一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置及制作方法

1.本发明属于盾构隧洞模型试验技术领域，特别涉及一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置及制作方法。


背景技术：

2.随着工程复杂性与环境保护要求的提高，输水隧洞已成为长距离输水工程的主要构筑物。因隧洞洞径、内外水压、围岩条件的不同，衬砌受力状态较为复杂，传统的输水隧道结构在长期服役下面临着荷载效应、渗漏水、混凝土开裂等问题，为确保输水工程的安全性，研究输水隧洞受力状态和工程设计的可靠性至关重要，通过地面原型试验进行隧洞衬砌受力性能研究已成为工程设计可靠性与施工关键技术有效性验证的重要举措。
3.现有的输水隧道内水压加载系统主要包括三类：(1)采用气囊或水囊代替真实水体作为内压加载装置，具有结构简单、稳定等优点，但受到仪器限制只能模拟1mpa以下的内水压力；(2)高压充水装置适用于现场试验，能够模拟真实水体作用，但成本较高；(3)千斤顶能够模拟管片梁受到的内水压作用，具有加载量程大、可控等特点，但大多为梁单元试验，难以反映整环试验的边界条件。对于输水隧道模拟试验中加载土压的方法通常是采用传统的压力加载装置，将土样模拟地层压缩加载到预定压力水平，然后通过传感器和测量设备记录隧道周围的应变和位移等数据，以评估隧道结构的受力性能。然而上述传统方法耗费的人力物力较大，只能考虑均匀地层，无法模拟复杂条件下的地层对隧道施压情形。随着试验装备技术的进步，目前的隧道模型试验的部分装置可以实现水压力和土压力的同步控制。然而，对于更复杂的加载条件，例如独立控制水压力和土压力，目前尚未有成熟的模型试验装置可供使用。
4.因此，一种能够分别控制内外水压力和土压力的模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置及制作方法亟待出现。


技术实现要素：

5.本发明提供一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置及制作方法，用以解决现有技术的模型试验装置不能独立模拟出内外水压力和土压力环境的技术问题。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，包括管片预应力混凝土衬砌、外水土荷载加载装置、内水压加载装置和测量装置，所述管片预应力混凝土衬砌呈环形，所述外水土荷载加载装置围设在管片预应力混凝土衬砌外并与管片预应力混凝土衬砌形成实验模拟腔，所述内水压加载装置通过输水管连通所述实验模拟腔，所述测量装置设置在管片预应力混凝土衬砌上。
7.为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述外水土荷载加载装置包括上盖板、下盖板、拉杆、对拉装置和环箍装置，所述上盖板和下盖板分别封盖在管片预应力混凝土衬砌的两端，所述管片预应力混凝土衬砌与上盖板和下盖板之间均设有防水密封胶垫，所述上盖板和下盖板通过多个拉杆固定成一体，所述上盖板设有与实验模拟腔
连通的进水孔，所述下盖板设有与实验模拟腔连通的排水孔。
8.为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述对拉装置包括反力架、对拉千斤顶和加载块，所述下盖板底部设有底架，所述底架边缘成对延设有多个延长架，每个所述延长架均设有所述对拉装置，所述反力架固定在延长架上，所述对拉千斤顶安装在反力架朝向管片预应力混凝土衬砌的一侧立柱上，所述对拉千斤顶的端部设有对拉传感器，所述上盖板与下盖板之间对齐对拉千斤顶的位置设有用于传递压力的加载块，所述上盖板和下盖板上均设有用于限位加载块行动方向的导向槽，所述加载块的上下两端滑动连接在所述导向槽内。
9.为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述环箍装置包括钢丝绳、环箍千斤顶、加载梁、固定梁和滑槽，所述上盖板和下盖板的相对侧均设有滑槽，所述加载梁滑动连接在两个滑槽之间，所述固定梁固定连接在两个滑槽之间并与加载梁间隔设置，所述环箍千斤顶设置在固定梁与加载梁之间，所述环箍千斤顶上设有环箍传感器，所述固定梁和加载梁上均设有锚具，所述钢丝绳缠绕在管片预应力混凝土衬砌外侧，所述钢丝绳的两端通过锚具分别固定在加载梁和固定梁上。
