CN110118666B - 一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法，主要包括隧道模型仿真系统、地下水仿真循环系统和负温空气制造与循环系统；隧道模型仿真系统包括模型支架、隧道结构和环绕隧道结构外的围岩，并具备温度和冻胀力测试功能；地下水仿真循环系统包括依次连通的保温水箱、补水箱和收集箱；负温空气制造与循环系统包括负温空气制造设备、负温空气储藏箱，负温空气制造设备由空气温控箱控制，可制造不同温度的负温气体；负温空气储箱出气口通过保温供气管与隧道一端连通，隧道另一端通过保温出气管与低温空气储箱进气口连通；隧道围岩温度控制箱、水温控制箱、空气控制箱均与计算机相连接，实现计算机控制。

Description

一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统的实验方法

技术领域

本发明属于隧道实验的技术领域，具体涉及一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法。

背景技术

我国寒区面积分布广泛，交通运输需求旺盛，隧道工程作为穿山越岭的有效方式被广泛采用。在冬季，由于负温环境导致隧道冻害时有发生，一方面表现为冰溜、冰柱、冰塞等结冰问题；另一方面表现为隧道结构受到冻胀力问题导致破损、掉块甚至坍塌问题。如何有效科学的对寒区隧道温度场进行研究至关重要。

目前，已有的寒区隧道温度场的三维室内试验系统存在一定的局限性，由于受到冷库尺寸限制，无法进行模型纵向长度较长的模拟实验。此外，已有的室内试验系统采用的控温方法是对整个模型的外部环境进行降温，这种方法耗能高，不环保，而且模拟围岩温度的加热带需要在冷库室内的低温环境下进行加热，增加了加热带的工作强度，此外由于冷库面积较大所需低温空气较多并且试验要求温度很低，若试验的时间跨度较长，空气压缩机长时间高负载工作容易结霜、损坏，而且能耗过高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统，其包括隧道模型仿真系统、地下水仿真循环系统和负温空气制造与循环系统；

隧道模型仿真系统包括隧道模型，隧道模型包括隧道本体和环绕隧道本体外围的围岩，在隧道结构外侧沿环向、纵向按一定间距布置冻胀力测试原件，在隧道结构和围岩中根据测试要求布置温度传感器；隧道本体内的底部开设排水沟，排水沟内设置温度传感器和流量传感器；隧道模型外围由若干拼接式的控温带包裹，控温带内设置有受围岩地温控制箱连接的电加热器；所述围岩内还设有出水管和若干进水管；

地下水仿真循环系统包括依次连通的保温水箱、补水箱和收集箱；保温水箱与供水管一端连接，供水管的另一端实现分流；收集箱与出水管连通；补水箱内置泵机，泵机通过补水管与保温水箱连通；保温水箱内设置水位传感器和温度传感器，水位传感器、温度传感器和泵机均与水温控制箱电连接；

负温空气制造与循环系统包括负温空气制造设备、负温空气储藏箱，负温空气制造设备由空气温控箱控制；负温空气储箱出气口通过保温供气管与隧道进风端连通，隧道出风端通过保温出气管与低温空气储箱进气口连通；

水温控制箱、空气温控箱和围岩地温控制箱均与计算机电连接。

优选地，隧道进气口处安装风向控制板，靠近隧道进气口处安装变频风机，变频风机与计算机相连接。

优选地，围岩顶部等间距的分布若干条进水管。

优选地，围岩顶部等间距的分布五条进水管。

优选地，供水管、保温供气管上安装流量监控器。

优选地，水温控制箱内集成有自动补水电路，自动补水电路包括AT89S51 芯片，AT89S51芯片的3.3V和DI0端与水位传感器连接，D01端和24V端与继电器线圈连接；所述继电器触点作为开关设置于泵机的三相电源端。

一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统的实验方法，包括：

S1、根据隧道洞口段设防的保温段长度、隧道横断面尺寸和冻结时间，确定隧道结构与围岩的几何相似比与时间相似比；

S2、根据现场寒区隧道结构与围岩的力学、热力学参数及地下水条件，配置满足要求的隧道结构与围岩相似材料；

S3、按照依托工程实际工况的横断面尺寸和几何相似比，制作隧道模型的模具，并采用石膏、铁丝网、水、铁粉、防渗胶水等材料，制作隧道模型，对于长、大隧道模型，采用分段制作、封闭拼装的方式完成；

S4、确定隧道模型的边界，主要包括上、下、左、右四个边界，及边界处的温度和热流密度；对于浅埋隧道，上边界取至地表；对于深埋隧道段，根据洞内负温气流影响范围确定边界；模型进口边界以实际边界为准，出口边界设置为恒温边界或参照实际温度设置；

