CN116296478A - 确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，该装置包括隧道模型箱、控温箱、列车模型、温度传感器和数据采集系统。隧道模型箱包括底板、侧板、挡板、支撑板和泡沫隔热板；两块挡板之间设有衬砌结构，衬砌结构与泡沫隔热板之间填充有土体；衬砌结构内设有列车模型；隧道模型箱的两端分别设有与衬砌结构相贯通的控温箱；沿隧道模型箱轴向等间距布设温度监测断面，在每个温度监测断面沿隧道径向等间距在衬砌结构和土体布设数个温度传感器；数个温度传感器通过数据采集线与数据采集系统电联。同时，本发明还公开了试验方法。本发明制作简单、实用性强，可以确定不同环境温度和不同列车运行速度情况下隧道温度场。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程试验技术领域，尤其涉及确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置及试验方法。
背景技术
随着我国交通基础设施不断向寒冷地区延伸，在寒区修建的隧道也越来越多。寒区隧道面临普遍的冻害问题，截至2014年，我国发生冻害的铁路隧道有5990座，占隧道总数的52.4%。负温是隧道发生冻害的基本条件之一。在寒区，高速行驶的列车会将隧道外的冷空气带入隧道，使隧道温度场较无列车运行时发生重分布，一方面增大隧道的冻结长度，另一方面增大冻结深度。因此，确定列车风作用下的寒区隧道温度场对明确寒区隧道冻害分布和研发保温措施具有重要意义。
目前，确定列车风作用下寒区隧道温度场的方法主要包括：理论分析、现场监测和数值计算。在理论分析方面，将列车风等效成速度较慢的自然风，忽略了高速列车风的湍流作用，从而使分析结果误差很大；在现场监测方面，一方面隧道内安设监测设备会危及列车行车安全，另一方面，现场监测条件有限，监测断面和监测点位较少，难以全面反映寒区隧道温度；在数值计算方面，列车风作用下寒区隧道温度场问题属于高速流体热传导问题，求解过程复杂，计算成本高、需要专门的数值计算软件，耗费大量计算时间。因此，上述确定列车风作用下寒区隧道温度场的方法还存在诸多的不足，有必要提出确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置及试验方法，在保证准确、全面获得列车风作用下寒区隧道温度场的同时，还能够克服危及列车行车安全、成本高、耗费大量时间的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制作简单、实用性强、试验费用较低的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：该装置包括隧道模型箱、控温箱、列车模型、温度传感器和数据采集系统；所述隧道模型箱包括底板、对称设置在所述底板上的一组侧板以及将一组所述侧板的两端连接在一起的挡板；一组所述侧板的外表面对称设有两组支撑板，该支撑板的底部固定在所述底板上；所述侧板、所述底板、所述挡板的内表面均敷设有泡沫隔热板；两块所述挡板的中心开口，且二者之间设有衬砌结构，该衬砌结构与所述泡沫隔热板之间填充有土体；所述衬砌结构内设有所述列车模型；所述隧道模型箱的两端分别设有所述控温箱，该控温箱与所述衬砌结构的两侧相贯通；沿所述隧道模型箱轴向等间距布设温度监测断面，在每个温度监测断面的拱顶，左、右拱腰和左、右拱脚、仰拱处沿隧道径向等间距在所述衬砌结构和所述土体布设数个所述温度传感器；数个所述温度传感器通过数据采集线与所述数据采集系统电联。
所述控温箱的温度调节范围为-50 ℃~30 ℃。