10.为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述内水压加载装置包括控制台和工作台，所述控制台设有总开关、进出水阀开关和水压控制屏，所述工作台内设有输水泵，所述输水管一端与输水泵连通，所述输水管另一端通过进水孔连通所述实验模拟腔，所述输水管上设有压力传感器。
11.为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述测量装置包括数据处理终端和设置在管片预应力混凝土衬砌表面的应变片、测缝针以及位移计，所述应变片、测缝针和位移计均与数据处理终端电连接。
12.为了更好的实现本发明，在上述结构中作进一步的优化，所述上盖板和下盖板的结构相同，所述上盖板为由基板、筋板和封板焊接制成的结构件，所述基板设有用于吊装的凸耳，所述凸耳设有吊装孔。
13.一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置的制作方法，包括如下步骤
14.步骤1，浇筑管片预应力混凝土衬砌；
15.步骤2，安装外水土荷载加载装置；
16.步骤3，安装内水压加载装置；
17.步骤4，安装测量装置。
18.本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
19.本发明提供的模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置包括管片预应力混凝土衬砌、外水土荷载加载装置、内水压加载装置和测量装置，管片预应力混凝土衬砌呈环形，外水土荷载加载装置围设在管片预应力混凝土衬砌外并与管片预应力混凝土衬砌形成实验模拟腔，内水压加载装置通过输水管连通实验模拟腔，测量装置设置在管片预应力混凝土衬砌上，采用该结构，可以分步控制外水土荷载以及内水压加载，弥补了现有输水隧洞模型试验装置的不足，进一步反映出了管片预应力混凝土衬砌结构在不同荷载组合以及大小下的受力特性，操作简便，能在短时间内进行受力模拟，以便通过实验结果对管片预应力混凝土衬砌的配比进行优化设计。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
21.图1是本发明中的模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置的俯视图；
22.图2是图1中a-a的视图；
23.图3是图1中b-b的视图；
24.图4是环箍装置的结构示意图；
25.图5是内水压加载装置的示意图；
26.图6是模具的俯视图。
27.图中：
28.1-管片预应力混凝土衬砌；2-实验模拟腔；3-输水管；4-上盖板；5-下盖板；6-拉杆；7-防水密封胶垫；8-进水孔；9-排水孔；10-反力架；11-对拉千斤顶；12-加载块；13-底架；14-延长架；15-导向槽；16-钢丝绳；17-环箍千斤顶；18-加载梁；19-固定梁；20-滑槽；21-锚具；22-控制台；23-工作台；24-总开关；25-进出水阀开关；26-水压控制屏；27-压力传感器；28-凸耳；29-对拉传感器；30-模具。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，
″
多个
″
的含义是两个或两个以上；术语
″
上
″
、
″
下
″
、
″
左
″
、
″
右
″
、
″
内
″
、
″
外
″
、
″
前端
″
、
″
后端
″
、
″
头部
″
、
″
尾部
″
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的限制。此外，术语
″
第一
″
、
″
第二
″
、
″
第三
″
等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语
″
安装
″
、
″
相连
″
、
″
连接
″
应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.实施例1：
33.本实施例中，一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，如图1至图4所示，包括管片预应力混凝土衬砌1、外水土荷载加载装置、内水压加载装置和测量装置，具体的，上述管片预应力混凝土衬砌1呈环形，上述管片预应力混凝土衬砌1模的外层为管片，内层为预应力混凝土衬砌，将配置好的水泥砂浆浇筑于模具30中，经过养护后，管片预应力混凝土衬砌1达到强度标准后，便可进行下一步模型加载试验，试验中可根据具体的模型试验要求
