CN107246023B - 隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置及实验方法，属于隧道工程技术领域。该装置包括：实验平台，用于提供安装空间；加载系统包括：箱体，安装在实验平台上；反力架，位于箱体上方并固定安装在实验平台上；液压缸，置于反力架和箱体之间；土体，置于箱体内；钢管支架，置于土体内；多个模拟顶管，活动安装在钢管支架上以形成管幕并置于土体内；冻结系统，用于对管幕进行冻结以形成冻结壁；数据采集系统，用于采集管幕的温度信息、位移信息和压力信息。本发明提供的隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置可以对管幕冻结法进行现场模拟，对管幕冻结法进行全面系统的研究，为管幕冻结法的进一步推广使用提供参考依据。

Description

隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体而言，本发明涉及一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置及实验方法。

背景技术

管幕冻结法是采用顶管形成的管幕作为承载结构体，人工冻结形成的冻土作为止水帷幕，充分地结合了管幕法与人工地层冻结法的优点的一种新的隧道施工工法。该工法是一种适合于饱和富水软土地层的浅埋超大断面隧道新型施工方法。目前缺少对该工法全面系统的研究，这对该工法进一步的推广利用是十分不利的。相似模型实验是一种形象直观的研究方法，已经在地下工程结构研究中的到了广泛的运用。如何对管幕冻结法进行相似模型实验成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置及实验方法，以至少解决现有技术中存在的无法对管幕冻结法进行相似模型实验的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置及实验方法，其技术方案如下：

一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置，包括：实验平台、加载系统、土体、钢管支架、模拟顶管、冻结系统和数据采集系统；所述实验平台用于提供安装空间；所述加载系统包括：箱体，安装在所述实验平台上；反力架，位于所述箱体上方并固定安装在所述实验平台上；液压缸，置于所述反力架和所述箱体之间；所述土体置于所述箱体内；所述钢管支架置于所述所述土体内，用于支撑定位多个所述模拟顶管；多个所述模拟顶管活动安装在所述钢管支架上以形成管幕并置于所述土体内；所述冻结系统用于对所述管幕进行冻结以形成冻结壁；所述数据采集系统用于采集所述管幕的温度信息、位移信息和压力信息。

在如上所述的装置中，优选地，所述箱体的正面按照管幕分布外轮廓线形成有第一孔洞，所述箱体的背面按照开挖面轮廓线形成有第二孔洞；所述加载系统还包括：前加劲肋、后加劲肋、前盖板和后盖板，所述前加劲肋连接在所述箱体的正面外侧，所述前盖板与开挖面形状相同，并与所述前加劲肋连接且置于所述第二孔洞中，所述后加劲肋连接在所述箱体的后面外侧，所述后盖板与所述开挖面形状相同，并与所述后加劲肋连接，且封堵于所述第一孔洞。

在如上所述的装置中，优选地，所述顶管支架包括：两块竖板、角钢、连接件；所述竖板上按照管幕分布轮廓线形成有与多个所述模拟顶管一一对应的圆孔，在所述竖板的底端侧面连接有所述角钢，两块所述竖板间隔设置且经与角钢连接的所述连接件连接。

在如上所述的装置中，优选地，所述数据采集系统的温度监测子系统用于采集所述管幕的温度信息，所述温度监测子系统包括：多个热电偶串、数据采集仪和第一电脑；在所述热电偶串上分布有3个温度测点，每间隔两根所述模拟顶管设置一个所述热电偶串，所述热电偶串设置在相邻两根所述模拟顶管的中间位置，多个所述热电偶串布置在一个温度测试平面上；所述数据采集仪与所述热电偶串连接；所述第一电脑与所述数据采集仪连接，用于分析处理所述温度信息。

在如上所述的装置中，优选地，所述数据采集系统的位移监测子系统用于采集所述管幕的位移信息，所述位移监测子系统包括：3个应变仪、3根位移测杆、第二电脑；在每个所述位移测杆上布置一个所述应变仪，3根所述位移测杆分为中间位移测杆、左位移测杆和右位移测杆，所述中间位移测杆埋设在所述冻结壁的正上方以监测隧道顶部的土地位移情况，所述左位移测杆和右位移测杆分别埋设在所述中间位移测杆的两侧以监测隧道拱腰位置的土地位移情况；所述第二电脑与所述应变仪连接，用于分析处理所述位移信息。

