本發(fā)明屬于地下工程結構模擬試驗技術，特別涉及大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)及注排水方法。

背景技術：

隧道結構與圍巖相互作用的室內模擬試驗裝置，無論是動態(tài)仿真還是模型試驗，在國內外均比較成熟，如日本、德國、美國等國家的相關試驗室，以及鐵道部科學研究院西南研究所、西安交通大學、中國礦業(yè)大學、同濟大學等單位都有相關的試驗裝備。但這些試驗裝備小型，都只能模擬在無水或者低壓水條件下，隧道開挖過程中圍巖內部的應力變化和圍巖支護結構之間的相互作用規(guī)律，作用范圍局限，難以滿足水壓連續(xù)加載的試驗條件，亦不能模擬高壓水環(huán)境下圍巖及隧道結構的相互作用的試驗。隨著近幾年我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的隧道工程不可避免地會穿越富水地層，滲水、脫漿、坍塌都是隧道開挖過程中可能發(fā)生的危險，地下分岔隧道斷面復雜更是對設計方和施工方提出了更大的考驗。為了給實際工程提供可參考的依據(jù)，有必要研制出一套模擬不同隧道環(huán)境下圍巖及隧道結構相互作用的試驗平臺。

相比無水及低壓水的模擬試驗條件，高壓水環(huán)境的模擬對平臺的尺寸和承載要求有相應的提高，設備的尺寸的加大為注排水系統(tǒng)帶來了新的難題。由于將土壤壓實后，大型隧道模擬加載設備注水系統(tǒng)很難將水注入被壓實的土壤中，對實驗的完成造成了非常大的難度。試驗完成后，現(xiàn)有的排水過程一般均采用打開排水口，讓水靠重力作用自然流出。整個注排水過程非常緩慢，需要耗費幾天時間才能完成。

針對高壓水環(huán)境的大型隧道模擬加載設備注水難度大、排水過程緩慢等缺陷，還未提出有效的解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)及注排水方法，以至少解決在隧道結構與圍巖相互作用的室內模擬試驗中，高壓水環(huán)境的大型隧道模擬加載設備注水難度大、排水過程緩慢的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)，包括：拼接結構，拼接結構為由上頂板、前壁、后壁、左側板、右側板以及底座拼接構成的密閉構架，在所述底座上，設置有排水口；嵌入式加載結構，嵌入式加載結構包括液壓缸、推桿、推板，該結構嵌入拼接結構的上頂板、左側板和右側板，推桿處設置密封條完成密封；注水裝置，所述注水裝置放置于拼接結構內，所述注水裝置包括橫管和多根豎管，多根豎管分別和橫管的管腔連通，在橫管上具有注水口，在每根豎管上具有多個出水口，其中，所述注水裝置為一個或多個。

優(yōu)選地，所述多個出水口在豎直方向均勻分布。

優(yōu)選地，在所述橫管上具有吊環(huán)。

優(yōu)選地，還具有隔板結構，所述隔板結構是在加載設備內部設置的可拆卸的隔板。

優(yōu)選地，上頂板通過設置在后壁的旋轉軸可翻轉的安裝。

優(yōu)選地，左側板、右側板、前壁、后壁通過高強度螺栓固定在底座上，并通過高強度螺栓連接，再加裝固定銷固定；上頂板與左側板、右側板、前壁、后壁的上端面蓋壓后通過高強度螺栓連接，并加裝固定銷緊固。

優(yōu)選地，左側板、右側板、前壁、后壁的上端面和下端面分別設有可對接連通的凹槽，且在凹槽內設有密封條。

優(yōu)選地，在所述前壁上設置有前出料口，在所述后壁上設置有后出料口。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種適用于以上所述的大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)的注水裝置，包括：橫管，在橫管上具有注水口；多根豎管，在每根豎管上具有多個出水口，其中，多根豎管分別和橫管的管腔連通。

根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種利用以上所述的大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)進行注排水的方法，包括以下步驟：實驗前在大型隧道模擬加載設備內放置1個或者多個注水裝置；填充土方，將土方夯實；將橫管的注水口與注水泵連接，向土方內注水；注水完成后，通過吊環(huán)將注水裝置從土方里吊出；通過上頂板、左側板、右側板上的嵌入式加載結構進行實驗預加載，將取出注水裝置以后所留的空洞壓實；實驗結束后，打開排水口，控制嵌入式加載結構的推板擠壓土方，加快排水速度。