调整模具30尺寸，上述外水土荷载加载装置围设在管片预应力混凝土衬砌1外并与管片预应力混凝土衬砌1形成实验模拟腔2，上述内水压加载装置通过输水管3连通上述实验模拟腔2，上述测量装置设置在管片预应力混凝土衬砌1上。
34.采用该结构，通过上述外水土荷载加载装置和内水压加载装置可以分步控制外水土荷载以及内水压加载，弥补了现有输水隧洞模型试验装置的不足，进一步反映出了管片预应力混凝土衬砌1结构在不同荷载组合以及大小下的受力特性，操作简便，能在短时间内进行受力模拟，以便通过实验结果对管片预应力混凝土衬砌1的配比进行优化设计。
35.作为本实施例的一种具体实施方式，如图1至图4所示，上述外水土荷载加载装置包括上盖板4、下盖板5、拉杆6、对拉装置和环箍装置，上述上盖板4和下盖板5分别封盖在上述管片预应力混凝土衬砌1的两端，从而与上述管片预应力混凝土衬砌1共同围成上述实验模拟腔2的密闭空间，上述管片预应力混凝土衬砌1与上盖板4和下盖板5之间均设有防水密封胶垫7，上述防水密封胶垫7采用三元乙丙橡胶，遇水膨胀，可以保证装置整体的密封性，上述上盖板4和下盖板5通过多个拉杆6固定成一体，优选为八个上述拉杆6，八个高强度拉杆6紧密拉紧并加固上述上盖板4和下盖板5，使上述实验模拟腔2保持密闭，其中，上述上盖板4设有与上述实验模拟腔2连通的进水孔8，上述内水压加载装置可以通过上述进水孔8向上述实验模拟腔2注水加压模拟内水压，上述下盖板5设有与实验模拟腔2连通的排水孔9，上述排水孔9用于调整装置内水压大小以及排出内部废水。
36.值得注意的是，如图1所示，上述上盖板4和下盖板5的结构相同，上述上盖板4为由基板、筋板和封板焊接制成的结构件，基板采用整体钢板下料而成，筋板焊接在基板背面，主要用于加强盖板的强度和刚度，封板为了美观要求，采用薄板封装，上述基板设有用于吊装的凸耳28，上述凸耳28设有吊装孔，便于运输与安装。
37.本实施例中，如图1和图2所示，上述对拉装置包括反力架10、对拉千斤顶11和加载块12，上述下盖板5底部设有底架13，上述底架13边缘成对延设有多个延长架14，每个上述延长架14均设有上述对拉装置，从而使成对安装的上述对拉装置可以对上述管片预应力混凝土衬砌1模拟出对称的周向外部水土荷载，具体的，上述反力架10固定在延长架14上，上述对拉千斤顶11安装在上述反力架10朝向管片预应力混凝土衬砌1的一侧立柱上，上述对拉千斤顶11的端部设有对拉传感器29，上述对拉传感器29监控施加压力的大小，以便控制上述对拉千斤顶11提供不同的工作压力，能够得到不同的对拉推力，上述上盖板4与下盖板5之间对齐对拉千斤顶11的位置设有加载块12，上述加载块12用于向管片预应力混凝土衬砌1传递上述对拉千斤顶11的压力，上述上盖板4和下盖板5上均设有用于限位上述加载块12行动方向的导向槽15，上述加载块12的上下两端滑动连接在上述导向槽15内，从而确保上述对拉千斤顶11施加的压力方向不会改变。
38.进一步的，如图4所示，上述环箍装置包括钢丝绳16、环箍千斤顶17、加载梁18、固定梁19和滑槽20，上述上盖板4和下盖板5的相对侧均设有上述滑槽20，上述加载梁18滑动连接在两个上述滑槽20之间，上述固定梁19固定连接在两个上述滑槽20之间并与上述加载梁18间隔设置，上述环箍千斤顶17设置在上述固定梁19与加载梁18之间，在上述环箍千斤顶17的推动下上述加载梁18可以沿着滑槽20平移，从而张紧上述钢丝绳16，上述环箍千斤顶17上设有环箍传感器，用于监测上述环箍千斤顶17的实际推力，上述固定梁19和加载梁18上均设有用于固定钢丝绳16的锚具21，上述钢丝绳16缠绕在上述管片预应力混凝土衬砌
1外侧，上述钢丝绳16的两端通过锚具21分别固定在上述加载梁18和固定梁19上，上述钢丝绳16的数量优选为四根，四根上述钢丝绳16缠绕到管片外侧并使用上述锚具21提供张拉环箍力，用于模拟管片外围水压。
39.根据一个优选的实施方式，如图5所示，上述内水压加载装置包括控制台22和工作台23，上述控制台22设有总开关24、进出水阀开关25和水压控制屏26，上述进出水阀开关25用于控制系统的进出水方向，上述水压控制屏26可以显示并控制注入实验模拟腔2内水的容积以及内部水压，上述工作台23内设有输水泵，上述输水管3一端与输水泵连通，上述输水管3另一端通过进水孔8连通上述实验模拟腔2，上述输水管3上设有压力传感器27，上述压力传感器27监控腔内水体体积及水压并实时反馈到上述水压控制屏26。