在如上所述的装置中，优选地，所述数据采集系统的压力监测子系统用于采集所述管幕的压力信息，所述压力监测子系统包括：5个压力盒、压力采集仪和第三电脑；5个压力盒分为：中间压力盒、第一左压力盒、第二左压力盒、第一右压力盒和第二右压力盒，所述中间压力盒埋设在所述管幕的正上方并贴于所述冻结壁的外缘，所述第一左压力盒和第一右压力盒以对称方式分别埋设在所述中间压力盒的左右两侧并贴于所述冻结壁的外缘，所述第二左压力盒和所述第二右压力盒以对称方式埋设在所述中间压力盒的左右两侧并贴于所述冻结壁的外缘，所述第二左压力盒与所述第二右压力盒之间的距离大于所述第一左压力盒与第一右压力盒之间的距离；所述压力采集仪与所述压力盒连接；所述第三电脑与所述压力采集仪连接，用于分析处理所述压力信息。

在如上所述的装置中，优选地，所述加载系统还包括：高压螺杆；所述反力架呈十字形；所述高压螺杆的一端固定在所述实验平台上，另一端通过螺帽与所述反力架的端部的上表面接触。

在如上所述的装置中，优选地，所述加载系统还包括：承压杆，所述承压板呈水平设置且上表面与所述反力架的下表面接触，所述承压板的下表面与所述液压缸的活塞杆接触。

在如上所述的装置中，优选地，所述冷冻系统包括：冻结机组、分流器和冻结管；所述冻结机组包括：主力冻结机组、加强冻结机组和限位冻结机组，所述主力冻结机组内循环的制冷剂温度、加强冻结机组内循环的制冷剂温度和限位冻结机组内循环的制冷剂温度不同；所述冻结管包括：模拟主力冻结管、模拟加强冻结管和模拟限位管，所述模拟主力冻结管呈U形并置于所述模拟顶管中且所述模拟主力冻结管外壁与所述模拟顶管内壁接触，所述模拟加强冻结管呈U形并置于所述模拟顶管中且所述模拟加强冻结管外壁与所述模拟顶管内壁接触，所述模拟限位管为套管并置于所述模拟顶管中；所述分流器包括：主力循环去路分流器、主力循环回路分流器、加强循环去路分流器、加强循环回路分流器、限位循环去路分流器和限位循环回路分流器；制冷剂依次流经所述主力冻结机组、主力循环去路分流器、模拟主力冻结管和主力循环回路分流器并循环以构成主力冻结循环；制冷剂依次流经所述加强冻结机组、加强循环去路分流器、模拟加强冻结管和加强循环回路分流器并循环以构成加强冻结循环；制冷剂依次流经所述限位冻结机组、限位循环去路分流器、模拟限位冻结管和限位循环回路分流器并循环以构成限位冻结循环。

实验方法包括：

(1)确定几何相似准则，预制模拟顶管、模拟主力冻结管、模拟加强冻结管、模拟限位管、第一类顶管、第二类顶管、第三类顶管、第四类顶管和第五类顶管，所述第一类顶管经将一根所述模拟主力冻结管和一根所述模拟限位管放置在所述模拟顶管中，并浇筑混凝土后制成，所述第二类顶管经将一根所述模拟加强冻结管放置在所述模拟顶管中后制成，所述第三类顶管经将一根所述模拟主力冻结管和一根所述模拟限位管放置在所述模拟顶管中后制成，所述第四类顶管经将一根所述模拟加强冻结管放置在所述模拟顶管中，并浇筑混凝土后制成，所述第五类顶管为模拟顶管；(2)确定顶管组合，所述顶管组合至少包括第一组合、第二组合、第三组合、第四组合和第五组合中的两个；所述第一组合为所述第一类顶管与所述第二类顶管各一根交错分布并形成管幕，所述第二组合为所述第一类顶管与所述第四类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，所述第三组合为所述第二类顶管与所述第三类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，所述第四组合为所述第一类顶管与所述第五类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，所述第五组合为所述第一类顶管与所述第五类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，并在每两根所述模拟顶管中间土体部分设置一根所述模拟加强冻结管；(3)实验设备组装；将顶部开口的箱体放置到实验平台上，将顶管支架放置到所述箱体中的预定位置，按照现场的土层分布情况进行填土，并通过所述箱体正面形成的裂缝按照顶管组合中的一个组合将所述模拟顶管推进所述顶管支架的指定位置，在填土过程中不断振捣以保证土层密实，同时在预定位置埋设用于采集所述管幕温度信息的热电偶串、用于采集所述管幕位移信息的位移测杆和用于采集所述管幕压力信息的压力盒；填土完成之后通过箱体盖板将开口盖上，引出数据测线，并在箱体盖板上设置加载系统；在所述箱体表面覆盖一层塑料泡沫；(4)实验设备调试；启动所述加载系统，逐渐加压至应力计算值，并稳定预设时间；(5)冻结模拟；调节控制主力冻结机组、加强冻结机组和限位冻结机组使冻结壁厚度达到设计值，在整个冻结过程中，每间隔第一预设采集时间进行一次数据采集；(6)开挖；移除所述塑料泡沫，并切断所述箱体正面以及背面处的加劲肋，移除盖板；从所述箱体的两侧同时按预设开挖速度进行开挖；在开挖过程中，每间隔第二预设采集时间进行一次数据采集；(7)对所述冻结壁进行解冻，拆卸实验设备；(8)依次选取所述顶管组合中的剩余每个组合，重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)、(7)；(8)实验数据处理；对比所述顶管组合中每个组合的温度信息、位移信息和压力信息，获得不同组合的冻胀数据、平均温度数据、达到设计温度用时数据。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

