[发明专利]隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法。

背景技术

隧道承载性能试验是对隧道衬砌的承载性能进行测试和评价的过程。具体方法是以隧道衬砌及其周边3～5倍洞径的围岩作为研究对象，并置于长方形的模型箱中；以地应力作为边界压力在模型箱边界上加载，该压力首先作用于围岩上，围岩内产生的剪应力和各向异性正应力传递至隧道衬砌上，使其受载；通过逐级加载边界压力，直至隧道衬砌被破坏。

现有技术中的试验过程主要存在以下几点不足：

(1)围岩与衬砌共同受力：隧道衬砌的受力需通过围岩传递荷载，不能直接对隧道衬砌加载，难以直接研究隧道衬砌的自身承载性能；

(2)普通围岩所模拟的工程岩体为高摩擦、高黏聚力的材料，可传递量级与边界应力相当的剪应力，这种受力方式决定了传递到多心圆形式的隧道衬砌背后的压力都是非均布力，且量级明显小于边界上的加载应力，即存在应力打折现象；

(3)围岩属于高摩擦、岩石类弹塑性材料，进入高压阶段后，传递到隧道衬砌背后的压力是非可控的、是事先未知的，必须通过测试才能确知，且因压力的非均布性，无法准确评价隧道衬砌的整体承载性能及其整体刚度变化；

(4)采用不同的围岩材料时，同一种隧道衬砌内部产生的轴力和弯矩大小不同，产生的部位也不同，因此整体承载性能不一致，无法对运营中隧道衬砌的承载性能作出评价；

(5)由于需要考虑隧道衬砌周边3～5倍洞径范围内的围岩，所采用的相似比太小，一般为1:50～1:100，与原型结果相差较大；

(6)比例尺小，隧道衬砌相似模型跨度一般为0.4～0.6m，难以进行病害隧道衬砌加固试验，例如内贴弹纤维、内贴钢带等加固方法；难以进行试验现象观测，如裂缝扩展及其检测，从而无法科学评价运营中病害隧道衬砌经加固后的承载性能提升效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于隧道衬砌承载性能评估与加固试验，无需考虑围岩分担荷载条件下的隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道衬砌结构均布加载试验系统，包括加压系统、模型箱及设置在模型箱内的隧道衬砌，所述加压系统为一榀钢框架加压系统，主要由边梁、顶部横梁及设置在边梁与顶部横梁上的油缸组成，所述模型箱主要由前板、后板、顶板、底板、左侧板、右侧板及传力板组成，所述传力板固定在前、后、顶、左侧及右侧板上并与油缸相对应，所述底板上设有滑轮；所述前板与后板上对应开设有隧道衬砌轮廓孔，所述隧道衬砌设置在轮廓孔内，所述轮廓孔底部设有支撑托板；所述模型箱与隧道衬砌之间的填充料为水、油或润滑脂，所述模型箱为经过密闭处理的密封模型箱。

进一步，所述模型箱与隧道衬砌之间的填充料为工业润滑脂，其相似黏度(-10℃，10S-1)≤600Pa·S，锥入度范围(0.1mm)为300～350，蒸发量(99℃，22h)≤0.32％，摩擦因数≤0.05。

进一步，所述模型箱的长度为400～450cm，宽度为240～270cm，高度为80～90cm；所述隧道衬砌跨度为120～135cm，高度为90～101cm，厚度为5～20cm。

进一步，所述模型箱上各缝隙间填充有沥青。

进一步，所述模型箱内贴有防水板。

进一步，所述模型箱内的顶板与底板上对应铺设有不透水粘土层，所述不透水粘土层厚度为9～11cm。

进一步，所述模型箱内贴有防水板，所述防水板与隧道衬砌间通过橡胶板连接，所述防水板、隧道衬砌及橡胶板间的接缝处灌注有沥青。

进一步，所述防水板为乙烯共聚物防水板或酸乙烯共聚物防水板或EVA防水板。

一种应用于隧道衬砌结构均布加载试验系统的密闭方法，其特征在于主要包括以下措施：

A.采用沥青密封焊接模型箱上各缝隙：

首先用热沥青封闭模型箱上六块面板间形成的缝隙，待箱体内充满填充材料并合盖后，再用热沥青封闭模型箱角点进行堵漏处理；

B.采用不透水防水板包裹模型箱：

首先依次搭接模型箱前板、后板、左侧板及右侧板的防水板，再搭接模型箱顶板与底板上的防水板；

防水板密贴在模型箱内侧，搭接长度不小于10cm，搭接处采用双缝热焊连接；

防水板的防水性能为：不透水压力≥0.3MPa，保持时间≥30min；

C.采用粘土对模型箱顶底进行铺垫：