CN112213348A - 一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置及方法，装置包括地下区间模拟系统、制冷循环系统和监测系统，地下区间模拟系统包括模型箱以及置于该模型箱内的支撑架、第一隧道、第二隧道和联络通道，联络通道的两端分别连通第一隧道和第二隧道，支撑架分别支撑连接第一隧道和第二隧道；制冷循环系统包括依次连接的低温恒温槽、连接管路和冻结管，冻结管位于联络通道的四周；监测系统包括温度传感器、激光位移计和数据分析模块。与现有技术相比，本发明对含联络通道的地下区间人工冻融施工工况模拟的针对性强，可获得模型试验中含联络通道的地下区间采用人工地层冻结法施工时地层的温度场及位移场，为实际工程应用提供有益参考。

Description

一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地下区间人工冻融试验装置领域，尤其是涉及含联络通道的地下区间人工冻融试验装置及方法。

背景技术

联络通道广泛存在于地铁隧道、公路隧道、海底隧道等地下结构中，是隧道发生险情时人员逃生的重要通道。由于人工地层冻结法形成的冻结帷幕具有高强度、低透水性、无污染及对环境扰动小等优点，因此在软土地区联络通道施工中被广泛应用。然而，人工地层冻结法在冻结阶段引起的地层冻胀和在融化阶段引起的地层融沉均可能导致隧道轴线变形、地表差异变形等，危及地铁运营安全和地表建构筑物安全。目前，国内外诸多学者通过室内小尺寸样品试验提出了地层冻胀和融沉的理论计算模型，其理论计算模型在真实人工地层冻结法施工中的适用性有待考证。另有少数学者通过施工现场监测获得冻结帷幕温度，然而其监测范围过小且监测物理量单一，未能获得完整冻融影响范围内的温度场和位移场。而且施工现场监测耗时久，花费高，提高了研究工作的成本。因此，通过模型试验研究人工地层冻结法在冻结阶段和融化阶段地层中的温度场和位移场是进行地层变形防治的重要手段。

当前，已有的人工地层冻结试验装置多数均不包含隧道及联络通道等地下结构，对含联络通道的地下区间人工地层冻结施工工况的模拟适用性低，如北京城建集团有限责任公司张晋勋等人的发明“大型冻结试验模型箱及模拟试验平台”(CN109239123A)、重庆大学周小平等人的发明“一种用于冻结施工的模拟试验箱”(CN109557128A)、三明学院张会芝等人的发明“一种地下工程冻结试验系统”(CN110726823A)。少数包含隧道或联络通道等地下结构的人工地层冻结试验装置，其目的在于获取试验过程中冻土体内部的水分变化、冻胀融沉压力等，而无法测定由冻结和融化引起的地层变形，如福州地铁集团有限公司、广州地铁设计研究院股份有限公司、中交海峡建设投资发展有限公司、福建工程学院、东华理工大学陈学农等人联合申请的专利“城市地下工程水平冻结模拟装置及试验方法”(CN111189874A)、中铁第一勘察设计院集团有限公司胡双平等人的发明“水平冻结法冻胀融沉受力实验模拟装置”(CN109374463A)。以上试验装置及方法均无法模拟在含联络通道的地下区间采用人工地层冻结法施工时冻结及融化影响范围内地层的温度场及位移场，难以满足当前岩土工程问题研究的需要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在无法模拟在含联络通道的地下区间采用人工地层冻结法施工时冻结及融化影响范围内地层的温度场及位移场的缺陷而提供一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，包括地下区间模拟系统、制冷循环系统和监测系统，

所述地下区间模拟系统包括模型箱以及置于该模型箱内的支撑架、第一隧道、第二隧道和联络通道，所述联络通道的两端分别连通所述第一隧道和所述第二隧道，所述支撑架分别连接所述第一隧道和第二隧道，用于支撑所述第一隧道和第二隧道；

所述制冷循环系统包括低温恒温槽、连接管路和冻结管，所述冻结管位于所述联络通道的四周，所述低温恒温槽通过所述连接管路分别经过所述第一隧道和第二隧道内部，连接所述冻结管的两端；