可以对管幕冻结法进行现场模拟。对管幕冻结法进行全面系统的研究，为管幕冻结法的进一步推广使用提供参考依据。

附图说明

图1为本发明优选实施例的隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的箱体正面图；

图3为本发明优选实施例的箱体背面图；

图4为本发明优选实施例的箱体盖板图；

图5为本发明优选实施例的钢管支架示意图；

图6为本发明优选实施例的分流器结构示意图；

图7为本发明优选实施例的分流器截面的放大示意图；

图8为本发明优选实施例的第一类顶管示意图；

图9为本发明优选实施例的第二类顶管示意图；

图10为本发明优选实施例的第三类顶管示意图；

图11为本发明优选实施例的第四类顶管示意图；

图12为本发明优选实施例的温度测点分布示意图；

图13为本发明优选实施例的压力盒分布示意图；

图14为本发明优选实施例的位移测杆分布示意图；

图15为本发明优选实施例的衬砌模型结构示意图；

图16为本发明优选实施例的衬砌模型结构侧面示意图。

图中：11-箱体；111-第一孔洞；112-盖板；113-挂环；114-刻度线；115-加劲肋；116-第二孔洞；12-高强螺杆；13-反力架；14-承压板；15-液压缸；16-液压控制装置；17-箱体盖板；171-挂环；172-通孔；173-引线孔；21-温度监测子系统；211-数据采集仪；212-热电偶串；213-第一电脑；22-压力监测子系统；221-压力采集仪；222-压力盒；223-第二电脑；23-位移监测子系统；231-应变仪；232-位移测杆；233-第三电脑；31-冻结机组；32-分流器；321-干管接口；322-冻结管接口；41-土体；42-模拟顶管；43-模拟主力冻结管；44-模拟限位管；45-C30混凝土；46-模拟加强冻结管；47-顶管支架；471-竖板；472-角钢；473-钢筋；474-螺栓；48-衬砌相似模型；481-螺栓孔；51-桁车；6-实验平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1至图16所示，本发明优选实施例的隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置主要包括实验平台6、加载系统、土体41、钢管支架47、模拟顶管42、冻结系统和数据采集系统。其中实验平台6，用于提供安装空间。加载系统包括箱体11，安装在实验平台6上；反力架13，位于箱体11的上方并固定安装在实验平台6上；液压缸15，置于反力架13和箱体11之间，实际中通过油压加载装置16控制供油。土体41，置于箱体11内。钢管支架47，置于土体41内。多个模拟顶管42，活动安装在钢管支架47上以形成管幕并置于土体41内。冻结系统，用于对管幕进行冻结以形成冻结壁；数据采集系统，用于采集管幕的温度信息、位移信息和压力信息。

总而言之，本发明提供的隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置可以对管幕冻结法进行现场模拟。对管幕冻结法进行全面系统的研究，为管幕冻结法的进一步推广使用提供参考依据。

如图1至图4所示，箱体11包括箱体本体，箱体本体为长方体结构，在箱体本体的顶部开口；和箱体盖板17，可上下移动盖在箱体本体上，以使液压缸15能够通过箱体盖板17对位于箱体本体内的土体41施加压力。优选地，在箱体本体四周自下而上分布有四个加劲肋115。优选地，在箱体本体的四个拐角处各分布一个挂环113，在起重时，可以用钢绞丝穿过挂环113，便于桁车51进行起吊作业。优选地，在箱体本体的棱上分布有刻度线，便于填土作业时，控制填土量。进一步优选地，在箱体本体的四条棱上都分布有一条刻度线，这样可以更好地控制所填土层厚度。本发明箱体本体正面分布有一个按照管幕分布轮廓线切割的第一孔洞(或称大孔洞)111，并有一块与开挖面形状相同的盖板112与箱体本体表面的加劲肋115焊接在一起，箱体本体的背面分布有一个与开挖面轮廓线相同的第二孔洞(或称小孔洞)116，并且一块与开挖面形状相同的盖板112与箱体本体表面的加劲肋115焊接在一起，这样的设置便于模拟顶管42以及冻结管的安装，并且可以保证后期开挖土体进行箱体本体切割时，造成的温度扰动较小。

