CN104749347A - 研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置，空气加热及送风装置由变频风机、空气加热器、风机与加热器的控制柜、送风管、送风参数测试孔构成，空气加热器和变频风机通过导线与控制柜相连，土体及温湿度参数采集装置由土壤表面热流密度探头、土壤湿度探头、土壤温度探头、盛土容器、数据采集板构成，实验装置置于可移动整体支撑架。本装置通过将不同空气温湿度和风速的空气直接作用于土壤表面，再现了实际地铁区间隧道内空气与盾构围岩土壤的温湿传递过程；通过在不同深度处布置温湿度传感器获得不同深度土壤温湿度随时间变化规律，分析地铁区间隧道内盾构土壤热套厚度和温度分布基本规律。

Description

研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置

技术领域

本发明涉及一种地下空间热环境与围岩热湿传递系统，具体涉及到模拟地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置。

背景技术

地铁在我国大中型城市公共交通的重要性日益增强，随着其运营年限增加，地铁区间隧道空气温度升高的问题普遍存在且亟待解决，这与区间隧道盾构土壤吸热密不可分。地铁运营初期因受到列车运行散热的影响，区间盾构土壤温度因吸热逐渐升高，随着运营时间的增长，土壤吸放热会呈现周期性变化，最终实现动态平衡状态。区间隧道盾构土壤温度场的变化直接影响区间空气温度，与地铁列车和站台空调系统的能耗密切相关，因此研究地铁区间隧道周围土壤温度场的动态变化过程非常必要。同济大学于连广、吴喜平等通过数值模拟，以恒定空气温度为边界条件研究了地铁隧道围岩的传热过程；南京大学李晓昭课题组搭建土壤传热实验台，以水代替空气为媒介，研究了恒定水温下隧道土壤的传热规律。

目前国内外研究土壤传热的领域主要集中在隧道围岩周围土壤传热，地源热泵土壤蓄放热分析，地下商场及人防工程等地下空间负荷计算，矿山热害问题等方面。现有研究方法包括数值模拟，缩尺模型试验，理论计算，现场实测等。模型试验在满足相似准则的基础上，能够较好的再现物理现象本质规律，便于通过变工况分析获得各个参数之间的内在联系，避免了现场实测中测试条件的限制，为理论计算和数值模拟提供必要的验证，是区间隧道土壤温湿度研究中的重要研究手段。因此需要采用通过变工况的空气作用于土壤表面，在体现热湿耦合的基础上还原了地铁区间隧道围岩土壤与空气之间的热湿传递过程，重点关注区间隧道土壤侧热库形成的基本规律的实验装置。

发明内容

本发明是要提供一种研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置，用于克服现场实测中对区间盾构土壤深度方向上温湿度监测较难实现的不足，运用缩尺模型实验再现了地铁区间隧道土壤与不同风速空气热湿交换的过程，研究区间盾构土壤热库形成和周期动态变化的基本规律，研究内容针对长期运营地铁区间隧道温升的问题，具有必要性和紧迫性；缩尺模型试验的研究手段弥补其他研究方法的不足，具有先进性。

本发明的技术方案如下：

一种研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置，由空气加热及送风装置、土体及其温湿度参数采集装置、实验台支撑框架组成，所述空气加热及送风装置由变频风机、空气加热器、风机与加热器的控制柜、送风管、送风参数测试孔构成，空气加热器和变频风机通过导线与控制柜相连，送风参数测试孔内插入用于测量送风温度、湿度、风速参数的测试仪，土体及温湿度参数采集装置由土壤表面热流密度探头、土壤湿度探头、土壤温度探头、盛土容器、数据采集板构成，所述盛土容器内设有所述热流密度探头、土壤湿度探头、土壤温度探头，热流密度探头通过热流密度板水平贴附与空气相接触的土壤表面；所述实验台支撑框架由风管支撑架、加热器支撑架、可移动整体支撑架构成，所述的实验装置置于可移动整体支撑架。

所述送风管、盛土容器表面包裹3cm厚的保温材料；风管和盛土容器用螺母对接；盛土容器底端四个角分别焊接可拧动螺母，通过扳手拧动可升降螺母来升高或降低土体，方便安装和拆卸。

所述土壤温度探头长3cm，土壤温度探头之间的间距为5- 20cm，所述土壤湿度探头由两根长30cm间隔4cm的探针组成，所述若干土壤湿度探头布置在不同一竖直面上；所述热流密度探头为直径6cm的圆板，所述土壤温度探头、土壤湿度探头和热流密度探头通过导线连接到数据采集板，用于实时记录各探头数据。