所述监测系统包括温度传感器、激光位移计和数据分析模块，所述数据分析模块分别连接所述温度传感器和激光位移计，所述模型箱用于放置填充物，所述温度传感器用于检测所述模型箱内填充物的温度变化，所述激光位移计用于检测所述模型箱内填充物中标记点的位移。

进一步地，所述第一隧道和第二隧道均设有用于连接所述冻结管的第二圆孔，所述冻结管穿过所述第二圆孔分别延伸至所述第一隧道和第二隧道的内部，并接入所述连接管路。

进一步地，所述连接管路包括供液管和回液管，所述供液管和回液管均连接所述低温恒温槽，所述供液管和所述回液管分别连接所述冻结管的两端。

进一步地，所述连接管路还包括分液管，所述供液管和所述回液管均分别通过一个所述分液管连接所述冻结管。

进一步地，所述分液管包括由多个无缝钢管拼接制成的第一接口、钢管主体和第二接口，所述第一接口的数量为一个，且连接在所述钢管主体的中央，所述第二接口的数量为多个，所述多个第二接口均匀连接在所述钢管主体的四周，所述第一接口连接所述供液管或所述回液管，所述第二接口连接所述冻结管。

进一步地，所述供液管中设有流量计和三通接头，所述回液管设有三通接头，所述三通接头还连接有流体温度计。

进一步地，所述第一隧道和第二隧道均为空心圆柱结构，所述联络通道为直墙圆拱形结构。

进一步地，所述第一隧道、第二隧道和联络通道均采用硬质铝合金制成。

进一步地，所述支撑架包括隔板、角钢和钢条，所述隔板上设有两个第一圆孔，分别对应所述第一隧道和第二隧道，所述角钢通过钢条互相连接并通过钢条与隔板连接形成整体。

进一步地，所述数据分析模块包括数据采集仪和计算机，所述数据采集仪分别连接所述温度传感器和激光位移计，所述计算机连接所述数据采集仪。

本发明还提供一种采用如上所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1：将填充物填入所述模型箱内；

S2：在所述联络通道上部的填充物中，分层布置分层沉降标和所述温度传感器，在所述联络通道上部的填充物表面布置地表位移测点；

S3：在所述连接管路中填入冷媒，启动所述低温恒温槽，开始冻结阶段，所述低温恒温槽将所述冷媒降温并通过所述连接管路泵送循环；

S4：通过所述温度传感器测量获取冻结阶段不同深度处的填充物温度；通过所述激光位移计测量获取冻结阶段所述分层沉降标的位移量和所述地表位移测点的位移量；

S5：当步骤S4中的所述温度传感器和所述激光位移计的数值变化范围均小于预设的稳定阈值后，关闭所述低温恒温槽，停止冷媒循环。

进一步地，所述方法还包括如下步骤：

S6：所述步骤S5中关闭所述低温恒温槽后，开始融化阶段，通过所述温度传感器测量获取融化阶段不同深度处的填充物温度；通过所述激光位移计测量获取融化阶段所述分层沉降标的位移量和所述地表位移测点的位移量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明设置了第一隧道、第二隧道和联络通道，并通过支撑架悬空固定，在联络通道四周设置冻结管，模拟制冷过程，对含联络通道的地下区间人工冻融施工工况模拟的针对性强；

并设置有温度传感器和激光位移计，可获得模型试验中含联络通道的地下区间采用人工地层冻结法施工时冻结及融化影响范围内地层的温度场及位移场，为实际工程应用提供有益参考。