如图1至图4所示，加载系统还包括高压螺杆12，高压螺杆12的一端固定在实验平台6上，另一端通过螺帽与反力架13的上表面紧密接触。优选地，高压螺杆12有八根，反力架13为“十”字形结构；在反力架13的每个端部各分布有两根高压螺杆12，这样的分布可以保证结构整体具有较好的稳定性。

如图1至图4所示，加载系统还包括承压板14，承压板14位于反力架13和液压缸15之间。在本发明中，承压板14可以为长方形，优选地，承压板14的材料选用Q235钢材，因为该材料具有较好抗压性。优选地，承压板14的上表面与反力架13的下表面紧密接触，并且保证承压板14的摆放位置处在水平面上。优选地，液压缸15的上表面与承压板14下表面紧密接触；本发明的液压缸15为两个，液压缸15加载力计算方法如下：

加载计算：

到拱腰位置的土层厚度为8m，g＝10N/kg，土层的平均密度ρ'＝1.93g/cm³；

上覆土层的自重应力为：1.93×10×8/1000＝0.1544Mpa；

模型上覆土层的自重应力为：1.93×10×0.4/1000＝0.00772Mpa；

需加自重应力为：0.1544-0.00772＝0.1467Mpa；

模型需加的总荷载为：0.1467×2.5×10³＝366.75KN；

每个千斤顶的重量为2.3KN，钢板重量拟取5KN，得每个油顶需加载的顶力为：(366.75-4.6-5)/2＝178.575KN。

如图1至图4所示，数据采集系统包括温度监测子系统21、位移监测子系统22和压力监测子系统23。温度监测子系统21包括数据采集仪211，多个热电偶串212、第一电脑213。数据采集仪211与热电偶串212连接，第一电脑213与数据采集仪211连接，用于分析处理温度信息。本发明选用TDS630数据采集仪进行数据采集，热电偶串212由康铜丝以及铜线制作而成。每个热电偶串212上面分布有三个温度测点，相邻温度测点之间的间距优选为39mm，每间隔两根模拟顶管42设置一个热电偶串212，这样的测点分布既可以实现对预设厚度范围内的冻结壁全面的监测，又不至于使测线过多而不便于埋设。所有热电偶串212都布置在一个温度测试平面上，优选地，该温度测试平面位于整个隧道的正中间，这样的位置选择可以最大限度的减小外界温度对于测试温度造成的干扰。优选地，参见图12，三个温度测点依次位于管幕分布内轮廓线、管幕分布中心轮廓线和管幕分布外轮廓线上。

位移监测子系统23包括应变仪231、位移测杆232以及第二电脑233。参见图14，本发明的每根位移测杆232上布置一个应变仪231，应变仪231顶在位移测杆232上，本发明的位移测杆232共三根，分为：中间位移测杆、左位移测杆和右位移测杆，其中中间位移测杆埋设在预设管幕模型隧道冻结壁的正上方35mm处，左、右位移测杆分别埋设在距离中间位移测杆左右两侧的200mm位置，由于隧道整体埋深较浅，而土体冻胀主要发生在顶部，这样的埋设方式可以监测到隧道顶部以及拱腰位置的土地位移情况。优选地，三根位移测杆232位于同一位移监测平面内，该位移监测平面位于整个隧道的正中间。第二电脑233与应变仪231连接，用于分析处理位移信息。

压力监测子系统22包括压力采集仪221、压力盒222和第三电脑223，优选地，本发明的压力盒222共五个，分为中间压力盒、第一左压力盒、第二左压力盒、第一右压力盒和第二右压力盒，其中中间压力盒埋设在管幕模型的正上方，并紧贴该位置预设冻结壁的外缘，第一左、右压力盒埋设在距离中间压力盒(或图13中所示中轴线)200mm的左右两侧，并紧贴该位置预设冻结壁的外缘，第二左、右压力盒埋设在距离中间压力盒(或图13中所示中轴线)415mm的左右两侧，并紧贴该位置预设冻结壁的外缘，这样的布置方式可以实现对冻结壁五个典型位置的冻结压力进行监测，从而比较全面的反应冻结压力的分布情况。

