矿山法城市隧道渗流场初期支护相似材料研究

初衬是隧道防排水体系中的重要组成部分。试验拟采用具有一定渗透能力的编织土工布(丙乙纶扁丝原料)模拟初衬相似材料。考虑实际初衬渗透系数约为8.64×10-3m/d,而单层土工编制布出厂渗透系数为0.303～0.371 m/d,故采取多层叠放的形式测试其综合渗透系数,以满足需求。

试验采用自制的多层土工布垂直渗透系数试验装置。其构造如图4.9所示。它主要由进水管、储水量筒、渗流室及连通管构成。渗流室内依次紧贴放置多个相同的圆环状土工布台架,台架上下部固定编织土工布,以达到不同层数的测试效果。仪器设有水头差控制仪,可根据试验土工布类型调节适宜的水头差ΔH,在同一组试验中,也可利用多组试验水头差进行测试并分析结果。本装置能准确地测试单层或多层土工布的渗透系数,并减少水压作用和边界渗水效应对试验精度的影响。

图4.9　多层土工布垂直渗透系数试验装置

试样配制过程及渗透系数测试主要步骤如下(见图4.10):

图4.10　多层编织土工布渗透系数试验过程

①将编织土工布按土工布台架尺寸裁剪,测试不同层数编织土工布的厚度并浸泡水中至少12 h,保证试样充分湿润以隔离空气。

②将浸泡后的试样取出,逐层安置于土工布台架上下侧,并用橡胶密封圈压实。

③从上部开口向装置内持续注水至溢流孔有均匀水体流出,待排水孔流量稳定时,测试出水量和时间。若水头在5 min内不能平衡,应检查仪器中是否有隐藏空气,并重新实施本程序。

④调整水头差,重新进行步骤③,并记录数据,精确到1 mm,时间精确到秒。(www.xing528.com)

⑤每组试样均在不同水头差下进行多次试验,求取综合渗透系数平均值。

当在恒定水头作用下测定水流垂直通过多层且无法向负荷的编织土工布时,其流速指数及渗透系数公式如下,温度修正可查阅《土工布及其有关产品　无负荷时垂直渗透特性的测定》(GB/T 15789—2005),即

式中,V为水的体积;RT为20℃水文校正系数;A为试样过水面积;t为达到水的体积V对应的时间。又

式中,k为土工布垂直渗透系数;v为垂直于土工布平面的水流速;i为土工布试样两侧的水力梯度;δ为土工布试样厚度;H为土工布试样两侧的水头差。

初衬相似材料的渗透系数影响曲线如图4.11所示。结果表明,采用多层编织土工布模拟隧道初衬结构是可行的。随着叠加层数增加,其平均渗透系数呈现快速减小并逐渐收敛的趋势,且单次渗透系数测试结果也趋于稳定。当叠加超过6层时,试验平均渗透系数值为0.012 5～0.007 35 m/d。

图4.11　初衬相似材料渗透系数影响曲线

通过大量配比试验,以控制渗透系数为核心,研制出适用于矿山法隧道渗流试验的围岩、注浆圈、初衬等新型相似材料及其原料配比(见图4.6、图4.8、图4.11)。3种相似材料渗透系数随原料配比的变化规律是不同的,围岩和注浆圈相似材料配比与其渗透系数值成正比,而用以模拟初衬的编织土工布层数与其渗透系数值成反比,其根本在于所用原材料渗透性能的差异,加之不同试验原理和测量仪器,但其精度均可满足工程试验需求。