(2)本发明克服了施工现场监测耗时久、花费高的缺点，节约了研究成本，且本发明模型试验结果可为理论计算模型提供模型验证。

(3)联络通道为直墙圆拱形结构，其几何形状更符合工程实际。

(4)分液管由多个无缝钢管拼接制成，包括一个第一接口、一个钢管主体和多个第二接口，能将供液管内流体均匀分配至冻结管，模拟效果更符合实际。

附图说明

图1为本发明含联络通道的地下区间人工冻融试验装置的平面图；

图2为本发明含联络通道的地下区间人工冻融试验装置的立面图；

图3为本发明支撑架的结构示意图；

图4为本发明分液管的结构主视图；

图5为本发明分液管的结构右视图；

图6为本发明分液管的结构后视图；

图7为本发明实施例中温度传感器测点布置的横向截面示意图；

图8为本发明实施例中分层沉降标测点布置的横向截面示意图；

图9为本发明实施例中地表位移测点布置的俯视图；

图10为采用本发明装置的实验方法的流程示意图；

图中，1、低温恒温槽，2、流量计，3、流体温度计，4、三通接头，5、供液管，6、回液管，7、第一隧道，8、第二隧道，9、联络通道，10、冻结管，11、角钢，12、钢条，13、模型箱，14、隔板，15、数据采集仪，16、计算机，17、分液管，171、第一接口，172、钢管主体，173、第二接口，18、温度传感器，19、激光位移计，20、温度传感器测点，21、分层沉降标测点，22、地表位移测点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，包括地下区间模拟系统、制冷循环系统和监测系统，

地下区间模拟系统包括模型箱13以及置于该模型箱13内的支撑架、第一隧道7、第二隧道8和联络通道9，联络通道9的两端分别连通第一隧道7和第二隧道8，支撑架分别连接第一隧道7和第二隧道8，用于支撑第一隧道7和第二隧道8；

制冷循环系统包括低温恒温槽1、连接管路和冻结管10，冻结管10位于联络通道9的四周，低温恒温槽1通过连接管路分别经过第一隧道7和第二隧道8内部，连接冻结管10的两端；

监测系统包括温度传感器18、激光位移计19和数据分析模块，数据分析模块分别连接温度传感器18和激光位移计19，模型箱13用于放置填充物，温度传感器18用于检测模型箱13内填充物的温度变化，激光位移计19用于检测模型箱13内填充物中标记点的位移。

下面对各部件以及具体实施过程进行详细描述。

1、地下区间模拟系统

第一隧道7和第二隧道8均为空心圆柱结构，联络通道9为直墙圆拱形结构。第一隧道7、第二隧道8和联络通道9均采用采用硬质铝合金制成。

支撑架包括隔板14、角钢11和钢条12，隔板14上设有两个第一圆孔，分别对应第一隧道7和第二隧道8，角钢11通过钢条12互相连接并通过钢条12与隔板14连接形成整体。

2、连接管路

连接管路包括供液管5和回液管6，供液管5和回液管6均连接低温恒温槽1，供液管5和回液管6分别连接冻结管10的两端。

连接管路还包括分液管17，供液管5和回液管6均分别通过一个分液管17连接冻结管10。

第一隧道7和第二隧道8均设有用于连接冻结管10的第二圆孔，冻结管10穿过第二圆孔分别延伸至第一隧道7和第二隧道8的内部，并接入分液管17。

如图4至6所示，分液管17由多个无缝钢管拼接制成，分液管17包括第一接口171、钢管主体172和第二接口173，第一接口171的数量为一个，且连接在钢管主体172的中央，第二接口173的数量为多个，多个第二接口173均匀连接在钢管主体172的四周，第一接口171连接供液管5或回液管6，第二接口连接冻结管10。

供液管5中设有流量计2和三通接头4，回液管6设有三通接头4，三通接头4还连接有流体温度计3。

具体地，本实施例中，低温恒温槽1将冷媒降温至负温，低温恒温槽出液口通过软管依次连接流量计2、三通接头4、供液管5；低温恒温槽进液口通过软管依次连接三通接头4、回液管6。三通接头4岔路端安装流体温度计3监测流入流体和流出流体的温度。

供液管5、回液管6、冻结管10均采用无缝钢管制成，其中的冻结管10穿过第一隧道7、第二隧道8侧壁上的第二圆孔分别延伸至第一隧道7、第二隧道8内部。

3、数据分析模块

数据分析模块包括数据采集仪15和计算机16，数据采集仪15分别连接温度传感器18和激光位移计19，计算机16连接数据采集仪15。

如图10所示，上述含联络通道的地下区间人工冻融试验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1：将填充物填入模型箱13内；