如图1、图6和图7所示，冻结系统包括冻结机组31，分流器32以及冻结管；冻结机组31至少可以同时开启三个温度各不相同的循环，其包括：主力冻结机组、加强冻结机组和限位冻结机组，各机组内的制冷剂温度不同。分流器32为两类，一类为去路分流器，另一类为回路合流器，从而保证酒精均匀地进入到每根冻结管中。分流器32的干管接口321通过耐低温软管{如TPE(Thermoplastic Elastomer，热塑性弹性体)}与各冻结干管相连，冻结干管与冻结机组相连，分流器32的冻结管结构322通过耐低温软管与各冻结管连接，在每个截面上沿着圆周均匀分布四根细管，每个分流器32表面上分布有三十六根细管。具体地，分流器32包括：主力循环去路分流器、主力循环回路分流器、加强循环去路分流器、加强循环回路分流器、限位循环去路分流器和限位循环回路分流器。冻结管分为三类，包括主力冻结管43，限位管44和加强冻结管46。现场主力冻结管的直径为133mm，在对应的顶管中分布有两根，根据几何相似准则C_l＝27，计算得到主力冻结管43的直径为5mm，实验室主力冻结管(或称模拟主力冻结管)43选用直径5mm的紫铜管，在使用时，将主力冻结管43弯曲成U形使用以模拟现场两根主力冻结管的效果，并且保证主力冻结管43的外壁恰好与模拟顶管42的内壁相接触，这样的设置方式可以实现对现场冻结管布置方式的还原，而且制作工艺简单。现场加强冻结管直径为89mm，在对应的顶管中分布有两根，根据几何相似比C_l＝27，得对应的实验室加强冻结管46的直径为3.3mm，实验室加强冻结管(或称模拟加强冻结管)46选用直径3.3mm的紫铜管，在使用时，将加强冻结管46弯曲成U形使用以模拟现场两根加强冻结管的效果，并且保证加强冻结管46的外壁恰好与模拟顶管42的内壁相接触，这样的设置方式可以实现对现场冻结管布置方式的还原，而且制作工艺简单。现场限位管直径为159mm，在对应的顶管中分布有一根，根据几何相似比C_l＝27，得对应的实验室限位管(或称模拟限位管)44的直径为6mm，为了实现对模型试验原型最大程度地还原，优选地，本发明的限位管44为套管，如在直径为6mm的铜管外面套装一根8.5mm的紫铜管，加工成套管，选用直径为8.5mm的紫铜管的原因是保证进液管的截面积与回液管的截面积相等。为了便于与分流器32连接，模拟限位管44以及模拟主力冻结管、模拟加强冻结管的长度略大于模拟顶管的长度(如100cm)。

如图1、图5所示，具体地，顶管支架47包括竖板471、角钢472、连接件，如钢筋473和螺栓474，竖板471通过螺栓474与角钢472连接在一起，一块角钢472的另一端与钢筋473焊接在一起，钢筋473的另一端与另一块角钢472焊接在一起，在竖板471上凿出多个圆孔，如此可以使模拟顶管42通过顶管支架47按照一定的顺序排列在一起，被土体41埋置在箱体11中，圆孔的数量与模拟顶管42的数量相同，图5中圆孔的数量为36个。竖板优选为薄木板以方便加工。

如图15和图16所示，装置还包括衬砌相似模型48，衬砌相似模型48在隧道开挖后期作为支撑结构放置在模拟顶管42包围的开挖空间中。进行衬砌相似模型48的组装，并在衬砌相似模型48的拱腰位置贴设两片应变片该应变片用来监测隧道衬砌的变形情况，通过反馈的数据来判断衬砌是否满足支护要求。在衬砌相似模型48形成有螺丝孔481。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验方法，包括以下步骤：

步骤一、确定几何相似准则，预制模拟顶管42、模拟主力冻结管43、模拟加强冻结管46和模拟限位管44；

具体地，根据实验室空间条件，确定几何相似比，在本实施例中，选取几何相似比C_l＝27。

模拟顶管42为100cm/每段；模拟主力冻结管43选用单层铜管，并将其弯曲成U形；模拟加强冻结管46选用单层铜管，并将其弯曲成U形；模拟限位管44选用套管，长度为100cm。将一根U形模拟主力冻结管43以及一根模拟限位管44放置在模拟顶管42中，并浇筑C30混凝土45，制成第一类顶管模型；将一根U形模拟加强冻结管46放置在模拟顶管42中，制成第二类顶管模型；将一根U形模拟主力冻结管43以及一根模拟限位管44放置在模拟顶管42中，制成第三类顶管模型；将一根模拟加强冻结管46放置在模拟顶管42中，并浇筑C30混凝土45，制成第四类顶管模型；单独模拟顶管2作为第五类顶管模型；

步骤二、确定顶管组合方案；

组合一，第一类顶管与第二类顶管各一根交错分布；组合二，第一类顶管与第四类顶管各一根交错分布；组合三，第二类顶管与第三类顶管各一根交错分布；组合四，第一类顶管与第五类顶管各一根交错分布；组合五，第一类顶管与第五类顶管各一根交错分布，并在每两根模拟顶管42中间土体部分设置一根模拟加强冻结管46；

