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原文传递一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法

专利名称：	一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法
摘要：	本发明公开了一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法，试验装置包括压力舱、应力加载机构、衬砌层和监测系统。压力舱包括前舱门、舱体和后舱门；衬砌层可由素混凝土、钢筋混凝土或环锚预应力混凝土等浇筑成形，另外在衬砌层与舱体内壁之间可设置围岩模拟层；应力加载机构包括加载腔、压力管、汇压阀和压力水泵；监测系统包括监测仪器和数据采集仪器；试验方法包括衬砌层的制作与安装、应力加载机构与监测系统的安装、不同内外荷载加载步骤以及数据的采集与处理分析。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国水利水电科学研究院
发明人：	刘立鹏;皮进;张强;孙平;姜龙;林兴超;冷合勤;李昌博;陈晨;汪小刚;傅睿智;王玉杰;赵宇飞;段庆伟;王斌;孙兴松;曹瑞琅
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-02T00:00:00+0800
申请号：	CN201910386345.8
公开号：	CN110082218A
代理机构：	北京栈桥知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	潘卫锋
分类号：	G01N3/12(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	100038 北京市海淀区复兴路甲一号
主权项：	1.一种隧洞衬砌结构模型试验装置，包括压力舱(1)、衬砌层(2)、应力加载机构(3)和监测系统(4)，其特征在于：所述压力舱(1)整体呈圆筒形，包括前舱门(11)、舱体(12)和后舱门(13)；所述衬砌层(2)安装或浇筑于所述舱体(12)内部，衬砌层(2)筒体两端面与舱体(12)两端面齐平；所述应力加载机构(3)包括加载腔(31)、压力管(32)、汇压阀(33)和压力水泵，所述加载腔(31)外壁与舱体(12)内壁贴合，加载腔(31)内壁与衬砌层(2)外壁贴合，所述压力管(32)与汇压阀(33)埋设于衬砌层(2)内部，所述汇压阀(33)通过舱体(12)对应接头与外部压力水泵连接；所述监测系统(4)包括监测仪器和数据采集仪器，所述监测仪器埋设于衬砌层(2)内部，仪器线缆从舱体(12)引出后与外部数据采集仪器连接。 2.根据权利要求1所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述前舱门(11)设有内水压力表(111)、内腔排水阀门(112)、内密封圈(113)、外密封圈(114)、螺栓(115)、螺栓孔(116)和加强肋(117)；所述舱体(12)设有应力加载阀门外接头(121)、应力加载阀门内接头(122)、外腔注水加压阀门(123)、混凝土灌注孔(124)、外腔排气阀门(125)、外腔排水阀门(126)、外水压力表(127)、监测仪器线缆出口(128)、底座(129)和螺栓孔(115)；所述后舱门(13)设有内腔注水加压阀门(131)、内腔排气阀门(132)、内密封圈(113)、外密封圈(114)、螺栓(115)、螺栓孔(116)和加强肋(117)，在所述舱体(12)内壁铺设有长丝土工布(14)。 3.根据权利要求1或2所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述监测仪器线缆出口(128)采用双层法兰结构，包括出口接头(1281)、密封垫(1282)、中部法兰板(1283)、密封胶层(1284)与顶部法兰板(1285)，所述的中部法兰板(1283)与顶部法兰板(1285)在相同位置处开设有线缆导出孔(1286)，所述监测仪器的单根线缆分别穿过中部法兰板(1283)与顶部法兰板(1285)上的线缆导出孔(1286)，所述密封垫(1282)安装于出口接头(1281)与中部法兰板(1283)之间，所述中部法兰板(1283)与顶部法兰板(1285)之间均匀涂抹密封胶后采用螺栓压紧形成密封胶层(1284)。 4.根据权利要求1或2所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述衬砌层(2)由素混凝土、钢筋混凝土或环锚预应力混凝土浇筑成形，所述衬砌层(2)外壁与加载腔(31)内壁贴合，所述衬砌层(2)筒体两端面与舱体(12)两端面齐平；所述衬砌层(2)内壁与前舱门(11)、后舱门(13)通过内密封圈(113)进行密封形成内水加压腔(21)；所述衬砌层(2)外壁与舱体(12)内壁、前舱门(11)、后舱门(13)通过螺栓(115)和外密封圈(114)进行密封形成外水加压腔(22)。 5.根据权利要求1所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述加载腔(31)由橡胶硫化而成的方形扁平囊体，在所述加载腔(31)的方形面设有前接头(311)与后接头(312)。 