隧道渗流场演变及防排水问题研究-试验概述及测点布置

1)试验装置、材料与工况

本次试验通过调节不同高度的隧道动、静作用水头,探索隧道渗流场演变过程,研究运营期隧道水压力分布规律及排水量变化情况。

围岩-支护体系相似材料的研制和试验相似比在5.3节中已详细描述,结合谷对岭至水库下游连接段地区现场测试的材料参数,利用自制恒水头渗透仪、多层编织土工布渗透系数试验装置等专用设备,通过大量配比试验,确定了适用于本区段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,见表5.3。

表5.3　模型试验相似材料配比

注:表中所用黏土粒径≤0.075 mm,细砂粒径≤0.3 mm,炭渣粒径≤2 mm。

本次试验采用施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统进行,主要研究城市隧道运营期动、静水头作用对水压力-排水量的影响及隧道渗流场的演变过程,动水头和静水头的模拟依靠调节移动式循环水箱装置来实现(见图5.19)。

图5.19　移动式水箱循环装置

移动式循环水箱装置包括放置于地面的升降式水箱架、上部移动式水箱、下部固定式水箱及置于固定式水箱内的潜水泵。潜水泵用软管连接移动式水箱底端,移动式水箱上侧的溢流孔将溢出水引回固定式水箱中形成循环系统。移动式水箱可利用手拉葫芦进行升降,其底部出水孔有软管与渗流模型箱底部进水孔连接,向模型提供作用水头,水头值可由上部移动式水箱表面安设的水位计读取。

开启潜水泵,将水从固定式水箱内引入移动式水箱形成循环并保持稳定时,模拟隧道静水头作用,根据工程实际水头高度,本试验拟分别采用20 m,25m,30m 3种静水头进行研究,即试验水头分别为0.67 m,0.83 m,1 m。试验过程中,数据采集装置显示的隧道水压力和排水量值稳定后,关闭潜水泵,停止地下水补给,依靠隧道自身排泄能力使作用水头随时间自然下降,模拟隧道动水头作用,其初始水头与静水头试验值相同。

2)测点布置与试验流程

水压力测量装置与5.1.2小节所述相同,水压力测点分别布置在模型试验箱中部二衬及注浆圈外侧的拱顶、拱肩、拱腰、拱脚及拱底5个特征部位,如图5.20所示。(www.xing528.com)

图5.20　测点布置及测量装置

利用接水管连接带刻度的水箱进行隧道排水量采集,并由导管将隧道拱顶位置(初衬与二衬之间)的地下水通过设置在渗流模型箱两端双层法兰盘上的排水孔引出。此外,接水管上设有调水阀,可主动控制排水量,实现限量排放的模拟。

动、静水头作用下的渗流模型试验流程如下(见图5.21):

图5.21　试验过程照片

①首先在渗流模型箱中分层铺设围岩相似材料,并环刀取样检测其渗透系数是否满足试验要求,为提高渗流场的均匀性和渗流速率,将一层50 mm厚碎石层铺设在渗流模型箱边壁。

②开启渗流模型箱两端双层法兰盘,依次安置预制的注浆圈、初衬、二衬等结构以模拟运营期隧道构造,并采用高标号水泥浆液封堵注浆圈环向接缝使地下水稳定渗流,在注浆圈外侧设有塑料网和无纺布组成的反滤层。

③将水压力计安置在预定特征点位并连接静态应变测试分析系统,该系统的接地线埋入土中以消除外界环境干扰,保证水压力测量值的可靠性,渗流试验前校准并调零水压。

④关闭双层法兰盘和渗流模型箱顶盖,在模型箱出线口涂抹防水密封胶,调节移动式循环水箱装置以保证稳定的试验水头,模拟静水头作用效果。

⑤待隧道水压力-排水量稳定后读取数值,并关闭潜水泵向上部水箱的补给,使作用水头随时间下降。此时,隧道渗流排泄为地下水唯一流出途径,可有效模拟动水头作用效果,实时动态监测水头、各特征点水压力及排水量变化。

⑥改变初始水头高度再次进行试验,渗流稳定前可取出初衬和二衬结构,从预留观察孔中置入高清摄像头,记录隧道渗流演变过程。