所述底板上沿长度方向对称设有一组预留槽Ⅰ，该一组预留槽Ⅰ的两端沿宽度方向对称设有一组预留槽Ⅱ；所述预留槽Ⅰ内嵌有所述侧板；所述侧板上沿宽度方向对称设有一组预留槽Ⅲ，该预留槽Ⅲ与所述预留槽Ⅱ内嵌有所述挡板。
所述侧板、所述底板、所述挡板和所述支撑板的材质为有机玻璃，厚度为3~5 cm。
所述侧板的宽度与所述挡板的宽度相同，该侧板的长度与所述底板的长度相同。
所述支撑板呈直角三角形，分别在所述底板沿长度的1/3处和2/3处与所述底板和所述侧板的外边粘接而成；所述支撑板与所述侧板的外边粘接的直角边为所述支撑板的长边，其长度与所述侧板的宽度一致；所述支撑板与所述底板粘接的直角边为所述支撑板的短边，其长度是所述侧板的宽度的1/3。
所述列车模型的运行速度为0~1 m/s。
所述泡沫隔热板的材质为聚苯乙烯泡沫板，密贴于所述侧板、所述底板、所述挡板的内表面和所述土体上表面，厚度为8~10 cm。
所述土体为天然地基土。
所述衬砌结构为混凝土浇筑而成，截面形状为环形，内半径为10~15 cm，环形厚度为1~1.5 cm，该衬砌结构的纵向长度与所述隧道模型箱同长。
如上所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置的制作方法，包括以下步骤：
①制作隧道模型箱：
a 分别裁切厚度为3~5 cm的有机玻璃作为侧板、底板、挡板和支撑板；所述侧板的长度为6~8m、宽度为1.2~1.5m；所述底板的长度与所述侧板的长度相同，宽度为2.5~3.0m；所述挡板的一边的尺寸与所述侧板的宽度相同，另一边尺寸等于两块所述侧板之间的距离；所述支撑板呈直角三角形，其长直角边的长度与所述侧板的宽度相同，另一条短直角边的长度是所述侧板的宽度的1/3；
b在所述侧板上沿宽度方向对称裁切一组预留槽Ⅲ，预留槽Ⅲ的宽度与挡板的厚度相同，长度与挡板的宽度相同，深度为挡板厚度的1/3；在所述底板上沿长度方向和宽度方向各对称裁切预留槽Ⅰ和预留槽Ⅱ，预留槽Ⅰ的宽度与侧板的厚度相同，长度与侧板的长度相同，深度为侧板厚度的1/3；预留槽Ⅱ的宽度与挡板的厚度相同，长度与挡板的长度相同，深度为挡板厚度的1/3；
c将裁切好的所述挡板嵌入所述侧板的预留槽Ⅲ内；再将所述侧板和所述挡板组成的结构插入所述底板的预留槽Ⅰ和预留槽Ⅱ内；最后将所述支撑板在所述底板沿长度的1/3处和2/3处，所述支撑板的长直角边与所述侧板粘接，所述支撑板的短直角边与所述底板粘接；
d分别裁切厚度为8~10 cm的聚苯乙烯泡沫板6块作为泡沫隔热板，其中两块的尺寸与所述侧板尺寸相同，另外两块的尺寸与所述挡板尺寸相同，最后两块的尺寸与所述侧板和所述挡板围成结构的底面尺寸相同，将尺寸与所述侧板尺寸相同的两块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述侧板内表面，将尺寸与所述挡板尺寸相同的两块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述挡板内表面，将尺寸与所述侧板和所述挡板围成结构的底面尺寸相同的一块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述底板内表面，最终形成所述隧道模型箱；
②制作衬砌结构：
制作衬砌结构模具，采用混凝土浇筑长度与隧道模型箱长度相同，截面形状为环形，内半径为10~15 cm，环形厚度为1~1.5 cm的所述衬砌结构，待混凝土强度达到80%以上，拆除模具，即制成所述衬砌结构；
③在所述隧道模型箱内填入所述土体，夯实整平后，所述土体的厚度为0.5~0.7m，密度为1.6~1.8g/cm3；
④将所述衬砌结构放入所述隧道模型箱的土层上，使所述衬砌结构的中轴线与所述隧道模型箱的中轴线在同一垂直面上，同时所述衬砌结构的两端紧贴所述隧道模型箱的所述挡板内表面的所述泡沫隔热板；
