CN113702415A - 滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于地铁隧道领域，涉及滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，适用于地铁联络通道冻结法施工界面效应研究。一种滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，其特征在于，包括三个子系统：制冷系统、界面模拟系统、土体检测系统。本申请装置可模拟现实中地铁联络通道冻结法施工冻土帷幕的形成及消融全过程，可对地铁联络通道冻结法施工中多种界面进行模拟的优点，可模拟研究多种土层环境下地铁联络通道的冻结法施工的界面效应，可实现对试验过程中的土层性质多维度监测，具有还原度高、可适用范围广、数据精确度高、操作简单的优点。

Description

滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统

技术领域

本发明属于地铁隧道领域，涉及滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，适用于地铁联络通道冻结法施工界面效应研究。

背景技术

近些年来，随着城市化不断推进，地铁隧道的建设尤为迅速。其中联络通道作为联通、排水及防火作用的通道，在建设中也显现出其特有地位。通常联络通道在开挖前，需要进行地层加固，常见加固方式有地面加固法、隧道内注浆加固法和冻结加固法。冻结加固法作为一种常见方式，已大范围的展开了应用。

冻结法是通过人工制冷技术，将地层中的水冻结成冰，把天然岩土变成人工冻土，形成冻土帷幕，隔绝地下水，提高土体强度及稳定性的地层加固方法。由此，在富含水的滨海软土地层中，冻结法尤为适用。冻土在相邻两隧道间形成筒状的封闭帷幕(冻土帷幕)，帷幕边界与周围环境存在诸多交界面，在界面处冻土与外界发生热交换，造成冷量损失，引起温度场变化，严重时将导致边界冻土融化，使帷幕内外水系贯通，隔水性失效，在联络通道开挖时将引起渗水、涌砂等现象。长期的冷量损失会导致冻结缘持续后移，影响帷幕整体稳定性，严重者将引起联络通道孔壁坍塌，若水土涌入隧道内部，形成大量流失，将引发地层沉陷。由此可以看出，界面效应在冻结法施工当中是一个重要的影响因素。

但目前的冻结法模型试验设备无法对冻结法施工的界面效应进行研究，导致对于界面效应引起的帷幕状态变化相关研究较少。因此，为了克服现有冻结法模型试验设备无法对冻结法施工的界面效应进行研究的不足，发明了滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统。

发明内容

为了克服现有冻结法模型试验设备无法对冻结法施工的界面效应进行研究的不足，本发明提供了滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，能够有效避免现有试验装备的不足。本装置不但可以模拟实际的地铁联络通道冻结法施工冻土帷幕的形成及消融过程，还原度高，而且适用范围广，操作简单，造价低。

一种滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，其特征在于，包括三个子系统：制冷系统、界面模拟系统、土体检测系统；

所述制冷系统，包括进出软管及保温层、冷源发射体、冻结液(105)、制冷机(108)、计算机控温面板(109)、冻结液流量控制面板(110)，所述软管及保温层、冷源发射体、制冷机(108)形成回路，冻结液(105)由制冷机(108)产出并进入回路，通过回路送入冷源发射体中，所述冷源发射体置于界面模拟系统内；进一步的，冷源发射体包括多根冻结管(103)，共有8根，呈正八边形分布，以及包括位于两侧的分水器(104)，多根冻结管连接两侧的分水器；所述计算机控温面板(109)用于控制冻结液(105)的温度，从而控制制冷系统的试验环境温度，所述冻结液流量控制面板(110)用于控制制冷机的工作；

界面模拟系统包括冻融模型箱(210)，四壁为空心夹层结构，底板为实心，冻融模型箱内放置待测土体(212)，土体底部与底板直接接触，土体与空心夹层壁之间设置保温填充材料211后再接触，土体上部与空气直接接触；

所述界面模拟系统，还包括由钢管片(209)制的隧道模型管，以及隔热措施层；

所述隧道模型管设置于中央发射体的中心，隧道模型管与中央发射体在冻融模型箱内都呈轴向布置；

分布于隧道模型管与冻结管(103)之间的为内侧土体；分布于冻融模型箱夹层结构与冻结管(103)之间的为外侧土体；

在冻融模型箱内，其轴向：包括隔热措施逐级降低的A、B、C三阶土体界面模拟系统区域，所述隧道模型管在所处的A、B、C三个不同土体界面模拟系统区域内采用与之相匹配的隔热措施层；