S5、在控温带上分层填筑制作好的围岩相似材料，预埋地下水出水管；

S6、继续填筑围岩相似材料直至隧道结构地板设计标高，期间在设计位置预埋控温带温度测点、围岩温度和冻胀压力测点；

S7、安装隧道结构模型，并完成模型的纵向组装，在设计位置埋置相应的温度和冻胀压力测点，在纵向排水沟内埋置温度和流速测点；

S8、调节支架两端的高度，使隧道模型的纵坡与设计相符；

S9、继续填筑围岩材料，在围岩中预埋相应温度、压力测点和管路，完成整个围岩隧道结构模型，并将所有测点和数据采集系统及计算机相连接；

S10、将拼接控温带两端闭合，保证对整个模型外边界的温控效果；

S11、将保温水箱中的水通过供水管与隧道模型连通，在供水管上安装流量控制器，采用流量、压力双控方式对供水管路进行控制，实现地下水在排水沟或围岩中的可控流动，当排水沟或围岩中的水开始结冰并堵塞管路时，通过压力控制来被动降低供水管路的进水量，当冰融化时也可以加大进水量；

S12、将低温空气仓的出气口和进气口分别与隧道的入口和出口连通，在隧道入口处连接变频风机，根据需要设置的隧道洞口处的风向、风速，设置好变频风机的位置和速度；

S13、检查温度、水量、水温等各测点与采集系统和计算机的连接情况，避免误连；

S14、通过补水箱向保温水箱内注水，对地下水循环系统和低温空气循环系统的工作状态和性能进行测试；

S15、启动拼接控温带，将洞口风温调节子系统的温度设定为隧道现场温度，并开始记录各类测点的测试数据；

S16、启动压缩机调节洞口风温，然后对保温水箱内的水温进行初步调节，使之达到设定水温，启动地下水循环系统，完成地下水供水管路中的水温、流量的精确调节；

S17、正式开始试验工作，维持相应的边界条件，保持各项数据的实时采集，直至试验结束。

本发明提供的环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法，具有以下有益效果：

本发明可用于三维实验对寒区隧道温度场的研究，得到地温、水温和气温三者之间的相互影响；且对模型的纵向长度没有限制，可以对纵向长度较长的隧道进行模拟研究，而现有技术由于冷库尺寸的限制，无法进行模型纵向长度较长的模拟实验，且在冷库内进行实验，需要对冷库整体温度进行调节(包括加热或降温)需要消耗大量的能量，不具有普遍性和经济性。而本发明利用冷空气循环和地下水循环的方法减少能耗，而且围岩控温带不需要在负温环境下工作，可以保证其加热效果，此外，还可以摆脱原有试验方法对模型尺寸的限制。

除此，本发明能够对隧道洞口的风温、风速、风向进行精确地控制，模拟寒区隧道洞口的小气候环境从而研究其对寒区隧道的冻害影响；对低温空气和地下水对进行了循环利用，更加节能，环保；能够全程实时监测空气、地下水、隧道结构和围岩的温度变化情况。

附图说明

图1为环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法的结构图。

图2为环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法隧道模型的侧视图。

图3为环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统及其实验方法自动补水电路。

图4为浅埋或者洞口段隧道冻害仿真室内实验隧道模型的侧视图。

图5为浅埋或者洞口段隧道冻害仿真室内实验结构图。

图6为浅埋或者洞口段隧道冻害仿真室内实验剖视图。

其中，1、保温水箱；2、隧道模型；3、负温空气储藏箱；4、计算机；5、补水箱；6、收集箱；7、水温控制箱；8、围岩地温控制箱；9、空气温控箱； 10、负温空气制造设备；11、补水管；12、泵机；13、补水口；14、供水管； 15、流量监控器；16、保温供气管；17、控温带；18、风向控制板；19、支架； 20、变频风机；21、隧道本体；22、排水沟；23、出水管；24、进水管；25、保温外壳。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，针对深埋隧道冻害仿真室内实验，参考图1和图2，本方案的环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统，包括隧道模型仿真系统、地下水仿真循环系统和负温空气制造与循环系统。

隧道模型仿真系统中的隧道模型2包括隧道本体21和环绕隧道本体21外围的围岩，在隧道结构外侧沿环向、纵向按一定间距布置压力盒等冻胀力测试原件，在隧道结构和围岩中按测试要求布置高精度温度传感器，可以获得隧道模型全空间的温度分布规律。