⑤在所述隧道模型箱内逐层装土压密，同时将连接数据采集线的所述温度传感器埋设在待测数据位置，直至所述土体与所述隧道模型箱的上边缘相平；将尺寸与所述侧板和所述挡板围成结构的底面尺寸相同的另一块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述土体上表面；
⑥将所述数据采集线与所述数据采集系统连接；
⑦采用切割机，将所述衬砌结构两端紧贴的所述挡板和所述挡板内表面的所述泡沫隔热板切半径与所述衬砌结构半径相同的圆形孔，并将所述列车模型放置于所述衬砌结构内；
⑧将两台所述控温箱分别放置于所述隧道模型箱的两端，并与所述隧道模型箱密贴，使所述衬砌结构与其两端所述控温箱贯通，即形成确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置。
确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验方法，包括以下步骤：
ⅰ预设寒区隧道环境温度；
ⅱ调节控温箱内的环境温度，使其达到预设环境温度；
ⅲ采用温度传感器监测衬砌结构和土体的温度值，采用数据采集系统采集和存储所述温度传感器监测到的温度数据，并以此温度作为隧道初始温度，进而得到无列车风作用下的寒区隧道温度场；
ⅳ采用控制变量法，固定所述控温箱内环境温度，使列车模型分别以不同的速度在隧道内行驶；同时，采用所述温度传感器监测所述衬砌结构和所述土体的温度值，采用所述数据采集系统采集和存储所述温度传感器监测到的温度数据，进而得到列车风作用下的寒区隧道温度场；
ⅴ试验结束后，停止所述列车模型在隧道内行驶，待隧道温度场恢复至试验前的预设温度，再继续试验；
ⅵ按照步骤ⅰ~ⅱ，重新预设新的寒区隧道环境温度，进而调节所述控温箱内的环境温度，使其达到新的预设环境温度；然后，按照步骤ⅲ~ⅳ，分别得到在新的预设环境温度条件下，无列车风和有列车风作用的寒区隧道温度场；
ⅶ根据不同环境温度、不同列车行驶速度情况下，所述衬砌结构和所述土体的温度监测数据，即可确定列车风作用下寒区隧道温度场。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中隧道模型箱内设有衬砌结构，衬砌结构与泡沫隔热板之间填充有土体；衬砌结构内设有列车模型；隧道模型箱的两端分别设有与衬砌结构相贯通的控温箱；沿隧道模型箱轴向等间距布设温度监测断面，在每个温度监测断面沿隧道径向等间距在衬砌结构和土体布设数个温度传感器，因此，可以任意调整控温箱内的环境温度和列车的行驶速度，通过模拟不同环境温度条件下，列车以不同的行驶速度通过寒区隧道，通过控制变量研究环境温度和列车行驶速度对寒区隧道温度的影响，从而得到不同环境温度、不同列车行驶速度情况下，列车风作用下寒区隧道温度场，不但重复实施性强，而且成本低、节省大量时间，可为寒区隧道防寒保温设计提供数据支撑，有助于解决寒区隧道冻害问题。
2、相较现场实验监测，本发明中监测衬砌结构温度和周围土体温度的温度传感器数量多，测量过程简单，能够更加全面地反映列车风作用下寒区隧道温度分布，解决了目前寒区隧道温度场现场监测过程复杂，危及隧道行车安全的难题。
3、相较理论分析和数值计算，本发明更加真实地模拟列车通过隧道时列车风作用下的寒区隧道温度场，克服了理论分析和数值计算出现的分析结果误差大的问题。
4、本发明制作简单、实用性强、试验费用较低，可以为列车风作用下的寒区隧道保温措施研发提供指导。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的半结构示意图。