在冻融模型箱的外侧土体区域，包括A’、B’、C’三阶土体界面模拟系统，利用冻融模型箱敞开、实心底板、四周夹层结构分别匹配A’、B’、C’三个不同土体界面模拟系统；

所述土体检测系统，包括测温系统、应变仪系统、IDS探地雷达(304)；

应变仪系统包括应变仪(305)和分布于土体分界面上的众多应变片(306)，在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的位移应变进行全过程监测；

测温系统(301)，包括分布于土体分界面上的众多测温探头(302)，测温系统在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的温度进行全过程监测；

IDS探地雷达(304)，在试验期内对冻融模型箱(210)的土体(212)地质情况进行扫描监测。

进一步的，所述进出软管包括冻结液回路软管(101)、冻结液去路软管(106)；所述保温层采用保温海绵(102)，用于包裹于进出软管的外侧。

进一步限定，所述冻结液(105)，采用与实际工程相同的盐水。

进一步限定，冻结液流量控制面板(110)，位于制冷机(108)上，控制冻结液的流量。

本发明给出的滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，适用于地铁联络通道冻结法施工界面效应研究。

该装置具有如下优点：

(1)本申请装置具有可模拟现实中地铁联络通道冻结法施工冻土帷幕的形成及消融全过程，还原度高的优点。本申请装置设计制作了铜材质隧道模型管，以及设计制冷系统作为模拟试验冷源。实现了对现实中地铁联络通道冻结法施工冻土帷幕的形成及消融全过程的模拟，极大得提高了模拟试验的还原度。

(2)本申请装置具有可对地铁联络通道冻结法施工中多种界面进行模拟的优点。本申请装置通过制冷系统1对冻融模型箱210土体212进行冻结。待土体212冻结交圈后，将以冻结管103布置圈为中心环，形成具有一定厚度的筒状冻土帷幕，中心环内外两侧均有冻土分布。

内侧冻土与隧道模型管不同接触物形成：包裹隔热泡沫钢管片-土体界面模拟系统，涂有隔热涂料钢管片-土体界面模拟系统，钢管片-土体界面模拟系统；

外侧冻土：与空气接触形成空气-土体界面模拟系统，与模型箱箱壁接触形成含保温填充材料夹层钢管片-土体界面模拟系统，与模型箱箱底接触形成钢管片-土体界面模拟系统。实行对地铁联络通道冻结法施工多种界面的模拟，探究不同界面对与冻土帷幕的影响。

(3)本申请装置具有适用范围广，可模拟研究多种土层环境下地铁联络通道的冻结法施工的界面效应的优点。本申请装置通过将装填在冻融模型箱210的土体212作为研究对象，研究地铁联络通道冻结法施工的界面效应。选择不同物理性质的土地212，模拟的土层环境也就不同。利用不同物理性质的土体212，即可模拟不同土层环境下地铁联络通道冻结法界面效应，适用范围广。

(4)本申请装置具有可实现对试验过程中的土层性质多维度监测，试验所得数据交相验证，精确度高的优点。本申请装置通过测温系统301、应变仪系统以及外设的IDS探地雷达304，实现对土层性质的多维度监测。通过对比所得数据，互相进行验证，实现了试验全过程的多维度监测，提高了试验精确度。

(5)本申请装置具有操作简单的优势。

附图说明

图1为冻融模型箱剖面图

图2冻融模型箱主视图

图3为冻融模型箱侧视图

图4为冻融模型箱A段应变片布置示意图

图5为冻融模型箱B段应变片布置示意图

图6为冻融模型箱C段应变片布置示意图

图7为冻融模型箱A段温度测点布置示意图

图8为冻融模型箱B段温度测点布置示意图

图9为冻融模型箱C段温度测点布置示意图

图10为冻结管、分水器及冻结液去回路三维布置图

图11为试验系统运行冻土帷幕扩散示意图

图12为冻融模型箱A段各模拟界面示意图

图13为冻融模型箱B段各模拟界面示意图

图14为冻融模型箱C段各模拟界面示意图

具体实施方式

如图1至图14所示，滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，主要包括三个系统：

制冷系统、界面模拟系统、土体检测系统。

制冷系统，包括冻结液回路软管101、保温海绵102、冻结管103、分水器104、冻结液105、冻结液去路软管106、软管接头107、制冷机108、计算机控温面板109、冻结液流量控制面板110。

