CN102854028B - 一种海底隧道防排水***的堵塞性试验装置 - Google Patents

Abstract

一种海底隧道防排水***的堵塞性试验装置，提供一种真实的模拟防排水***在海水、初期支护及围岩作用下堵塞性变化规律的试验装置。该装置包括集水箱（1）、隧道地层结构模型（2）、钢筋隧道模型（3）。集水箱的出水管（4）通过软管（5）和控制阀（6）与隧道地层结构模型（2）的内腔连通；第一至三出水管（9、10、11）经第一至第三阀门（25、26、27）与第一至第三环向盲管（12、13、14）均连通；钢筋隧道模型放置于隧道排水槽（17）中；隧道上覆土层与初支放置在密闭有机玻璃容器（8）内；第一、二纵向盲管（15、16）通过三通与第一至四排水管（21、22、23、24）连接；实现了海水渗流过程的模拟，改善海底隧道的防排水具有重大的意义。

Description

一种海底隧道防排水***的堵塞性试验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟海底隧道的防排水***实际工作情况的试验装置，尤其针对防排水***在海水、初期支护及围岩共同作用下堵塞性的相关试验的研究。

背景技术

随着社会经济的发展，在今后的几十年中，预计还需要修建数条海底隧道。海底隧道防排水在设计、施工方面还未完全成熟，又没有相关的统一规范作指导，主要按照现有的各种技术规范规程，借鉴成熟的技术方法来进行的，有待作进一步***、全面的研究。如果采取“以排为主”的原则，会对自然环境造成破坏，对于海底隧道来说将会增加后期运营费用，而采用全封堵方式时衬砌长期承受高水压则极易引发渗漏，因此在地质条件好的围岩地段目前很多隧道都提出了“以堵为主，限量排放”的设计原则。隧道防排水设计的成功与否也是含有承压地下水隧道成败的关键因素。

海底隧道中排出的海水与一般山岭隧道地下水有着完全不同的性质，海水中含有大量Ca²⁺,Mg^2+,OH^-,CO₃ ^2-,SO₄ ^2-,Fe^2-等，在一定的温度环境条件下，各种离子间相互发生化学反应，从而产生大量的沉积物质（碳酸钙，碳酸镁，氢氧化镁等），再加上围岩颗粒等沉积物，这些沉积物会沉积在排水***的管道里，从而影响到排水***的排水能力，也可能经过若干年后排水***会被完全堵塞，这样将会在二次衬砌上产生很大的水压力。目前，在已修建的海底隧道工程中，已经出现了许多防排水设施堵塞的问题。由于海水的侵蚀性，排水管路中极易出现妨碍排水的鳞片状物质，这些物质主要是碳酸钙、硫酸钙和硅酸等，海水对混凝土具有强结晶分解复合类腐蚀性及中等结晶类腐蚀性，如混凝土外加剂选择不当失效，或喷射混凝土中水泥发生碱骨料反应，形成沉淀导致排水***堵塞。在具有恒定高水头的海底修建隧道，防排水***的可靠性已经成为海底隧道能否顺利修筑的关键，也成为控制运营费用的主要内容。

针对海底隧道的防排水***堵塞性问题来进行***的研究，就具有突出的工程价值。但是，从研究现状来看，对这方面的实验研究还是一片空白，更没有一种能够模拟实际海底隧道排水***的堵塞规律的试验装置，这极大的限制了海底隧道防排水技术的发展，增加了隧道运营的危险性，并可能造成重大的经济损失和人身伤亡。

发明内容

为解决上述背景技术中不足之处，提供一种真实的模拟防排水***在海水、初期支护及围岩共同作用下的堵塞性变化规律的试验装置。

本发明的技术方案：

一种海底隧道防排水***的堵塞性试验装置，该试验装置包括集水箱、隧道地层结构模型、钢筋隧道模型。

所述的隧道地层结构模型包括：密闭有机玻璃容器、玻璃容器盖、控制阀、隧道初期支护和隧道的上覆土层结构；隧道初期支护和隧道的上覆土层结构依次放置在密闭有机玻璃容器内，控制阀连接在玻璃容器盖上；玻璃容器盖与密闭有机玻璃容器上端口的法兰边密闭连接；密闭有机玻璃容器的底面上设第一出水管、第二出水管、第三出水管，并在三个出水管上分别设置第一阀门、第二阀门、第三阀门。

所述的钢筋隧道模型与实际隧道的尺寸几何相似，包括第一环向盲管、第二环向盲管、第三环向盲管、第一纵向盲管、第二纵向盲管、第一排水管、第二排水管、第三排水管、第四排水管。