6.根据权利要求1所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述汇压阀(33)包括内接口(331)、阀体(332)、汇压管(333)和外接头(334)，所述汇压管(333)将内接口(331)与外接头(334)连接为一体，所述汇压阀(33)的内接口(331)与应力加载阀门内接头(122)连接，埋设于衬砌层(2)内部，所述加载腔(31)沿环向分片，轴向分段安装在舱体(12)内壁，用所述压力管(32)将环向相邻加载腔(31)的前接头(311)与后接头(312)串联后接入汇压阀(33)的外接头(334)，所述的压力水泵可分别与应力加载阀门外接头(121)、外腔注水加压阀门(123)、内腔注水加压阀门(131)连接。 7.根据权利要求1-6任一所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，在所述衬砌层(2)与舱体(12)内壁之间设置围岩模拟层，所述围岩模拟层整体呈圆筒形，由混凝土浇筑成型，围岩模拟层外壁与舱体(12)内壁贴合，所述的围岩模拟层筒体两端面与舱体(12)两端面齐平，所述的汇压阀(33)埋设于围岩模拟层内，所述的加载腔(31)安装在围岩模拟层内壁。 8.根据权利要求1所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述的监测仪器包括埋设于衬砌层(2)或围岩模拟层内部的监测应力/应变、变形、渗流数据的仪器；所述的数据采集仪器包括集线箱、信号转换器、解调仪、读数仪和采集仪。 9.根据权利要求1-8任一所述的一种隧洞衬砌结构模型试验装置，其特征在于，所述的压力水泵连接内腔注水加压阀门(131)，所述加压阀门(131)对内水加压腔(21)施加水压力荷载，模拟水工隧洞不同等级内水压力作用；所述的压力水泵连接外腔注水加压阀门(123)对外水加压腔(22)施加水压力荷载，模拟水工或交通隧洞不同等级外水压力作用；所述的压力水泵连接应力加载阀门外接头(121)，对加载腔(31)注水加压，模拟水工或交通隧洞的山岩压力作用。 10.一种如权利要求1-9任一所述的隧洞衬砌结构模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下试验步骤：步骤1：安装应力加载机构，包括：在舱体(12)内壁铺设长丝土工布(14)，将汇压阀(33)的内接口(331)与应力加载阀门内接头(122)连接，在舱体(12)内壁沿环向分片、轴向分段铺设安装加载腔(31)，环向相邻加载腔(31)的前接头(311)与后接头(312)通过压力管(32)串联，最后将环向两端压力管(32)接入汇压阀(33)的外接头(334)，完成应力加载机构(3)的安装；步骤2：浇筑安装衬砌层，包括：安装固定后舱门(13)，埋设监测仪器，将仪器线缆由舱体(12)的监测仪器线缆出口(128)导出，将监测仪器线缆出口(128)的密封垫(1282)和中部法兰板(1283)装入出口接头(1281)固定，根据试验方案制作安装衬砌层内部结构组件，安装衬砌层浇筑模板，将设定标号的混凝土由舱体(12)上部的混凝土灌注孔(124)注入模板内，每次注入一定量后振捣均匀，浇筑完成后进行混凝土养护，达到龄期要求后拆除模板，完成衬砌层(2)的浇筑安装；步骤3：山岩压力加载，包括：在监测仪器线缆出口(128)的中部法兰盘(1283)与顶部法兰盘(1285)之间均匀涂抹密封胶后用螺栓固定压紧，安装固定前舱门(11)，锁紧前舱门(12)与后舱门(13)上螺栓(115)，使内密封圈(113)与外密封圈(114)全部压密，用真空泵连接应力加载阀门外接头(121)，抽出加载腔(31)内空气，再将压力水泵与应力加载阀门外接头(121)连接，根据试验方案，对加载腔(31)加压至设定值，同时打开数据采集仪记录各监测仪器读数；步骤4：内水压力加载，包括：打开内腔排气阀门(132)，将压力水泵连接内腔注水加压阀门(131)，对内水加压腔(21)注水加压，待内水加压腔(21)空气排净后关闭内腔排气阀门(132)，根据试验方案，逐级对内水加压腔(21)注水加压至设定值，观察记录内水压力表(111)与外水压力表(127)示数变化，同时打开数据采集仪记录各监测仪器读数，若加载过程中观察到外水压力表(127)示数由0开始增大，则说明衬砌发生开裂，加载结束后打开内腔排水阀门(112)，排出内水加压腔(21)水；步骤5：外水压力加载，包括：打开外腔排气阀门(125)，将压力水泵连接外腔注水加压阀门(123)，对外水加压腔(22)注水加压，待外水加压腔(22)空气排净后关闭外腔排气阀门(125)，根据试验方案，逐级对外水加压腔(22)注水加压至设定值，观察记录内水压力表(111)与外水压力表(127)示数变化，同时打开数据采集仪记录各监测仪器读数，加载结束后打开外腔排水阀门(126)，排出外水加压腔(22)水，步骤3、步骤4与步骤5可根据试验方案做不同排序；步骤6：试验数据处理分析，包括：将压力加载过程中数据采集仪记录到的各监测仪器的应力/应变、变形、渗流等数据导入电脑进行后期处理，同时可打开前舱门观察衬砌内部裂缝特征，对隧洞不同运营期衬砌结构的混凝土应变及钢筋应力和围岩稳定性、衬砌与围岩的联合承载特性及各自荷载分担比例、衬砌开裂后裂缝的分布和扩展规律、内水外渗及外水返渗的水头消减规律等进行分析研究。
所属类别：	发明专利