隧道本体21内的底部开设排水沟22，排水沟22的入口通过水管与保温水箱1连通，其出口与收集箱6连通，用于收集用水，节约资源。排水沟22内设置温度传感器和流量传感器，用于对进入隧道和围岩的地下水流速与温度进行实时监测和控制，在围岩结构底部预埋出水管23，设置一定坡度以便水的排出，排出的水用收集箱6收集，在沉淀过滤后可以循环利用。

围岩内顶部等间距的分布有多条进水管24，考虑实验效果和时效，优选五条进水管24，进水管24与出水管23连通，出水管23将地下水回收至收集箱6 内。

其中，温度传感器、围岩温度传感器和流量传感器均与计算机4连接，用于将采集的信息传送至计算机4端。

围岩外围由若干拼接式的控温带17包裹，控温带17内设置有受围岩地温控制箱8连接的电加热器，围岩地温控箱8控制电加热器的开启和关闭。通过电加热器的加热实现隧道模型2外边界温度的自动精确控制，以模拟隧道围岩远处恒定的地温环境。

地下水仿真循环系统包括依次连通的保温水箱1、补水箱5和收集箱6，保温水箱1与供水管14一端连接，供水管14的另一端实现分流，且供水管14具有单向止回功能，防止回水；收集箱6与出水管23连通，出水管23具有单向止回功能。

其中，其中，供水管14、保温供气管16上安装流量监控器，供水、供气和出水、出气管均具有单向止回功能。补水箱5上开设有补水口13，补水口13与自来水连通，用于补水。

补水箱5内置泵机12，泵机12通过补水管11与保温水箱1连通，用于补充保温水箱1内的水，保温水箱1内设置水位传感器和温度传感器，水位传感器用于实时监控当前保温水箱1内的水位。

水位传感器、温度传感器和泵机12均与水温控制箱7电连接，从而实现保温水箱1内水温和水位的伺服控制。

参考图3，水温控制箱7内集成有自动补水电路，自动补水电路包括AT89S51 芯片，AT89S51芯片的3.3V和DI0端与水位传感器连接，D01端和24V端与继电器线圈连接；继电器触点作为开关设置于泵机12的三相电源端。

自动补水电路的工作原理为：

水位传感器实时采集保温水箱1内的水位信息，并将该水位传送至AT89S51 芯片内，将得到的水位信息和预设的最低水位信息进行比较，若当前水位低于预设的最低水位，则继电器的线圈KM2得电，进而继电器触点KM1闭合，泵机12得电开启，并将补水箱5内的水泵入保温水箱1内；当保温水箱1内的水位高于预设的最高水位时，AT89S51芯片控制继电器的线圈KM2失电，继电器触点KM1断开，泵机12电源断开，停止向保温水箱1内供水。

本发明循环使用地下水，节约能源，且实现保温水箱1的自动补水，减少人力投入。

负温空气制造与循环系统包括负温空气制造设备10、负温空气储藏箱3，负温空气制造设备由空气温控箱9控制，可制造不同温度的负温气体；负温空气储藏箱3出气口通过保温供气管16与隧道进风端连通，隧道出风端通过保温供气管16与负温空气储藏箱3进气口连通，进气管和出气管均有单向止回功能.

负温空气制造设备10为空气压缩机，安装于负温空气储藏箱3外部，用来提供负温空气，通过空气温控箱9可以控制冷库内空气的温度，冷空气经过隧道出口后会用管道收集循环利用。循环使用回收的冷空气，相比每次使用外部空气，并再次降温，可降低压缩机的制冷能量的消耗，减少大量的能源损失。

隧道进气口处安装风向控制板18，靠近隧道进气口处安装变频风机20，变频风机20与计算机4电连接。

通过风向控制板18实现对风向的调节，配合变频风机20对隧道洞口的风温、风速、风向进行精确地控制，模拟寒区隧道洞口的小气候环境从而研究其对寒区隧道的冻害影响。

根据本发明的一个实施例，针对深埋隧道冻害仿真室内实验，一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统的实验方法，包括：

S1、根据隧道洞口段设防的保温段长度、隧道横断面尺寸和冻结时间，确定隧道结构与围岩的几何相似比与时间相似比；

S2、根据现场寒区隧道结构与围岩的力学、热力学参数及地下水条件，配置满足要求的隧道结构与围岩相似材料；

S3、按照依托工程实际工况的横断面尺寸和几何相似比，制作隧道模型的模具，并采用石膏、铁丝网、水、铁粉、防渗胶水等材料，制作隧道模型，对于长、大隧道模型，采用分段制作、封闭拼装的方式完成；