图3为本发明的主视图。
图4为本发明中隧道模型箱示意图。
图5为本发明中隧道模型箱半结构示意图。
图6 为本发明中侧板示意图。
图7 为本发明中底板示意图。
图中：1-隧道模型箱；2-控温箱；3-列车模型；4-温度传感器；5-数据采集系统；6-侧板；7-底板；8-挡板；9-支撑板；10-泡沫隔热板；11-衬砌结构；12-土体；13-数据采集线。
具体实施方式
如图1~7所示，确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，该装置包括隧道模型箱1、控温箱2、列车模型3、温度传感器4和数据采集系统5。
隧道模型箱1包括底板7、对称设置在底板7上的一组侧板6以及将一组侧板6的两端连接在一起的挡板8；一组侧板6的外表面对称设有两组支撑板9，该支撑板9的底部固定在底板7上；侧板6、底板7、挡板8的内表面均敷设有泡沫隔热板10；两块挡板8的中心开口，且二者之间设有衬砌结构11，该衬砌结构11与泡沫隔热板10之间填充有土体12；衬砌结构11内设有列车模型3；隧道模型箱1的两端分别设有控温箱2，该控温箱2与衬砌结构11的两侧相贯通；沿隧道模型箱1轴向等间距布设温度监测断面，在每个温度监测断面的拱顶，左、右拱腰和左、右拱脚、仰拱处沿隧道径向等间距在衬砌结构11和土体12布设数个温度传感器4，用于监测列车风作用下的土体12和衬砌结构11的温度变化。数个温度传感器4通过数据采集线13与数据采集系统5电联。
其中：控温箱2可调节其内部的环境温度，温度调节范围为-50 ℃~30 ℃，用于模拟实际寒区隧道外空气温度。
底板7上沿长度方向对称设有一组预留槽Ⅰ，该一组预留槽Ⅰ的两端沿宽度方向对称设有一组预留槽Ⅱ；预留槽Ⅰ内嵌有侧板6；侧板6上沿宽度方向对称设有一组预留槽Ⅲ，该预留槽Ⅲ与预留槽Ⅱ内嵌有挡板8。
侧板6、底板7、挡板8和支撑板9的材质为有机玻璃，厚度为3~5 cm。
侧板6的宽度与挡板8的宽度相同，该侧板6的长度与底板7的长度相同。
支撑板9呈直角三角形，分别在底板7沿长度的1/3处和2/3处与底板7和侧板6的外边粘接而成；支撑板9与侧板6的外边粘接的直角边为支撑板9的长边，其长度与侧板6的宽度一致；支撑板9与底板7粘接的直角边为支撑板9的短边，其长度是侧板6的宽度的1/3。
列车模型3的运行速度为0~1 m/s，用于模拟隧道内行驶的火车。
泡沫隔热板10的材质为聚苯乙烯泡沫板，密贴于侧板6、底板7、挡板8的内表面和土体12上表面，厚度为8~10 cm，用于避免控温箱2外空气对隧道模型箱1内土体12和衬砌结构11的温度场产生影响。
土体12为天然地基土。
衬砌结构11为混凝土浇筑而成，截面形状为环形，内半径为10~15 cm，环形厚度为1~1.5 cm，该衬砌结构11的纵向长度与隧道模型箱1同长。
该确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置的制作方法，包括以下步骤：
①制作隧道模型箱1：
a 分别裁切厚度为3~5 cm的有机玻璃作为侧板6、底板7、挡板8和支撑板9；侧板6的长度为6~8m、宽度为1.2~1.5m；底板7的长度与侧板6的长度相同，宽度为2.5~3.0m；挡板8的一边的尺寸与侧板6的宽度相同，另一边尺寸等于两块侧板6之间的距离；支撑板9呈直角三角形，其长直角边的长度与侧板6的宽度相同，另一条短直角边的长度是侧板6的宽度的1/3；
b在侧板6上沿宽度方向对称裁切一组预留槽Ⅲ，预留槽Ⅲ的宽度与挡板8的厚度相同，长度与挡板8的宽度相同，深度为挡板8厚度的1/3；在底板7上沿长度方向和宽度方向各对称裁切预留槽Ⅰ和预留槽Ⅱ，预留槽Ⅰ的宽度与侧板6的厚度相同，长度与侧板6的长度相同，深度为侧板6厚度的1/3；预留槽Ⅱ的宽度与挡板8的厚度相同，长度与挡板8的长度相同，深度为挡板8厚度的1/3；