附圖說明

通過結合下面附圖對其實施例進行描述，本發(fā)明的上述特征和技術優(yōu)點將會變得更加清楚和容易理解。

圖1是本發(fā)明涉及的總體結構的后視角的立體圖；

圖2是本發(fā)明涉及的總體結構的前視角的立體圖；

圖3是本發(fā)明涉及的總體結構的截面剖視圖；

圖4是本發(fā)明涉及的前視角局部剖視立體圖；

圖5是本發(fā)明涉及的上頂板閉合狀態(tài)的正面視圖；

圖6是本發(fā)明涉及的密封凹槽與密封條的密封結構的剖面圖；

圖7是本發(fā)明涉及的嵌入式加載結構的立體示意圖；

圖8是本發(fā)明涉及的隔板結構的立體示意圖；

圖9是本發(fā)明涉及的注水裝置的立體示意圖。

具體實施方式

下面將參考附圖來描述本發(fā)明所述的大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)及注排水方法的實施例。本領域的普通技術人員可以認識到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式或其組合對所描述的實施例進行修正。因此，附圖和描述在本質上是說明性的，而不是用于限制權利要求的保護范圍。此外，在本說明書中，附圖未按比例畫出，并且相同的附圖標記表示相同的部分。

圖1是本發(fā)明涉及的總體結構的后視角的立體圖；圖2是本發(fā)明涉及的總體結構的前視角的立體圖；圖3是本發(fā)明涉及的總體結構的截面剖視圖；圖4是本發(fā)明涉及的前視角局部剖視立體圖；圖5是本發(fā)明涉及的上頂板閉合狀態(tài)的正面視圖。

本發(fā)明屬于地下工程模擬試驗技術，特別涉及無水及高壓水環(huán)境下圍巖及隧道結構的相互作用、結構受力及變形模擬試驗研究的一種大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)，包括：拼接結構，拼接結構是由上頂板1，前壁2、后壁3、左側板4、右側板5以及底座共6個壁面拼接構成的密閉構架，在拼接結構內形成實驗空間。在組裝的過程中采用密封條密封和焊接密封兩種形式。其中，6個壁面又可以分別由縱橫交錯的鋼結構件焊接而成，使得拼接結構具有足夠的強度。其中，底座6可以是兩塊板拼接而成，通過在固定螺栓孔17內擰入高強度螺栓后焊接密封成形。優(yōu)選地，兩塊板的對接端面分別設有凹槽15(圖6中示出)，凹槽15內設有密封條16，密封條16的直徑大于凹槽15的寬度，從而保證兩塊板對接處的密封性。左側板、右側板、前壁、后壁通過在固定螺栓孔17內擰入高強度螺栓固定在底座6上，密封后加裝固定銷14固定；左側板4和右側板5通過高強度螺栓固定在前壁2和后壁3的左、右端面后，再通過焊接密封。上頂板通過設置在后壁的旋轉軸可翻轉的安裝，上頂板與左側板、右側板、前壁、后壁的上端面蓋壓后通過在固定螺栓孔17內擰入高強度螺栓連接，并加裝固定銷14緊固。優(yōu)選地，左側板4、右側板5、前壁2和后壁3的上端面以及下端面分別設有可對接連通的凹槽15，從而形成口字形的凹槽。凹槽15內設有密封條16，密封條16的直徑大于凹槽15的寬度。上頂板1蓋下后，將整個拼裝結構完全密封。在底座6上設置有排水口，用于實驗結束后排出內部的水。在前壁2上設有前出料口7，在后壁3上設有后出料口8，用于模擬隧道開挖。在上頂板1、左側板2、右側板3上，還設置有多個嵌入式加載結構，嵌入式加載結構包括液壓缸20、推桿19、推板18，具體地說，液壓缸設置在外部，而推桿和推板設置在拼接結構內，推桿和液壓缸的活塞桿固定連接，推桿垂直于壁面插入拼接結構內，推桿和壁面的結合處設置有密封條。推板上還設置有多條加強筋，增加推板的結構強度。在上頂板1、左側板4、右側板5布置的共計126個嵌入式加載結構，實現(xiàn)左右兩面和頂面兩個方向力的加載。各個嵌入式加載結構之間預設有間隙，可以過濾大塊沙石，并將擠壓出的水排出。