第一环向盲管、第二环向盲管、第三环向盲管等距环绕在钢筋隧道模型上半部上，并通过三通与平行于隧道纵向的第一纵向盲管、第二纵向盲管相连接；第一纵向盲管、第二纵向盲管通过三通与第一排水管、第二排水管、第三排水管、第四排水管连接。

第一出水管及其上的第一阀门通过三通与第一环向盲管连接，第二出水管及其上的第二阀门通过三通与第二环向盲管连通，第三出水管及其上的第三阀门通过三通与第三环向盲管连通。

集水箱的出水管通过软管和控制阀与隧道地层结构模型的内腔连通。

钢筋隧道模型放置于隧道排水槽中。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

（1）按几何相似比例，可模拟相当高水头压力和地层压力作用下，隧道防排水***的堵塞情况。

（2）可模拟不同工程地质，海底隧道的防排水***堵塞性的变化规律和影响因素。

（3）可模拟各种支护材料和防水材料，海底隧道的防排水***的堵塞情况。

（4）可模拟不同海水成分和流速的情况下，海底隧道的防排水***堵塞性的变化规律和影响因素。

因此，本发明主要解决了隧道防排水***工作过程的问题，实现了恒定水头压力的模拟，实现了对实际隧道结构排水过程的模拟，对于进一步改善海底隧道的防排水技术具有重大的意义。

附图说明

图1是海底隧道防排水***的堵塞性试验装置的示意图；

图2是钢筋隧道模型示意图。

图3是图1中的A处放大图。

图4是图1中的B处放大图。

图5是图2中的D处放大图。

图6是隧道地层结构模型。

图中：集水箱1，隧道地层结构模型2，钢筋隧道模型3，集水箱的出水管4，软管5，控制阀6，玻璃容器盖7，密闭有机玻璃容器8，第一出水管9，第二出水管10，第三出水管11，第一环向盲管12，第二环向盲管13，第三环向盲管14，第一纵向盲管15，第二纵向盲管16，隧道排水槽17，隧道初期支护18，全风化花岗岩土层19，残积粘土土层20，第一排水管21、第二排水管22、第三排水管23、第四排水管24 、第一阀门25、第二阀门26、第三阀门27。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明：

一种海底隧道防排水***的堵塞性试验装置，如图1、2、6所示，该试验装置包括集水箱1、隧道地层结构模型2、钢筋隧道模型3。

所述的隧道地层结构模型2包括：密闭有机玻璃容器8、玻璃容器盖7、控制阀6、隧道初期支护18和隧道的上覆土层结构；隧道初期支护18和隧道的上覆土层结构依次放置在密闭有机玻璃容器8内，控制阀6连接在玻璃容器盖7上；玻璃容器盖7与密闭有机玻璃容器8上端口的法兰边密闭连接；密闭有机玻璃容器8的底面上设第一出水管9、第二出水管10、第三出水管11，并在三个出水管上分别设置第一阀门25、第二阀门26、第三阀门27。

所述的钢筋隧道模型3与实际隧道的尺寸几何相似，包括第一环向盲管12、第二环向盲管13、第三环向盲管14、第一纵向盲管15、第二纵向盲管16、第一排水管21、第二排水管22、第三排水管23、第四排水管24。

第一环向盲管12、第二环向盲管13、第三环向盲管14等距环绕在钢筋隧道模型3上半部上，并通过三通与平行于隧道纵向的第一纵向盲管15、第二纵向盲管16相连接；第一纵向盲管15、第二纵向盲管16通过三通与第一排水管21、第二排水管22、第三排水管23、第四排水管24连接。

第一出水管9及其上的第一阀门25通过三通与第一环向盲管12连接，第二出水管10及其上的第二阀门26通过三通与第二环向盲管13连通，第三出水管11及其上的第三阀门27通过三通与第三环向盲管14连通。

集水箱1的出水管4通过软管5和控制阀6与隧道地层结构模型的内腔连通。

钢筋隧道模型3放置于隧道排水槽17中。

所述的隧道的上覆土层结构，如厦门翔安海底隧道的上覆土层结构为：全风化花岗岩土层19和残积粘土土层20隧道的上覆土层结构；

所述的隧道初期支护18为喷射混凝土。

本发明中通过三通实现管路之间的连接，如图5，其目的是便于拆卸。

所述的集水箱1长、宽、高分别为90cm、50cm、50cm的无盖有机玻璃箱，其底面距隧道地层结构模型2的上表面为4米。

密闭有机玻璃容器8的容积为50cm的立方；密闭有机玻璃容器8内放置隧道初期支护18和隧道的上土层结构，如厦门翔安海底隧道上覆土层结构为全风化花岗岩土层19、残积粘土土层20。