S4、确定隧道模型的边界，主要包括上、下、左、右四个边界，及边界处的温度和热流密度；对于浅埋隧道，上边界取至地表；对于深埋隧道段，根据洞内负温气流影响范围确定边界；模型进口边界以实际边界为准，出口边界设置为恒温边界或参照实际温度设置；

S5、在控温带上分层填筑制作好的围岩相似材料，预埋地下水出水管；

S6、继续填筑围岩相似材料直至隧道结构地板设计标高，期间在设计位置预埋控温带温度测点、围岩温度和冻胀压力测点；

S7、安装隧道结构模型，并完成模型的纵向组装，在设计位置埋置相应的温度和冻胀压力测点，在纵向排水沟内埋置温度和流速测点；

S8、调节支架两端的高度，使隧道模型的纵坡与设计相符；

S9、继续填筑围岩材料，在围岩中预埋相应温度、压力测点和管路，完成整个围岩隧道结构模型，并将所有测点和数据采集系统及计算机相连接；

S10、将拼接控温带两端闭合，保证对整个模型外边界的温控效果；

S11、将保温水箱中的水通过供水管与隧道模型连通，在供水管上安装流量控制器，采用流量、压力双控方式对供水管路进行控制，实现地下水在排水沟或围岩中的可控流动，当排水沟或围岩中的水开始结冰并堵塞管路时，通过压力控制来被动降低供水管路的进水量，当冰融化时也可以加大进水量；

S12、将负温空气储藏箱3的出气口和进气口分别与隧道的入口和出口连通，在隧道入口处连接变频风机，根据需要设置的隧道洞口处的风向、风速，设置好变频风机的位置和速度；

S13、检查温度、水量、水温等各测点与采集系统和计算机的连接情况，避免误连；

S14、通过补水箱向保温水箱内注水，对地下水循环系统和低温空气循环系统的工作状态和性能进行测试；

S15、启动拼接控温带，将洞口风温调节子系统的温度设定为隧道现场温度，并开始记录各类测点的测试数据；

S16、启动压缩机调节洞口风温，然后对保温水箱内的水温进行初步调节，使之达到设定水温，启动地下水循环系统，完成地下水供水管路中的水温、流量的精确调节；

S17、正式开始试验工作，维持相应的边界条件，保持各项数据的实时采集，直至试验结束。

本发明可用于三维实验对寒区隧道温度场的研究，得到地温、水温和气温三者之间的相互影响；且对模型的纵向长度没有限制，可以对纵向长度较长的隧道进行模拟研究，而现有技术由于冷库尺寸的限制，无法进行模型纵向长度较长的模拟实验，且在冷库内进行实验，需要对冷库整体温度进行调节(包括加热或降温)需要消耗大量的能量，不具有普遍性和经济性。而本发明利用冷空气循环和地下水循环的方法减少能耗，而且围岩控温带不需要在负温环境下工作，可以保证其加热效果，此外，还可以摆脱原有试验方法对模型尺寸的限制。

除此，本发明能够对隧道洞口的风温、风速、风向进行精确地控制，模拟寒区隧道洞口的小气候环境从而研究其对寒区隧道的冻害影响；对低温空气和地下水对进行了循环利用，更加节能，环保；能够全程实时监测空气、地下水、隧道结构和围岩的温度变化情况。

根据本申请的一个实施例，参考图4-图6，针对浅埋或者洞口段隧道冻害仿真室内实验，其结构不同于深埋隧道冻害仿真室内实验。其区别在于隧道结构覆盖层的厚度结合实际工程而定，且不覆盖拼接控温带。

除此，在隧道模型2外部套设一保温外壳25，保温外壳25可以为金属材质，保温外壳25和隧道模型2之间形成一环形空间；供气管16的进气口分别将负温气体输送至隧道21和环形空间中，负温空气在保温外壳25和隧道模型2之间的环形空间中流动，同时也在隧道2中流动；最后环形空间中流动的负温空气和隧道2中流动的负温空气均从供气管出气口流回至负温空气储藏箱3中，用于模拟寒区浅埋或者洞口段隧道冻害仿真室内实验。

针对本实施例的浅埋或者洞口段隧道冻害仿真室内实验，其实验方法与深埋隧道冻害仿真室内实验的实验方法相同，故不再赘述。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种环保型寒区隧道冻害仿真室内实验系统的实验方法，其特征在于，包括：