40.本实施例中，上述测量装置包括数据处理终端和设置在上述管片预应力混凝土衬砌1表面的应变片、测缝针以及位移计，上述应变片、测缝针和位移计均与上述数据处理终端电连接，用于监测不同荷载作用下上述管片预应力混凝土衬砌1的力学特性。
41.实施例2：
42.本实施例中，一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置的制作方法，包括如下步骤
43.步骤1，浇筑管片预应力混凝土衬砌1；
44.步骤2，安装外水土荷载加载装置；
45.步骤3，安装内水压加载装置；
46.步骤4，安装测量装置。
47.采用该方法制作上述试验装置，制作工艺简单、可操作性强、能够多次重复利用。
48.具体的，在步骤1中，如图6所示，使用型材及钢板焊接加工模具30，将管片及编织好的钢筋笼放入模具30当中，再将配置好的水泥浆液浇筑到模具30当中，待混凝土硬化后，将模型脱模，形成上述管片预应力混凝土衬砌1，之后将浇筑好的管片预应力混凝土衬砌1放置在适宜的湿度及温度条件下继续养护28天，使其强度达到最高。
49.在步骤2中，先将上述下盖板5固定在上述底架13上，再将两条上述防水密封胶垫7安置在上述下盖板5上，然后放置浇筑好的管片和预应力混凝土衬砌，确保两条上述防水密封胶垫7分别在管片和预应力混凝土衬砌的底部中心位置，将剩余两条上述防水密封胶垫7分别安置在管片和预应力混凝土衬砌上部后，盖上上述上盖板4，保证与上述下盖板5平行的同时对齐上述拉杆6的开孔，然后利用高强螺栓紧固上述拉杆6，确保装置内部密封。进而，利用上述锚具21将四根钢丝绳16的两端分别固定在加载梁和固定梁19上，在上述上盖板4和下盖板5凸出的边缘位置安装好上述滑槽20后，将上述加载梁和固定梁19安装在滑槽20内，上述加载梁与固定梁19之间安装上述环箍千斤顶17，上述环箍千斤顶17前侧安装环箍传感器，启动上述环箍千斤顶17对钢丝绳16进行张拉，使得上述钢丝绳16牢固的缠绕在外侧的管片上，进而，分别在上述上盖板4及下盖板5上利用高强螺栓安装导向槽15，并将上述加载块12卡在导向槽15中，将上述对拉千斤顶11安装在反力架10的立柱上，通过高强度螺栓在底板伸出的各方向上安装上述反力架10，并将上述对拉千斤顶11调整到刚好接触到上述加载块12的位置。
50.在步骤3中，将上述内水压加载装置的输水管3的两端分别连通输水泵和实验模拟腔2，通过控制台22上的开关控制注入实验模拟腔2内水的容积以及内部水压。
51.在步骤4中，对上述应变片、测缝计及位移计进行编号，在管片预应力混凝土衬砌1外部的规定位置贴好上述应变片、测缝计及位移计，并使上述应变片、测缝计及位移计的另一端接在数据处理终端上。
52.试验时，将上述内水压加载装置的输水管3安装在上盖板4的进水孔8上，之后打开进出水阀开关25，将水注入上述实验模拟腔2内，通过上述水压控制屏26观察并调整对模型施加的内水压。进而开启上述环箍千斤顶17，上述钢丝绳16受到环箍千斤顶17的牵拉后开始收紧，从而对模型施加环向压力以模仿实际工程中的外部水压。然后开启上述对拉千斤顶11，此时两对上述对拉千斤顶11通过加载块12对模型施加了两个不同方向的压力以模仿实际工程中的外部土压。加载完成后，关闭上述内水压加载装置以及所有千斤顶，记录好加载的荷载大小以及上述测量装置的各项示数后，打开上述排水孔9泄水，回调千斤顶，卸除荷载后，打开上述上盖板4取出管片预应力混凝土衬砌1，观察并记录其受力后的变化。
53.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，其特征在于：包括管片预应力混凝土衬砌(1)、外水土荷载加载装置、内水压加载装置和测量装置，所述管片预应力混凝土衬砌(1)呈环形，所述外水土荷载加载装置围设在管片预应力混凝土衬砌(1)外并与管片预应力混凝土衬砌(1)形成实验模拟腔(2)，所述内水压加载装置通过输水管(3)连通所述实验模拟腔(2)，所述测量装置设置在管片预应力混凝土衬砌(1)上。2.根据权利要求1所述的一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，其特征在于：所述外水土荷载加载装置包括上盖板(4)、下盖板(5)、拉杆(6)、对拉装置和环箍装置，所述上盖板(4)和下盖板(5)分别封盖在管片预应力混凝土衬砌(1)的两端，所述管片预应力混凝土衬砌(1)与上盖板(4)和下盖板(5)之间均设有防水密封胶垫(7)，所述上盖板(4)和下盖板(5)通过多个拉杆(6)固定成一体，所述上盖板(4)设有与实验模拟腔(2)连通的进水孔(8)，所述下盖板(5)设有与实验模拟腔(2)连通的排水孔(9)。3.