步骤三、实验设备组装；

通过桁车51将箱体11放置到实验平台6上，将顶管支架47放置到箱体本体中的指定位置，按照现场的土层分布情况进行填土，并通过箱体本体正面的缝隙按照“组合一”将顶管模型推进钢管支架47的指定位置，在填土过程中不断振捣，保证土层密实，尤其注意相邻两根模拟顶管42之间要有足量的土壤，在此同时在指定位置埋设热电偶串212、位移测杆222以及压力盒232，实际中，在前加劲肋覆盖缝隙(即第一孔洞111的内壁与盖板112的外缘之间形成的间隙)处，先将模拟顶管进一步加工至98cm，按照竖板471上圆孔的位置进行定位，直接埋设到土层中，并通过缝隙引出对应的冻结管。

填土完成之后盖上箱体盖板17，通过引线孔173引出数据测线，通过通孔172引出位移测杆232，在箱体盖板17上放置液压缸15，安装反力架13以及高强螺杆12，连接数据测线到对应的温度监测子系统21、位移监测子系统23和压力监测子系统22，连接液压控制装置16与液压缸15。

将箱体本体的正面缝隙(即第一孔洞111的内壁与盖板112的外缘之间形成的间隙)处用泡沫进行填充，并在箱体11的四周及表面覆盖一层塑料泡沫，防止冷量大量散失。

步骤四、实验设备调试；

通过液压控制装置16控制供油，使每个液压缸15启动，逐渐加压至应力计算值，并稳定预设时间，如24小时，检查各监测子系统的数据测线连接情况，检查冻结机组31的运转情况。

步骤五、冻结模拟；

开启主力冻结机组，使主力冻结机组内的制冷剂温度下降到第一温度设计值T₁，打开主力冻结机组的第一酒精阀，在本实施例中，以酒精为制冷剂进行说明，开启主力冻结循环，通过调整第一酒精阀使制冷剂流速达到设计值w₁，当循环开启时间达到时间设计值t₁时，开启加强冻结机组，使加强冻结机组内的制冷剂温度下降到温度设计值T₂，打开酒精阀，开启加强冻结酒精循环，通过调整酒精阀使酒精流速达到设计值w₂，保持主力冻结酒精循环以及加强冻结酒精循环开启时间t₂后，对冻结壁的形成情况进行判断，当冻结壁厚度达到设计值时，关闭加强冻结机组，并将主力冻结机组温度调节至设计温度T₃，进入维护冻结阶段，当冻结壁的厚度大于设计值时，开启限位冻结机组，并保持该循环酒精流速为w₃直至冻结壁厚度达到设计值。在整个冻结过程中，每间隔时间Δt进行一次数据采集。

在相似准则中，由于实验选用现场的原状土，所以C_c＝1，C_B＝1，可得C_θ＝1，即因此温度设计值T₁＝-30℃，T₂＝-30℃，T₃＝-25℃都与施工现场控制温度相同；由相似准则得，现场的主力冻结时间为70天，加强冻结时间为20天，因此得到所述时间设计值t₁＝138min，t₂＝40min。

根据能量相等的原则，现场选用酒精代替CaCl₂进行制冷时，模拟主力冻结管43内对应的流速为7.225m/h，模拟加强冻结管46内对应的流速为17.92m/h，模拟限位管44内对应的流速为5.902m/h,根据雷诺准则得C_w＝1/C_l＝1/27，对应的流速设计值w₁＝195m/h，w₂＝484m/h，w₃＝159m/h。根据几何相似比C_l＝27，得冻结壁的厚度设计值为74mm；将测试时间间隔设计值设为Δt＝3min。冻结壁的厚度通过温度测点的数据进行判断，当位于管幕内侧的测点以及位于管幕外侧的测点温度达到-2℃时，即认为形成的冻结壁达到了设计要求。

步骤六、开挖与支护模拟；

进行衬砌相似模型48的组装，并在衬砌相似模型的拱腰位置贴设两片应变片。

当冻结壁的厚度达到设计要求后，移除箱体本体正面及背面开挖面处的塑料泡沫，并切断箱体本体正面以及背面盖板处的加劲肋115，移除箱体盖板17；从箱体本体的两侧同时进行开挖，按预设开挖速度A控制开挖速度。

开挖结束之后，立即进行衬砌支护。

预设开挖速度为0.1m/min。

在整个开挖与支护模拟的过程中，每间隔时间Δt进行一次数据采集。

步骤七、关闭主力冻结循环和加强冻结循环，只保持限位冻结循环，进行强制解冻，直至冻结壁解冻，拆卸实验设备；

步骤八、选取组合二，重复步骤三、步骤四、步骤五、步骤六和步骤七；

步骤九、选取组合三，重复步骤三、步骤四、步骤五、步骤六和步骤七；

步骤十、选取组合四，重复步骤三、步骤四、步骤五、步骤六和步骤七；

步骤十一、选取组合五，重复步骤三、步骤四、步骤五、步骤六和步骤七；

步骤十二、实验数据处理。

实验数据处理的具体内容为：以组合一为例，将每一根热电偶串上每个温度测点的数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点温度随时间的变化规律；将每个位移测点的数据绘制成位移随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点位移随时间的变化规律，将3个测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置的冻胀分布规律；将通过每一个压力盒测得的数据绘制成压力随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点压力随时间的变化规律，将三个测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置的冻结压力的分布规律；同样地，绘制组合二、组合三、组合四以及组合五的相关曲线图。