隧道模型仿真系统、地下水仿真循环系统和负温空气制造与循环系统；

所述隧道模型仿真系统包括隧道模型，隧道模型包括隧道本体和环绕隧道本体外围的围岩，在隧道结构外侧沿环向、纵向按一定间距布置冻胀力测试原件，在隧道结构和围岩中根据测试要求布置温度传感器；所述隧道本体内的底部开设排水沟，排水沟内设置温度传感器和流量传感器；所述隧道模型外围由若干拼接式的控温带包裹，控温带内设置有受围岩地温控制箱连接的电加热器；所述围岩内还设有出水管和进水管；

所述地下水仿真循环系统包括依次连通的保温水箱、补水箱和收集箱；所述保温水箱与供水管一端连接，供水管的另一端实现分流；所述收集箱与出水管连通；所述补水箱内置泵机，泵机通过补水管与保温水箱连通；所述保温水箱内设置水位传感器和温度传感器，水位传感器、温度传感器和泵机均与水温控制箱电连接；

所述负温空气制造与循环系统包括负温空气制造设备、负温空气储藏箱，负温空气制造设备由空气温控箱控制；所述负温空气储藏箱出气口通过保温供气管与隧道进风端连通，隧道出风端通过保温供气管与负温空气储藏箱进气口连通；

所述水温控制箱、空气温控箱和围岩地温控制箱均与计算机电连接；所述隧道进风端处安装风向控制板，靠近隧道进风端处安装变频风机，变频风机与计算机相连接；

所述围岩顶部等间距的分布五条进水管；

所述供水管、保温供气管上安装流量监控器；

所述水温控制箱内集成有自动补水电路，自动补水电路包括AT89S51芯片，AT89S51芯片的3.3V和DI0端与水位传感器连接，D01端和24V端与继电器线圈连接；所述继电器触点作为开关设置于泵机的三相电源端；

S1、根据隧道洞口段设防的保温段长度、隧道横断面尺寸和冻结时间，确定隧道结构与围岩的几何相似比与时间相似比；

S2、根据现场寒区隧道结构与围岩的力学、热力学参数及地下水条件，配置满足要求的隧道结构与围岩相似材料；

S3、按照依托工程实际工况的横断面尺寸和几何相似比，制作隧道模型的模具，并采用石膏、铁丝网、水、铁粉、防渗胶水材料，制作隧道模型，对于长、大隧道模型，采用分段制作、封闭拼装的方式完成；

S4、确定隧道模型的边界，主要包括上、下、左、右四个边界，及边界处的温度和热流密度；对于浅埋隧道，上边界取至地表；对于深埋隧道段，根据洞内负温气流影响范围确定边界；模型进口边界以实际边界为准，出口边界设置为恒温边界或参照实际温度设置；

S5、在控温带上分层填筑制作好的围岩相似材料，预埋地下水出水管；

S6、继续填筑围岩相似材料直至隧道结构地板设计标高，期间在设计位置预埋控温带温度测点、围岩温度和冻胀压力测点；

S7、安装隧道结构模型，并完成模型的纵向组装，在设计位置埋置相应的温度和冻胀压力测点，在纵向排水沟内埋置温度和流速测点；

S8、调节支架两端的高度，使隧道模型的纵坡与设计相符；

S9、继续填筑围岩材料，在围岩中预埋相应温度、压力测点和管路，完成整个围岩隧道结构模型，并将所有测点和数据采集系统及计算机相连接；

S10、将拼接控温带两端闭合，保证对整个模型外边界的温控效果；

S11、将保温水箱中的水通过供水管与隧道模型连通，在供水管上安装流量控制器，采用流量、压力双控方式对供水管路进行控制，实现地下水在排水沟或围岩中的可控流动，当排水沟或围岩中的水开始结冰并堵塞管路时，通过压力控制来被动降低供水管路的进水量，当冰融化时也可以加大进水量；

S12、将负温空气储藏箱的出气口和进气口分别与隧道的入口和出口连通，在隧道入口处连接变频风机，根据需要设置的隧道洞口处的风向、风速，设置好变频风机的位置和速度；

S13、检查温度、水量、水温各测点与采集系统和计算机的连接情况，避免误连；

S14、通过补水箱向保温水箱内注水，对地下水循环系统和低温空气循环系统的工作状态和性能进行测试；

S15、启动拼接控温带，将洞口风温调节子系统的温度设定为隧道现场温度，并开始记录各类测点的测试数据；

S16、启动压缩机调节洞口风温，然后对保温水箱内的水温进行初步调节，使之达到设定水温，启动地下水循环系统，完成地下水供水管路中的水温、流量的精确调节；

S17、正式开始试验工作，维持相应的边界条件，保持各项数据的实时采集，直至试验结束。

Images