冻结液回路软管101，共有两根。一根固定在制冷机108上，另一根连接分水器104，一端与分水器104相连，另一端为软管接头107，使用前两根软管通过该接头构成冻结液回路。

保温海绵102，共有两根，分别包裹于冻结液回路软管101与冻结液去路软管106的外侧。避免在冻结液105的循环制冷过程发生冷量损失，影响制冷系统1的制冷效果。

冻结管103，共有8根呈正八边形分布，固定在分水器104上。

分水器104，共有两个，分别固定在冻融模型箱210的两侧。从制冷机108流出的冻结液105，经冻结液去路软管106流入分水器21。分水器21内部中空,8根冻结管103与分水器104贯通，冻结液105流入冻结管103内，对周围土体212进行冻结，产生冻土帷幕。之后，冻结液105从另一侧的分水器104流出冻结液回路软管101中，最终回到制冷系统108中。

冻结液105，采用与实际工程相同的盐水。从制冷机108中流出，经冻结液去路软管106、分水器104、冻结管103以及冻结液回路软管101，最终流回制冷机108内，完成一次冻结循环。其温度受计算机控温面板109控制，其流量受冻结液流量控制面板110控制。

冻结液去路软管106，共有两根。一根固定在制冷机108上，另一根位于冻融模型箱210的夹层内，一端与分水器104相连，另一端为软管接头107，使用前两根软管通过该接头构成冻结液去路。

软管接头107共有两个，分别位于冻融模型箱210的两侧，连接冻结液回路软管101和冻结液去路软管106。

制冷机108，通过冻结液去回路软管与冻融模型箱210连成整体。通过计算机控温面板20控制冻结液105的温度，通过冻结液流量控制面板110控制冻结液105的流量

计算机控温面板109。位于制冷机108上，控制冻结液105的温度。

冻结液流量控制面板110，位于制冷机108上，控制冻结液的流量。

界面模拟系统，包括：

包裹隔热泡沫钢管片-土体界面模拟系统A，包括外部包裹隔热泡沫207的隧道模型管A段、A区域的土体212，在该区域内隧道模型管外的隔热泡沫与土体212接触；

涂有隔热涂料钢管片-土体界面模拟系统B，包括外部有隔热涂料208的隧道模型管B段、B区域的土体212，在该区域内隧道模型管外的隔热涂料与土体212接触；

钢管片-土体界面模拟系统C，包括隧道模型管C段、C区域的土体212,在该区域内隧道模型管没有任何保温隔热措施，直接与土体212接触；

此外钢制冻融模型箱210的实心底板与土体212直接接触，也构成了钢管片-土体 界面模拟系统B’；

位于冻融模型箱210内的土体212，在模型箱的顶部直接与外界空气接触，构成空 气-土体界面模拟系统C’。

冻融模型箱210的侧壁为空心钢夹板，内含保温填充材料211,装在模型箱内部的土体212，与其侧壁接触，构成含保温填充材料夹层钢管片-土体界面模拟系统A’。

其中，钢管片-土体界面模拟系统C、空气-土体界面模拟系统C’,为参照对比模拟系统。

所述土体检测系统，包括测温系统、应变仪系统、IDS探地雷达(304)；

应变仪系统包括应变仪(305)和分布于土体分界面上的众多应变片(306)，在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的位移应变进行全过程监测。

测温系统(301)，包括分布于土体分界面上的众多测温探头(302)，测温系统在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的温度进行全过程监测；

IDS探地雷达(304)，在试验期内对冻融模型箱(210)的土体(9)地质情况进行扫描监测。

进一步的，给出一种滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟方法，其特征在于，包括三个过程：

一、搭建步骤；

二、界面模拟步骤；

三、制冷及土体冻结步骤；

四、土体变化检测和研究步骤；

其中：

所述搭建步骤，包括：

1.1包括冻融模型箱(210)，冻融模型箱用于放置待测土体(212)；

1.2包括进出软管及保温层、冷源发射体、冻结液(105)、制冷机(108)、计算机控温面板(109)、冻结液流量控制面板(110)，所述软管及保温层、冷源发射体、制冷机(108)形成回路；冷源发射体设计包括多根冻结管(103)，共有8根，呈正八边形分布，以及包括位于两侧的分水器(104)，多根冻结管连接两侧的分水器；