对比最终时刻五种方案的位移测试数据，得出冻胀最小的组合方案；对比五种方案的温度分布情况，得出平均温度最低的组合方案以及达到设计厚度用时最短的组合方案；为管幕冻结法的进一步推广运用提出指导意见。

需要说明的是，关于该方法中涉及的各设备的描述可参见上述装置中关于各对应设备的描述，此处不再一一赘述。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验装置，其特征在于，所述装置包括：实验平台、加载系统、土体、钢管支架、模拟顶管、冻结系统和数据采集系统；

所述实验平台用于提供安装空间；

所述加载系统包括：

箱体，安装在所述实验平台上；

反力架，位于所述箱体上方并固定安装在所述实验平台上；

液压缸，置于所述反力架和所述箱体之间；

所述土体置于所述箱体内；

所述钢管支架置于所述土体内，用于支撑定位多个所述模拟顶管；

多个所述模拟顶管活动安装在所述钢管支架上以形成管幕并置于所述土体内；

所述冻结系统用于对所述管幕进行冻结以形成冻结壁；

所述数据采集系统用于采集所述管幕的温度信息、位移信息和压力信息；所述数据采集系统包括温度监测子系统、位移监测子系统和压力监测子系统。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述箱体的正面按照管幕分布外轮廓线形成有第一孔洞，所述箱体的背面按照开挖面轮廓线形成有第二孔洞；

所述加载系统还包括：前加劲肋、后加劲肋、前盖板和后盖板，所述前加劲肋连接在所述箱体的正面外侧，所述前盖板与开挖面形状相同，并与所述前加劲肋连接且置于所述第二孔洞中，所述后加劲肋连接在所述箱体的后面外侧，所述后盖板与所述开挖面形状相同，并与所述后加劲肋连接，且封堵于所述第一孔洞。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述顶管支架包括：两块竖板、角钢、连接件；

所述竖板上按照管幕分布轮廓线形成有与多个所述模拟顶管一一对应的圆孔，在所述竖板的底端侧面连接有所述角钢，两块所述竖板间隔设置且经与角钢连接的所述连接件连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集系统的温度监测子系统用于采集所述管幕的温度信息，所述温度监测子系统包括：多个热电偶串、数据采集仪和第一电脑；

在所述热电偶串上分布有3个温度测点，每间隔两根所述模拟顶管设置一个所述热电偶串，所述热电偶串设置在相邻两根所述模拟顶管的中间位置，多个所述热电偶串布置在一个温度测试平面上；

所述数据采集仪与所述热电偶串连接；

所述第一电脑与所述数据采集仪连接，用于分析处理所述温度信息。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集系统的位移监测子系统用于采集所述管幕的位移信息，所述位移监测子系统包括：3个应变仪、3根位移测杆、第二电脑；

在每个所述位移测杆上布置一个所述应变仪，3根所述位移测杆分为中间位移测杆、左位移测杆和右位移测杆，所述中间位移测杆埋设在所述冻结壁的正上方以监测隧道顶部的土地位移情况，所述左位移测杆和右位移测杆分别埋设在所述中间位移测杆的两侧以监测隧道拱腰位置的土地位移情况；

所述第二电脑与所述应变仪连接，用于分析处理所述位移信息。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集系统的压力监测子系统用于采集所述管幕的压力信息，所述压力监测子系统包括：5个压力盒、压力采集仪和第三电脑；

5个压力盒分为：中间压力盒、第一左压力盒、第二左压力盒、第一右压力盒和第二右压力盒，所述中间压力盒埋设在所述管幕的正上方并贴于所述冻结壁的外缘，所述第一左压力盒和第一右压力盒以对称方式分别埋设在所述中间压力盒的左右两侧并贴于所述冻结壁的外缘，所述第二左压力盒和所述第二右压力盒以对称方式埋设在所述中间压力盒的左右两侧并贴于所述冻结壁的外缘，所述第二左压力盒与所述第二右压力盒之间的距离大于所述第一左压力盒与第一右压力盒之间的距离；

所述压力采集仪与所述压力盒连接；

所述第三电脑与所述压力采集仪连接，用于分析处理所述压力信息。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加载系统还包括：高压螺杆；