钢筋隧道模型3与厦门翔安海底隧道的比例1：38。

实验过程：

集水箱1中注入厦门翔安处的海水，并保持其水位不变。打开控制阀6，使海水通过集水箱的出水管4和软管5流入隧道地层结构模型2，即密闭有机玻璃容器8中，并保持玻璃容器盖7下面与隧道的上土层结构的上表面之间的海水充满后，打开第一阀门25、第二阀门26、第三阀门27。海水从隧道地层结构模型2渗透出来，并经由第一出水管9、第二出水管10、第三出水管11，流入第一纵向盲管15、第二纵向盲管16，再经第一纵向盲管15，第二纵向盲管16，经由第一排水管21、第二排水管22、第三排水管23、第四排水管24排入隧道排水槽17。

经过两周试验后，拆下第一环向盲管12、第二环向盲管13、第三环向盲管14、第一纵向盲管15、第二纵向盲管16；拆下第一排水管21、第二排水管22、第三排水管23、第四排水管24。

均用台秤称其质量，与试验前的进行比较其质量变化，发现各个盲管的流量要比排水管的大，不易于沉积，但盲管沉积物质量都大于排水管沉积物质量，分析原因主要是盲管最先接触到海水，首先对海水起到了过滤作用，海水中最易沉积的离子及悬浮物最先沉积在盲管侧壁上，而流到排水管的海水已经经过盲管的过滤，因此盲管沉积物质量要比排水管沉积质量大，盲管更易堵塞。

测定排水管所排出的水中所含各种主要离子及物质的含量，其试验的结果与试验之前的海水相比，有很多一部分离子减少了，减少的离子可能是经化学反应后形成物质而沉积在排水管里，对排水管有一定的堵塞情况，且只有碳酸根这一项，在支护水的化学检测中是没有的，这个过程中发生化学反应产生了碳酸钙。

通过对隧道排水槽17中的海水的化学试验结果分析，试验所用的海水确实具有结垢倾向，这样也验证了沉积物中有化学结垢物。从对海水的化学试验数据分析来看，结垢倾向很大，易引起排水***的堵塞。

使用本发明通过对厦门翔安海底隧道的模拟，完全达到了真实反映隧道排水***的堵塞性随时间增加的变化规律，达到了试验装置的设计目的，说明了本发明的可行性。

Claims (2)

1.一种海底隧道防排水***的堵塞性试验装置，其特征在于：该试验装置包括集水箱(1)、隧道地层结构模型(2)、钢筋隧道模型(3)；

所述的隧道地层结构模型(2)包括：密闭有机玻璃容器(8)、玻璃容器盖(7)、控制阀(6)、隧道初期支护(18)和隧道的上覆土层结构；隧道初期支护(18)和隧道的上覆土层结构依次放置在密闭有机玻璃容器(8)内，控制阀(6)连接在玻璃容器盖(7)上；玻璃容器盖(7)与密闭有机玻璃容器(8)上端口的法兰边密闭连接；密闭有机玻璃容器(8)的底面上设第一出水管(9)、第二出水管(10)、第三出水管(11)，并在三个出水管上分别设置第一阀门(25)、第二阀门(26)、第三阀门(27)；

集水箱(1)的出水管(4)通过软管(5)和控制阀(6)与隧道地层结构模型(2)的内腔连通；

所述的钢筋隧道模型(3)与实际隧道的尺寸几何相似，包括第一环向盲管(12)、第二环向盲管(13)、第三环向盲管(14)、第一纵向盲管(15)、第二纵向盲管(16)、第一排水管(21)、第二排水管(22)、第三排水管(23)、第四排水管(24)；

第一环向盲管(12)、第二环向盲管(13)、第三环向盲管(14)等距环绕在钢筋隧道模型(3)上半部上，并通过三通与平行于隧道纵向的第一纵向盲管(15)、第二纵向盲管(16)相连接；第一纵向盲管(15)、第二纵向盲管(16)通过三通与第一排水管(21)、第二排水管(22)、第三排水管(23)、第四排水管(24)连接；

第一出水管(9)及其上的第一阀门(25)通过三通与第一环向盲管(12)连接，第二出水管(10)及其上的第二阀门(26)通过三通与第二环向盲管(13)连通，第三出水管(11)及其上的第三阀门(27)通过三通与第三环向盲管(14)连通；

钢筋隧道模型(3)放置于隧道排水槽(17)中。

2.根据权利要求1所述的一种海底隧道防排水***的堵塞性试验装置，其特征在于：

所述的隧道的上覆土层结构包括：全风化花岗岩土层(19)和残积粘土土层(20)隧道的上覆土层结构；

所述的隧道初期支护(18)为喷射混凝土。