S2：在联络通道9上部的填充物中，分层布置分层沉降标和温度传感器18，在联络通道9上部的填充物表面布置地表位移测点；

S3：在连接管路中填入冷媒，启动低温恒温槽1，开始冻结阶段，低温恒温槽1将冷媒降温并通过连接管路泵送循环；

S4：通过温度传感器18测量获取冻结阶段不同深度处的填充物温度；通过激光位移计19测量获取冻结阶段分层沉降标的位移量和地表位移测点的位移量；

S5：当步骤S4中的温度传感器18和激光位移计19的数值变化范围均小于预设的稳定阈值后，关闭低温恒温槽1，停止冷媒循环；

S6：步骤S5中关闭低温恒温槽1后，开始融化阶段，通过温度传感器18测量获取融化阶段不同深度处的填充物温度；通过激光位移计19测量获取融化阶段分层沉降标的位移量和地表位移测点的位移量。

4、具体实施过程

如图1、图2所示，一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，该装置包括地下区间模拟系统、制冷循环系统和监测系统。

地下区间模拟系统包括模型箱13、支撑架、第一隧道7、第二隧道8、联络通道9，其中联络通道9的两端分别与第一隧道7、第二隧道8相连通。第一隧道7、第二隧道8均为空心圆柱形，均采用硬质铝合金制成，侧壁均设有对应冻结管10的第二圆孔。联络通道9为直墙圆拱形，采用硬质铝合金制成。如图3所示，支撑架包括隔板14、角钢11和钢条12，隔板14上设有对应第一隧道7和第二隧道8的第一圆孔，角钢11通过钢条12互相连接并通过钢条12与隔板14连接形成整体。

制冷循环系统包括低温恒温槽1、流量计2、流体温度计3、三通接头4、供液管5、回液管6、分液管17、冻结管10。供液管5、回液管6、冻结管10均采用无缝钢管制成。如图4所示，分液管17由无缝钢管拼接制成，其一端与供液管5或回液管6连接，另一端与冻结管10连接，将供液管5内流体均匀分配至冻结管10并将冻结管10内流体汇集至回液管6。

监测系统包括温度传感器18、激光位移计19、数据采集仪15、计算机16。

含联络通道的地下区间人工冻融试验装置具体的组装过程如下：

将第一隧道7、第二隧道8一端与钢条12搭接并固定，另一端穿过隔板14上的第一圆孔并延伸至隔板14外侧。将支撑架连同第一隧道7、第二隧道8、联络通道9置于模型箱13中。将冻结管10穿过第一隧道7、第二隧道8侧壁上的第二圆孔分别延伸至第一隧道7、第二隧道8内部。将延伸至第一隧道7内部的冻结管10依次与分液管17、供液管5、三通接头4、流量计2、低温恒温槽1出液口连接；将延伸至第二隧道8内部的冻结管10依次与分液管17、回液管6、三通接头4、低温恒温槽1进液口连接。在三通接头4岔路端安装流体温度计3监测流入流体和流出流体的温度。将温度传感器18、激光位移计19依次与数据采集仪15、计算机16连接。

一种含联络通道的地下区间人工冻融试验方法，该方法采用上述含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，该方法包括如下步骤：

(1)将模型土分层填入模型箱中；

(2)在联络通道上部土体中，布置温度传感器和分层沉降标；在联络通道上部土体表面布置地表位移测点；在本实施例中，温度传感器测点20布置如图7所示，分层沉降标测点21布置如图8所示，地表位移测点22布置如图9所示；

(3)启动低温恒温槽，将冷媒降温并泵送循环，通过流量计监测流体流量，通过三通接头岔路端流体温度计监测流入流体和流出流体的温度；

(4)通过温度传感器测量获取冻结阶段不同深度处土体温度，并根据获得的温度场数据绘制冻结阶段土体温度场分布云图；

(5)通过激光位移计测量获取冻结阶段分层沉降标位移量和地表位移测点位移量，并根据获得的位移场数据绘制冻结阶段土体位移场分布云图；

(6)土体冻结稳定后，关闭低温恒温槽，停止冷媒循环；

(7)通过温度传感器测量获取融化阶段不同深度处土体温度，并根据获得的温度场数据绘制融化阶段土体温度场分布云图；

(8)通过激光位移计测量获取融化阶段分层沉降标位移量和地表位移测点位移量，并根据获得的位移场数据绘制融化阶段土体位移场分布云图。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，包括地下区间模拟系统、制冷循环系统和监测系统，