所述反力架呈十字形；

所述高压螺杆的一端固定在所述实验平台上，另一端通过螺帽与所述反力架的端部的上表面接触。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加载系统还包括：承压杆，所述承压板呈水平设置且上表面与所述反力架的下表面接触，所述承压板的下表面与所述液压缸的活塞杆接触。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冻结系统包括：冻结机组、分流器和冻结管；

所述冻结机组包括：主力冻结机组、加强冻结机组和限位冻结机组，所述主力冻结机组内循环的制冷剂温度、加强冻结机组内循环的制冷剂温度和限位冻结机组内循环的制冷剂温度不同；

所述冻结管包括：模拟主力冻结管、模拟加强冻结管和模拟限位管，所述模拟主力冻结管呈U形并置于所述模拟顶管中且所述模拟主力冻结管外壁与所述模拟顶管内壁接触，所述模拟加强冻结管呈U形并置于所述模拟顶管中且所述模拟加强冻结管外壁与所述模拟顶管内壁接触，所述模拟限位管为套管并置于所述模拟顶管中；

所述分流器包括：主力循环去路分流器、主力循环回路分流器、加强循环去路分流器、加强循环回路分流器、限位循环去路分流器和限位循环回路分流器；

制冷剂依次流经所述主力冻结机组、主力循环去路分流器、模拟主力冻结管和主力循环回路分流器并循环以构成主力冻结循环；

制冷剂依次流经所述加强冻结机组、加强循环去路分流器、模拟加强冻结管和加强循环回路分流器并循环以构成加强冻结循环；

制冷剂依次流经所述限位冻结机组、限位循环去路分流器、模拟限位冻结管和限位循环回路分流器并循环以构成限位冻结循环。

10.一种隧道管幕冻结法施工物理模型实验方法，其特征在于，所述实验方法包括如下步骤：

(1)确定几何相似准则，预制模拟顶管、模拟主力冻结管、模拟加强冻结管、模拟限位管、第一类顶管、第二类顶管、第三类顶管、第四类顶管和第五类顶管，所述第一类顶管经将一根所述模拟主力冻结管和一根所述模拟限位管放置在所述模拟顶管中，并浇筑混凝土后制成，所述第二类顶管经将一根所述模拟加强冻结管放置在所述模拟顶管中后制成，所述第三类顶管经将一根所述模拟主力冻结管和一根所述模拟限位管放置在所述模拟顶管中后制成，所述第四类顶管经将一根所述模拟加强冻结管放置在所述模拟顶管中，并浇筑混凝土后制成，所述第五类顶管为模拟顶管；

(2)确定顶管组合，所述顶管组合至少包括第一组合、第二组合、第三组合、第四组合和第五组合中的两个；

所述第一组合为所述第一类顶管与所述第二类顶管各一根交错分布并形成管幕，所述第二组合为所述第一类顶管与所述第四类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，所述第三组合为所述第二类顶管与所述第三类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，所述第四组合为所述第一类顶管与所述第五类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，所述第五组合为所述第一类顶管与所述第五类顶管各一根交错分布并形成所述管幕，并在每两根所述模拟顶管中间土体部分设置一根所述模拟加强冻结管；

(3)实验设备组装；

将顶部开口的箱体放置到实验平台上，将顶管支架放置到所述箱体中的预定位置，按照现场的土层分布情况进行填土，并通过所述箱体正面形成的裂缝按照顶管组合中的一个组合将所述模拟顶管推进所述顶管支架的指定位置，在填土过程中不断振捣以保证土层密实，同时在预定位置埋设用于采集所述管幕温度信息的热电偶串、用于采集所述管幕位移信息的位移测杆和用于采集所述管幕压力信息的压力盒；

填土完成之后通过箱体盖板将开口盖上，引出数据测线，并在箱体盖板上设置加载系统；

在所述箱体表面覆盖一层塑料泡沫；

(4)实验设备调试；

启动所述加载系统，逐渐加压至应力计算值，并稳定预设时间；

(5)冻结模拟；

调节控制主力冻结机组、加强冻结机组和限位冻结机组使冻结壁厚度达到设计值，在整个冻结过程中，每间隔第一预设采集时间进行一次数据采集；

(6)开挖；

移除所述塑料泡沫，并切断所述箱体正面以及背面处的加劲肋，移除盖板；从所述箱体的两侧同时按预设开挖速度进行开挖；

在开挖过程中，每间隔第二预设采集时间进行一次数据采集；

(7)对所述冻结壁进行解冻，拆卸实验设备；

(8)依次选取所述顶管组合中的剩余每个组合，重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)、(7)；

(9)实验数据处理；

对比所述顶管组合中每个组合的温度信息、位移信息和压力信息，获得不同组合的冻胀数据、平均温度数据、达到设计温度用时数据。