在拼接結構的實驗空間，可以放置一個或多個注水裝置，如圖9所示，該注水裝置包括橫管22和兩根豎管23，雖然圖9中采用兩根豎管，但本發(fā)明并不限制豎管的數(shù)量。兩根豎管23分別和橫管22的管腔連通，在橫管22上具有注水口221，在每根豎管上具有多個出水口231。優(yōu)選地，所述出水口在豎直方向均勻分布。在使用時，該注水裝置可以是一個或多個，具體地說，實驗前在大型隧道模擬加載設備內放置1個或者多個注水裝置。在使用時，可以將該注水裝置的豎管垂直于水平面插入到模擬隧道的填充山體泥土中。優(yōu)選地，在所述橫管上具有吊環(huán)222。在注水完成后，可以使用吊車吊起注水裝置。

利用該大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)，可以在土方壓實的情況下向土方內注水，在注水結束后可以利用吊車吊出，并且在實驗結束后，可以利用嵌入式加載結構加快排水速度。該系統(tǒng)結構簡單，密封性好，在壓實狀態(tài)進行注水，能夠更好的模擬實際工況，排水速度快，縮短了實驗周期。

優(yōu)選地，在后壁3的外部設置有耳板，耳板中穿入旋轉軸9，上頂板和旋轉軸固定連接，在上頂板的后部，還設置有翻轉液壓缸10，通過液壓缸驅動上頂板1繞旋轉軸9擺動，可以打開或關閉實驗空間。

優(yōu)選地，該拼接結構內還具有隔板結構，隔板結構如圖8所示，隔板結構21為支撐式硬質鋼板，其豎直地放置在拼接結構內部的空間中，通過隔板的設置，調整內部劃分空間區(qū)域。在控制加載時，可單獨加載隔板與拼接結構共同包圍的空間，增強了試驗的靈活性。

優(yōu)選地，所述的底座中還設置有傳感器接口，實現(xiàn)試件在試驗過程中相關數(shù)據(jù)的采集。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種大型隧道模擬加載設備用注水裝置，所述注水裝置適用于以上所述的大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)，該注水裝置包括橫管22和兩根豎管23，在橫管22的中間位置的上部具有注水口221。

兩根豎管23設置與橫管22的下部，并且分別和橫管的管腔連通。在每根豎管23上具有多個出水口231。雖然圖9中采用兩根豎管，但本發(fā)明并不限制豎管的數(shù)量。出水口231可以在豎直方向均勻分布，以使注水裝置能夠向土方內均勻地注水。

在使用時，該注水裝置可以是一個或多個，具體地說，在向拼接結構中填充土方前，可以將一個或多個注水裝置預先埋入模擬隧道的填充山體泥土中，然后填充土方，待土方夯實后進行注水，采用該注水裝置可以使注水更加快速均勻。優(yōu)選地，在所述橫管上具有吊環(huán)。在注水完成后，可以使用吊車吊起注水裝置。

根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種大型隧道模擬加載設備注排水方法，利用以上所述的注排水系統(tǒng)進行以下步驟：

實驗前在大型隧道模擬加載設備內放置一個或者多個注水裝置，具體地說，將該注水裝置插入模擬隧道的填充山體泥土中；

填充土方，并使用嵌入式加載結構將土方夯實；

將注水裝置的橫管的注水口與注水泵連接，向土方內注水；

注水完成后，使用吊車吊裝吊環(huán)，將注水裝置從土方里吊出；

通過上頂板、左側板、右側板上的嵌入式加載結構進行實驗預加載，將取出注水裝置以后所留的空洞壓實；

實驗結束后，打開排水口，控制嵌入式加載結構的推板擠壓土方，加快排水速度。各個推板之間有預設的間隙，可以過濾大塊沙石，并將擠壓出的水排出。

有別于目前的單獨頂板注水速度慢且水不易滲透到底部的特點，本發(fā)明的大型隧道模擬加載設備注排水系統(tǒng)注水均勻且速度快。在實驗完成后，控制推板擠壓土方，加快排水速度，從而提高了實驗的效率。該系統(tǒng)結構簡單，密封性好，能夠在土方壓實狀態(tài)下快速注水，更好的模擬實際工況，排水速度快，縮短了實驗周期。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。