所述空气加热器由12根加热管组成，每根加热管功率为2kW，总负荷为24kW，其温度调节范围为室温~40℃；所述变频风机最大风量为1400m³/h，针对300mm×300mm的风管，其风速调节范围为0.1~10m/s；加热温度及送风量通过控制柜调节。

本发明的有益效果：

本实验装置研究地铁区间隧道周围土壤与隧道内空气之间的热湿交换过程，从热湿耦合的角度分析地铁隧道盾构土壤热库的形成和随时间演化规律，填补了现有地铁区间隧道土壤温度场和湿度场研究的不足；实验台尺寸适中，实验结果数据可靠，用空气作为介质能较好再现实际隧道情况，同时体现土壤温度和湿度变化，研究方法具有创新性。研究结果为地铁区间热环境控制、地铁区间隧道和站台环控系统的节能提供重要参考。

附图说明

图1为本发明实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明实验装置的可移动底板支撑面示意图；

图3为本发明实验装置的送风管示意图；

图4为本发明的可升降螺母示意图；

图5为本发明实验装置的盛土容器示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明专利进行详细说明。

如图1至图5所示，本发明的研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置，包括变频风机1：，空气加热器2、风机与加热器的控制柜3、送风管4、送风参数测试孔5、热流密度探头6、土壤湿度探头7、土壤温度探头8、盛土容器9、数据采集板10、风管支撑架11、加热器支撑架12、可移动整体支撑架13、可升降螺母14。

（1）本实验装置由三部分组成，分别为：空气加热及送风装置A、土体及其温湿度等参数采集装置B、实验台支撑框架C。空气加热及送风装置A主要由变频风机1、空气加热器2、风机与加热器的控制柜3、送风管4、送风参数测试孔5构成，空气加热器2和变频风机1通过导线与控制柜3相连，送风温度、湿度、风速等送风参数由送风参数测试孔5伸入相应参数测试仪器获得，可伸入的参数测试仪包括热线风速仪、空气温湿度记录仪；土体及温湿度等参数采集装置B主要由土壤表面热流密度探头6、土壤湿度探头7、土壤温度探头8、盛土容器9、数据采集板10构成，热流密度板水平贴附与空气相接触的土壤表面；实验台支撑框架C主要由风管支撑架11、加热器支撑架12、可移动整体支撑架13构成，所有的装置部件均放置在整体支撑架13上，且可拆卸移动。

（2）本实验装置与原型地铁区间隧道应满足几何相似、时间相似和温度相似，以此来确定实验装置中各个部件的尺寸。在研究土壤侧热库形成规律过程中，实验装置与原型遵循傅里叶准则相似。

（3）实验过程中，本实验装置的整体应置于恒温恒湿实验室内，空气从恒温恒湿室送风系统进入，依次经过变频风机1、空气加热器2、风管4，与土壤热湿交换后，由风管4出口排至恒温恒湿室排风口；恒温恒湿室空调箱能够同时保证较低的空气温度和空气湿度调节，而空气加热器2能提供较高的空气温度，变频风机1则调控气流速度。

（4）本实验装置中的风管及土体装置需加保温，送风管4、土体装置9表面包裹3cm厚的保温材料（如聚苯乙烯泡沫塑料）；风管4和土体9用螺母对接；土体9底端四个角分别焊接可拧动螺母，可通过扳手拧动螺母来升高或降低土体，方便安装和拆卸。

（5）本研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律实验装置的探头布置在土壤不同深度处，土壤温度探头8长3cm，因距离壁面越近土壤温度变化越明显，因此各温度探头之间布置间距不相等，上密下疏，各探头之间的最近距离5cm，最远距离20cm；土壤湿度探头7由两根长30cm间隔4cm的探针组成，通过感应两根探针之间的电流信号转化为容积含水率来反映土壤湿度，为消除两个探头信号的干扰，土壤湿度探头7避免布置在同一竖直面上；热流密度探头6为直径6cm的圆板，监测空气与土壤间的热量交换情况。各探头通过导线连接到数据采集板10，实时记录各探头数据。

（6）本实验装置中的空气参数调控，空气加热器2由12根加热管组成，每根加热管功率为2kW，总负荷为24kW，根据加热量的不同选择加热管工作的个数，温度调节范围为室温~40℃；变频风机4最大风量为1400m³/h，针对300mm×300mm的风管，其风速调节范围为0.1~10m/s；加热温度及送风量通过控制柜3调节。

实施例1：模拟某长期运营地铁隧道围岩土壤温湿度场演化规律

（1）模型试验与地铁隧道原型相关比例尺的确定

  1）温度相似比

 取温度相似比C_T=1；针对长期运营的地铁区间隧道，以上海地铁1号线衡山路站实测区间隧道内空气温度为依据，取其月平均温度作为实验台温度边界条件，见表1，空气温度的变化由风道空气加热器2控制实现。