根据权利要求2所述的一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，其特征在于：所述对拉装置包括反力架(10)、对拉千斤顶(11)和加载块(12)，所述下盖板(5)底部设有底架(13)，所述底架(13)边缘成对延设有多个延长架(14)，每个所述延长架(14)均设有所述对拉装置，所述反力架(10)固定在延长架(14)上，所述对拉千斤顶(11)安装在反力架(10)朝向管片预应力混凝土衬砌(1)的一侧立柱上，所述对拉千斤顶(11)的端部设有对拉传感器(29)，所述上盖板(4)与下盖板(5)之间对齐对拉千斤顶(11)的位置设有用于传递压力的加载块(12)，所述上盖板(4)和下盖板(5)上均设有用于限位加载块(12)行动方向的导向槽(15)，所述加载块(12)的上下两端滑动连接在所述导向槽(15)内。4.根据权利要求3所述的一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，其特征在于：所述环箍装置包括钢丝绳(16)、环箍千斤顶(17)、加载梁(18)、固定梁(19)和滑槽(20)，所述上盖板(4)和下盖板(5)的相对侧均设有滑槽(20)，所述加载梁(18)滑动连接在两个滑槽(20)之间，所述固定梁(19)固定连接在两个滑槽(20)之间并与加载梁(18)间隔设置，所述环箍千斤顶(17)设置在固定梁(19)与加载梁(18)之间，所述环箍千斤顶(17)上设有环箍传感器，所述固定梁(19)和加载梁(18)上均设有锚具(21)，所述钢丝绳(16)缠绕在管片预应力混凝土衬砌(1)外侧，所述钢丝绳(16)的两端通过锚具(21)分别固定在加载梁(18)和固定梁(19)上。5.根据权利要求4所述的一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，其特征在于：所述内水压加载装置包括控制台(22)和工作台(23)，所述控制台(22)设有总开关(24)、进出水阀开关(25)和水压控制屏(26)，所述工作台(23)内设有输水泵，所述输水管(3)一端与输水泵连通，所述输水管(3)另一端通过进水孔(8)连通所述实验模拟腔(2)，所述输水管(3)上设有压力传感器(27)。6.根据权利要求5所述的一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，其特征在于：所述测量装置包括数据处理终端和设置在管片预应力混凝土衬砌(1)表面的应变片、测缝针以及位移计，所述应变片、测缝针和位移计均与数据处理终端电连接。7.根据权利要求2所述的一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置，其特征在于：所述上盖板(4)和下盖板(5)的结构相同，所述上盖板(4)为由基板、筋板和封板焊接制成的结构件，所述基板设有用于吊装的凸耳(28)，所述凸耳(28)设有吊装孔。8.一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置的制作方法，其特征在于：包括如下
步骤步骤1，浇筑管片预应力混凝土衬砌(1)；步骤2，安装外水土荷载加载装置；步骤3，安装内水压加载装置；步骤4，安装测量装置。

技术总结
本发明涉及一种模拟高内水压输水盾构隧洞模型试验装置及制作方法，属于盾构隧洞模型试验技术领域，该试验装置包括管片预应力混凝土衬砌、外水土荷载加载装置、内水压加载装置和测量装置，管片预应力混凝土衬砌呈环形，外水土荷载加载装置围设在管片预应力混凝土衬砌外并与管片预应力混凝土衬砌形成实验模拟腔，内水压加载装置通过输水管连通实验模拟腔，采用该结构，可分步控制外水土荷载以及内水压加载，弥补了现有试验装置的不足，进一步反映出管片预应力混凝土衬砌结构在不同荷载组合以及大小下的受力特性，操作简便，能在短时间内进行受力模拟，以便通过实验结果对管片预应力混凝土衬砌的配比进行优化设计。预应力混凝土衬砌的配比进行优化设计。预应力混凝土衬砌的配比进行优化设计。


技术研发人员：祝全兵 谢强 马海军 王勇 杨才亮 熊杰 王士民 王锋 孟繁盛 杨春灿 周春永 魏国武 胡海明 杜轲 梁彪 陈昱弛 马福松 马圳
受保护的技术使用者：中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司 西南交通大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/12