌模型结构的底部浇筑一层环氧树脂密封层44。之后，通过高压水管61、三通阀依次连接水箱、液压泵、稳压罐、压力计52，并与反力墙1上的进水口相连接，形成一套水压加载稳压系统。制作顶部盖板3，将盖板固定在反力墙1顶部，使盖板下部的密封条和反力墙1密封槽113紧密贴合在一起，并在凹型槽内部铺设与水膨胀止水带，同时在衬砌模型区域通过螺栓[将顶盖的法兰盘33、中间的密封垫片42、衬砌模型顶部的法兰盘33紧密连接在一起，并在顶部盖板3与下部围岩模型4间布设一层防水橡胶垫这样在反力墙1和衬砌间形成了一个防水密封结构，这样通过水压加载系统可施加外水压力，进行隧洞43围岩-衬砌结构在运行期的试验研究。
实施例2
本发明还提供了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验方法，采用实施例1中的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，包括以下步骤：步骤1.在钢筋混凝土衬砌41结构的内、外壁需要监测的部位贴应变片；在衬砌内部的的环向钢筋、纵向钢筋上贴上测量应变的钢筋计；在衬砌环向钢筋上布设光纤传感器；在衬砌外壁布设振弦数据记录仪，用来测量衬砌模型与围岩模型4间的相互作用力；步骤2.在围岩模型4内部间隔一定的距离和角度系统地贴上防水应变片，用来测量整个围岩模型4的变形场分布特征；在围岩模型4内部按一定的距离和角度布设振弦式孔隙水压力计52，用来测量衬砌开裂后外水内渗、内水外渗情况下的渗流场变化特征；在传力钢筋混凝土垫板和围岩模型4间布设土压力计52，用来测量试验过程中围岩模型4承受的压力值大小；步骤3.在衬砌内壁布设声发射传感器，用来测量试验过程中围岩和衬砌结构的损伤破裂特征；步骤4.将所有监测仪器数据导至电脑，通过对应的数据分析软件对采集到的应力应变、压力值、水压力值、声波等数据进行后期处理，分析在不同压力荷载下围岩结构响应特征和衬砌结构中钢筋和混凝土的应力应变关系，试验完毕后，打开上盖板对围岩模型4和衬砌结构破坏形态进行分析研究。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，包括反力墙(1)、与反力墙(1)连接的传力垫板(2)、顶部盖板(3)、围岩模型(4)、围岩压力加载模块、水力加载模块和传感模块；所述反力墙(1)数量若干，各所述反力墙(1)首尾依次连接围合形成环状墙体，所述传力垫板(2)与反力墙(1)平行间隔设置,所述传力垫板(2)位于环状墙体内侧，各所述传力垫板(2)围合形成围岩模型(4)置放空间，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板(2)能够靠近或远离所述反力墙(1)；所述顶部盖板(3)密封装配于环状墙体的顶部，所述水力加载模块能够向围岩模型(4)置放空间内注水；所述围岩模型(4)内开有竖直延伸的隧洞(43)，所述隧洞(43)的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌(41)；所述传感模块用于实时采集围岩模型(4)的力学数据。
2.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述反力墙(1)包括剪力墙(11)，所述剪力墙(11)的两端分别固定有混凝土柱(12)；各所述反力墙(1)围合形成的环状区域底部铺设有润滑层(13)，所述润滑层(13)的顶部铺设有底部防水橡胶垫(14)。
3.根据权利要求2所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述混凝土柱(12)外侧包裹有外包钢管(121)，相邻所述混凝土柱(12)通过若干横向H型钢梁(122)连接，所述剪力墙(11)包括间隔设置的外包钢板(111)，两个外包钢板(111)之间填充有高强混凝土，所述剪力墙(11)中设置有连接筋(112)。
4.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述顶部盖板(3)包括钢结构框架(31)及设置在所述钢结构框架(31)内的聚碳酸酯塑料板(32),所述聚碳酸酯塑料板(32)透明。
5.根据权利要求4所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述反力墙(1)顶部开有密封槽(113)，所述顶部盖板(3)的底面设置有与所述密封槽(113)对应的密封条；所述钢筋混凝土衬砌(41)的顶端圆口边缘设置有密封垫片(42)，所述顶部盖板(3)设置有用于与所述密封垫片(42)贴合连接的法兰盘(33)；所述围岩模型(4)的顶部铺设有顶部防水橡胶垫(45)。
6.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述围岩模型(4)的材料包括岩石粉末、水泥砂浆。
7.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述反力墙(1)的数量为四个，各所述反力墙(1)围合形成的环状墙体的走向为正方形；
所述围岩压力加载模块包括液压千斤顶(51)，所述液压千斤顶(51)固定在所述反力墙(1)上，所述液压千斤顶(51)通过液压杆与传力垫板(2)连接；所述反力墙(1)上开有油路进出口，所述千斤顶通过高压油管(53)穿过油路进出口至反力墙(1)外侧与液压泵连接，所述高压油管(53)上设置有压力计(52)；对侧所述的反力墙(1)对应设置的两个千斤顶由同一液压泵控制；
本装置还包括设置在底部的导轨(54)，所述导轨(54)内设置有滚轮(55)，所述传力垫板(2)通过滚轮(55)与导轨(54)滑动装配。
8.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述水力加载模块包括高压水管(61)，所述反力墙(1)上开有出水阀孔，所述出水阀孔内安装有连通反力墙(1)内外两侧的出水管(62)。
9.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述传感模块包括声发生器、防水应变片、应变计、钢筋计、光纤光栅传感器、振弦式孔隙水压力计(52)、土压力计(52)、信号数据采集仪、振弦数据记录仪、光纤数据记录仪、计算机数据分析系统。
10.一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验方法，采用权利要求1-9中任意一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在钢筋混凝土衬砌(41)结构的内、外壁需要监测的部位贴应变片；在衬砌内部的的环向钢筋、纵向钢筋上贴上测量应变的钢筋计；在衬砌环向钢筋上布设光纤传感器；在衬砌外壁布设振弦数据记录仪，用来测量衬砌模型与围岩模型(4)间的相互作用力；
步骤2：在围岩模型(4)内部间隔一定的距离和角度系统地贴上防水应变片，用来测量整个围岩模型(4)的变形场分布特征；在围岩模型(4)内部按一定的距离和角度布设振弦式孔隙水压力计(52)，用来测量衬砌开裂后外水内渗、内水外渗情况下的渗流场变化特征；在传力钢筋混凝土垫板和围岩模型(4)间布设土压力计(52)，用来测量试验过程中围岩模型(4)承受的压力值大小；
步骤3：在衬砌内壁布设声发射传感器，用来测量试验过程中围岩和衬砌结构的损伤破裂特征；
步骤4：将所有监测仪器数据导至电脑，通过对应的数据分析软件对采集到的应力应变、压力值、水压力值、声波等数据进行后期处理，分析在不同压力荷载下围岩结构响应特征和衬砌结构中钢筋和混凝土的应力应变关系，试验完毕后，打开上盖板对围岩模型(4)和衬砌结构破坏形态进行分析研究。
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