1.3包括隧道模型管，设置于中央发射体的中心，隧道模型管与中央发射体在冻融模型箱内都呈轴向布置；

所述界面模拟步骤，包括：

2.1构建界面模拟系统，将冷源发射体置于冻融模型箱内，在冻融模型箱内放置由钢管片(209)制的隧道模型管，以及对隧道模型管在管壁不同区段上设置不同隔热措施层，如此：分布于隧道模型管与冻结管(103)之间的为内侧土体；分布于冻融模型箱夹层结构与冻结管(103)之间的为外侧土体；在冻融模型箱内，其轴向：包括隔热措施逐级降低的A、B、C三阶土体界面模拟系统区域，所述隧道模型管在所处的A、B、C三个不同土体界面模拟系统区域内采用与之相匹配的隔热措施层；同时：

2.2将冻融模型箱的四壁设计为空心夹层结构，底板为实心，冻融模型箱内放置待测土体(212)，土体底部与底板直接接触，土体与空心夹层壁之间设置保温填充材料(211)后再接触，土体上部与空气直接接触；在冻融模型箱的外侧土体区域形成包括A’、B’、C’三阶土体界面模拟系统，利用冻融模型箱敞开、实心底板、四周夹层结构分别匹配A’、B’、C’三个不同土体界面模拟系统；

所述制冷及土体冻结步骤，包括：

3.1冻结液(105)由制冷机(108)产出并进入回路，通过回路送入冷源发射体中，所述计算机控温面板(109)用于控制冻结液(105)的温度，从而控制制冷系统的试验环境温度，所述冻结液流量控制面板(110)用于控制制冷机的工作；

3.2冻结液(105)经由冷源发射体内，经历和冻结构建的各个多维度界面模拟系统，对冻融模型箱210内的土体212进行冻结，待土体212冻结交圈后，将以冻结管103布置圈为中心环，形成具有一定厚度的筒状冻土帷幕，中心环内外两侧均有冻土分布；

所述土体变化检测和研究步骤，包括

4.1利用应变仪(305)和分布于土体分界面上的众多应变片(306)，在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的位移应变进行全过程监测；同时

4.2利用分布于土体分界面上的众多测温探头(302)，测温系统在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的温度进行全过程监测；

4.3IDS探地雷达(304)，在试验期内对冻融模型箱(210)的土体(212)地质情况进行扫描监测，探地雷达所得数据与测温系统以及应变仪系统的监测数据相互验证。

进一步的，给出实施例：

1.冻融模型箱210外径为1000mm×1000mm×1000mm，箱壁厚51.5mm，为空心钢夹板，板内装有保温填充材料211作为保温夹层。空心夹板的两侧还分别装有冻结液回路软管101和冻结液去路软管106。两个分水器104固定在冻融模型箱210与软管相同的两侧，冻结管103共八根呈正八边形排布固定在分水器上。

2.设计外径10cm，壁厚5mm的铜管片209材质的隧道模型管。将其沿纵向均分为三段：

第一段为A段，采用隔热泡沫207保温，泡沫在隧道侧壁通过胶水贴合布置，用于模拟包裹隔热泡沫钢管片-土体界面。

B段采用隔热涂料208保温，涂料在隧道侧壁填涂，用于模拟涂有隔热涂料钢管片-土体界面。

C段为不采取保温措施的铜管片12，用于模拟钢管片-土体界面模拟。其中，

C段为对照组，A隧道段以及B隧道段为试验组。

3.将隧道模型管从隧道模型预留孔洞213放入冻融模型箱210箱内。在填土体212前，需确定测温探头302以及应变片306的埋置位置。以A段的布置为例，将隧道模型管从内壁自内而外分为5环4线。如图7所示，第一环隧道内壁，第二环隧道外壁，第三环为冻结管103的圆点连线，第四环和第五环等间距设置。再从隧道截面圆心引出水平竖直方向四条垂直线，每条线与圆环的交点就是测温探头302及应变片306的布置位置。同样的，B和C两段也如此确定位置。

4.选取与滨海软土性质大致相同的土体212，随后从下而上开始往冻融模型箱210分层填土体212，填至埋置预定位置，将测温探头302及应变片306埋置其中，埋置时给导线303填上标签，便于结束时试验结果记录。待模型箱封顶后，将固定在制冷机108的冻结液回路软管101和冻结液去路软管106分别于与冻融模型箱210两侧的软管接头107相接。