所述地下区间模拟系统包括模型箱(13)以及置于该模型箱(13)内的支撑架、第一隧道(7)、第二隧道(8)和联络通道(9)，所述联络通道(9)的两端分别连通所述第一隧道(7)和所述第二隧道(8)，所述支撑架分别连接所述第一隧道(7)和第二隧道(8)，用于支撑所述第一隧道(7)和第二隧道(8)；

所述制冷循环系统包括低温恒温槽(1)、连接管路和冻结管(10)，所述冻结管(10)位于所述联络通道(9)的四周，所述低温恒温槽(1)通过所述连接管路分别经过所述第一隧道(7)和第二隧道(8)内部，连接所述冻结管(10)的两端；

所述监测系统包括温度传感器(18)、激光位移计(19)和数据分析模块，所述数据分析模块分别连接所述温度传感器(18)和激光位移计(19)，所述模型箱(13)用于放置填充物，所述温度传感器(18)用于检测所述模型箱(13)内填充物的温度变化，所述激光位移计(19)用于检测所述模型箱(13)内填充物中标记点的位移。

2.根据权利要求1所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，所述第一隧道(7)和第二隧道(8)均设有用于连接所述冻结管(10)的第二圆孔，所述冻结管(10)穿过所述第二圆孔分别延伸至所述第一隧道(7)和第二隧道(8)的内部，并接入所述连接管路。

3.根据权利要求1所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，所述连接管路包括供液管(5)和回液管(6)，所述供液管(5)和回液管(6)均连接所述低温恒温槽(1)，所述供液管(5)和所述回液管(6)分别连接所述冻结管(10)的两端。

4.根据权利要求3所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，所述连接管路还包括分液管(17)，所述供液管(5)和所述回液管(6)均分别通过一个所述分液管(17)连接所述冻结管(10)。

5.根据权利要求4所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，所述分液管(17)包括由多个无缝钢管拼接制成的第一接口(171)、钢管主体(172)和第二接口(173)，所述第一接口(171)的数量为一个，且连接在所述钢管主体(172)的中央，所述第二接口(173)的数量为多个，所述多个第二接口(173)均匀连接在所述钢管主体(172)的四周，所述第一接口(171)连接所述供液管(5)或所述回液管(6)，所述第二接口连接所述冻结管(10)。

6.根据权利要求3所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，所述供液管(5)中设有流量计(2)和三通接头(4)，所述回液管(6)设有三通接头(4)，所述三通接头(4)还连接有流体温度计(3)。

7.根据权利要求1所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，所述支撑架包括隔板(14)、角钢(11)和钢条(12)，所述隔板(14)上设有两个第一圆孔，分别对应所述第一隧道(7)和第二隧道(8)，所述角钢(11)通过钢条(12)互相连接并通过钢条(12)与隔板(14)连接形成整体。

8.根据权利要求1所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置，其特征在于，所述数据分析模块包括数据采集仪(15)和计算机(16)，所述数据采集仪(15)分别连接所述温度传感器(18)和激光位移计(19)，所述计算机(16)连接所述数据采集仪(15)。

9.一种采用如权利要求1至8任一所述的一种含联络通道的地下区间人工冻融试验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将填充物填入所述模型箱(13)内；

S2：在所述联络通道(9)上部的填充物中，分层布置分层沉降标和所述温度传感器(18)，在所述联络通道(9)上部的填充物表面布置地表位移测点；

S3：在所述连接管路中填入冷媒，启动所述低温恒温槽(1)，开始冻结阶段，所述低温恒温槽(1)将所述冷媒降温并通过所述连接管路泵送循环；

S4：通过所述温度传感器(18)测量获取冻结阶段不同深度处的填充物温度；通过所述激光位移计(19)测量获取冻结阶段所述分层沉降标的位移量和所述地表位移测点的位移量；

S5：当步骤S4中的所述温度传感器(18)和所述激光位移计(19)的数值变化范围均小于预设的稳定阈值后，关闭所述低温恒温槽(1)，停止冷媒循环。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

S6：所述步骤S5中关闭所述低温恒温槽(1)后，开始融化阶段，通过所述温度传感器(18)测量获取融化阶段不同深度处的填充物温度；通过所述激光位移计(19)测量获取融化阶段所述分层沉降标的位移量和所述地表位移测点的位移量。

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