  2）几何相似比

取几何相似比C_l=20；已有研究表明土壤温度场受影响范围为离隧道壁面12~15米，为减少实验误差，本试验台取土壤研究范围为距离隧道壁面20米以内，根据几何比例尺对盛土容器9的高度为1m，依据实际地铁隧道直径约6m，按照当量直径的转换，土柱截面尺寸为300mm×300mm，为方便布置土壤湿度传感器，将尺寸定为320mm×300mm。盛土容器9内的温度传感器各探头布置位置及对应实际隧道土壤的深度见表2。同时，两个湿度探头的位置分别为距壁面5cm和10cm获得土壤湿度数据，1个热流密度板位于土壤表面获得空气与土壤的热流量。

3）时间相似比

根据傅里叶准则相似，得到试验台的时间相似比是几何相似比的平方，故时间相似比C_t=400；据此实验时间与实际隧道时间的对应关系见表3。根据表1逐月温度设定原则，风道加热器的出风温度每隔1.8小时变化一次，12个月对应21.6小时为一个变化周期，共进行了对应17年的17个周期性实验。

 

 （2）实验台中土体的采集与处理

采集实际地铁施工过程中周围土壤作为本实验装置的填埋土壤，采集的土壤首先在实验室105℃烘箱中烘干6至8h以测定土壤含水量，作为后续调湿的参照；然后土壤经过干燥，研磨过筛，调湿，焖土等工序后填入土体装置（9），同时按照附图4和表2的数据布置温度、湿度和热流密度探头，并注意在填土过程中边填边压实压紧以体现地铁周围土壤深埋压力较大的特点。此外，实验装置中的土壤在实验开始前需静置室内48小时，待数据采集板（10）各个测点数据稳定后开始实验。

（3）基本实验步骤

1）待土壤温度恒定以后先开风机再开空气加热器，设置风机频率和加热器加热温度，同时打开恒温恒湿实验室送回风系统。

2）依据时间比例尺计算的时刻调节加热器的温度，以不同的温度依此作用于土壤表面。

3）在实验全过程中采集如下数据：土壤侧不同深度土壤温度、土壤含水率、土壤表面热流量、空气温湿度和空气风速等数据，用于后续土壤热库热湿传递规律的实验分析。

4）实验结束时先关空气加热器，后关风机。

Claims (4)

1.一种研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律的实验装置，由空气加热及送风装置（A）、土体及其温湿度参数采集装置（B）、实验台支撑框架（C）组成，其特征在于：所述空气加热及送风装置（A）由变频风机(1)、空气加热器(2)、风机与加热器的控制柜(3)、送风管(4)、送风参数测试孔(5)构成，空气加热器(2)和变频风机(1)通过导线与控制柜(3)相连，送风参数测试孔(5)内分别插入用于测量送风温度、湿度、风速参数的测试仪，土体及温湿度参数采集装置（B）由土壤表面热流密度探头(6)、土壤湿度探头(7)、土壤温度探头(8)、盛土容器(9)、数据采集板(10)构成，所述盛土容器(9)内设有所述热流密度探头(6)、土壤湿度探头(7)、土壤温度探头(8)，热流密度探头(6)通过热流密度板水平贴附与空气相接触的土壤表面；所述实验台支撑框架（C）由风管支撑架(11)、加热器支撑架(12)、可移动整体支撑架(13)构成，所述的实验装置置于可移动整体支撑架(13)。

2.  根据权利要求1所述的研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律实验装置，其特征在于：所述送风管(4)、盛土容器(9)表面包裹3cm厚的保温材料；风管(4)和盛土容器(9)用螺母对接；盛土容器(9)底端四个角分别焊接可拧动螺母，通过扳手拧动可升降螺母(14)来升高或降低土体，方便安装和拆卸。

3.  根据权利要求1所述的研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律实验装置，其特征在于：所述土壤温度探头(8)长3cm，土壤温度探头(8)之间的间距为5- 20cm，所述土壤湿度探头(7)由两根长30cm间隔4cm的探针组成，所述若干土壤湿度探头(7)布置在不同一竖直面上；所述热流密度探头(6)为直径6cm的圆板，所述土壤温度探头(8)、土壤湿度探头(7)和热流密度探头(6)通过导线连接到数据采集板（10），用于实时记录各探头数据。

4.  根据权利要求1所述的研究地铁区间隧道土壤温湿度场演化规律实验装置其特征在于：所述空气加热器(2)由12根加热管组成，每根加热管功率为2kW，总负荷为24kW，其温度调节范围为室温~40℃；所述变频风机(4)最大风量为1400m³/h，针对300mm×300mm的风管，其风速调节范围为0.1~10m/s；加热温度及送风量通过控制柜(3)调节。