5.将通过导线303分别实现测温系统和位移系统的连接，设置记录时间间隔为1min。打开计算机控温面板109和冻结液流量控制面板110，设置流出的冻结液105的温度与流量，进行恒温恒流冻结。待土体212冻结在接触界面交圈后，将以冻结管103布置圈为中心环，形成具有一定厚度的筒状冻土帷幕，中心环内外两侧均有冻土分布，如图12、图13、图14所示(为更形象地描绘各冻土界面模拟系统，将外层冻土帷幕圆环改成了正八边形)。内侧 冻土与隧道模型不同区段接触形成：涉及包裹隔热泡沫钢管片-土体界面模拟系统A，涂有隔热涂料钢管片-土体界面模拟系统B，钢管片-土体界面模拟系统C；

以及外侧冻土：与空气接触形成空气-土体界面模拟系统C’，与模型箱箱壁接触形成含保温填充材料夹层钢管片-土体界面模拟系统A’，与模型箱箱底接触形成钢管片-土体界面模拟系统B’。

6.试验过程中对土体温度进行实时监测，当所有测点温度达稳定状态后，关闭制冷机108，切断冻结液105去回路，对土体212进行自然解冻。同时在试验的冻结期、稳定期、解冻期内，利用IDS探地雷达304对土体212状态进行全过程扫描，探地雷达所得数据可与测温系统301以及应变仪系统305的监测数据相互验证。

Claims (4)

1.一种滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，其特征在于，包括三个子系统：制冷系统、界面模拟系统、土体检测系统；

所述制冷系统，包括进出软管及保温层、冷源发射体、冻结液(105)、制冷机(108)、计算机控温面板(109)、冻结液流量控制面板(110)，所述软管及保温层、冷源发射体、制冷机(108)形成回路，冻结液(105)由制冷机(108)产出并进入回路，通过回路送入冷源发射体中，所述冷源发射体置于界面模拟系统内；进一步的，冷源发射体包括多根冻结管(103)，共有8根，呈正八边形分布，以及包括位于两侧的分水器(104)，多根冻结管连接两侧的分水器；所述计算机控温面板(109)用于控制冻结液(105)的温度，从而控制制冷系统的试验环境温度，所述冻结液流量控制面板(110)用于控制制冷机的工作；

界面模拟系统包括冻融模型箱(210)，四壁为空心夹层结构，底板为实心，冻融模型箱内放置待测土体(212)，土体底部与底板直接接触，土体与空心夹层壁之间设置保温填充材料211后再接触，土体上部与空气直接接触；

所述界面模拟系统，还包括由钢管片(209)制的隧道模型管，以及隔热措施层；

所述隧道模型管设置于中央发射体的中心，隧道模型管与中央发射体在冻融模型箱内都呈轴向布置；

分布于隧道模型管与冻结管(103)之间的为内侧土体；分布于冻融模型箱夹层结构与冻结管(103)之间的为外侧土体；

在冻融模型箱内，其轴向：包括隔热措施逐级降低的A、B、C三阶土体界面模拟系统区域，所述隧道模型管在所处的A、B、C三个不同土体界面模拟系统区域内采用与之相匹配的隔热措施层；

在冻融模型箱的外侧土体区域，包括A’、B’、C’三阶土体界面模拟系统，利用冻融模型箱敞开、实心底板、四周夹层结构分别匹配A’、B’、C’三个不同土体界面模拟系统；

所述土体检测系统，包括测温系统、应变仪系统、IDS探地雷达(304)；

应变仪系统包括应变仪(305)和分布于土体分界面上的众多应变片(306)，在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的位移应变进行全过程监测；

测温系统(301)，包括分布于土体分界面上的众多测温探头(302)，测温系统在试验过程中对冻融模型箱(210)内的各测点土体(212)的温度进行全过程监测；

IDS探地雷达(304)，在试验期内对冻融模型箱(210)的土体(212)地质情况进行扫描监测。

2.如权利要求1所述一种滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，其特征在于，进一步的，所述进出软管包括冻结液回路软管(101)、冻结液去路软管(106)；所述保温层采用保温海绵(102)，用于包裹于进出软管的外侧。

3.如权利要求1所述一种滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，其特征在于，进一步限定，所述冻结液(105)，采用与实际工程相同的盐水。

4.如权利要求1所述一种滨海软土地铁联络通道冻结法界面效应试验模拟系统，其特征在于，进一步限定，冻结液流量控制面板(110)，位于制冷机(108)上，控制冻结液的流量。

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