c将裁切好的挡板8嵌入侧板6的预留槽Ⅲ内；再将侧板6和挡板8组成的结构插入底板7的预留槽Ⅰ和预留槽Ⅱ内；最后将支撑板9在底板7沿长度的1/3处和2/3处，支撑板9的长直角边与侧板6粘接，支撑板9的短直角边与底板7粘接；
d分别裁切厚度为8~10 cm的聚苯乙烯泡沫板6块作为泡沫隔热板10，其中两块的尺寸与侧板6尺寸相同，另外两块的尺寸与挡板8尺寸相同，最后两块的尺寸与侧板6和挡板8围成结构的底面尺寸相同，将尺寸与侧板6尺寸相同的两块聚苯乙烯泡沫板粘贴于侧板6内表面，将尺寸与挡板8尺寸相同的两块聚苯乙烯泡沫板粘贴于挡板8内表面，将尺寸与侧板6和挡板8围成结构的底面尺寸相同的一块聚苯乙烯泡沫板粘贴于底板7内表面，最终形成隧道模型箱1；
②制作衬砌结构11：
制作衬砌结构模具，采用混凝土浇筑长度与隧道模型箱1长度相同，截面形状为环形，内半径为10~15 cm，环形厚度为1~1.5 cm的衬砌结构11，待混凝土强度达到80%以上，拆除模具，即制成衬砌结构11；
③在隧道模型箱1内填入土体12，夯实整平后，土体12的厚度为0.5~0.7m，密度为1.6~1.8g/cm3；
④将衬砌结构11放入隧道模型箱1的土层上，使衬砌结构11的中轴线与隧道模型箱1的中轴线在同一垂直面上，同时衬砌结构11的两端紧贴隧道模型箱1的挡板8内表面的泡沫隔热板10；
⑤在隧道模型箱1内逐层装土压密，同时将连接数据采集线13的温度传感器4埋设在待测数据位置，直至土体12与隧道模型箱1的上边缘相平；将尺寸与侧板6和挡板8围成结构的底面尺寸相同的另一块聚苯乙烯泡沫板粘贴于土体12上表面；
⑥将数据采集线13与数据采集系统5连接；
⑦采用切割机，将衬砌结构11两端紧贴的挡板8和挡板8内表面的泡沫隔热板10切半径与衬砌结构11半径相同的圆形孔，并将列车模型3放置于衬砌结构11内；
⑧将两台控温箱2分别放置于隧道模型箱1的两端，并与隧道模型箱1密贴，使衬砌结构11与其两端控温箱2贯通，即形成确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置。
确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验方法，包括以下步骤：
ⅰ预设寒区隧道环境温度；
ⅱ调节控温箱2内的环境温度，使其达到预设环境温度；
ⅲ采用温度传感器4监测衬砌结构11和土体12的温度值，采用数据采集系统5采集和存储温度传感器4监测到的温度数据，并以此温度作为隧道初始温度，进而得到无列车风作用下的寒区隧道温度场；
ⅳ采用控制变量法，固定控温箱2内环境温度，使列车模型3分别以不同的速度在隧道内行驶；同时，采用温度传感器4监测衬砌结构11和土体12的温度值，采用数据采集系统5采集和存储温度传感器4监测到的温度数据，进而得到列车风作用下的寒区隧道温度场；
ⅴ试验结束后，停止列车模型3在隧道内行驶，待隧道温度场恢复至试验前的预设温度，再继续试验；
ⅵ按照步骤ⅰ~ⅱ，重新预设新的寒区隧道环境温度，进而调节控温箱2内的环境温度，使其达到新的预设环境温度；然后，按照步骤ⅲ~ⅳ，分别得到在新的预设环境温度条件下，无列车风和有列车风作用的寒区隧道温度场；
ⅶ根据不同环境温度、不同列车行驶速度情况下，衬砌结构11和土体12的温度监测数据，即可确定列车风作用下寒区隧道温度场。
Claims (12)
1.确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：该装置包括隧道模型箱（1）、控温箱（2）、列车模型（3）、温度传感器（4）和数据采集系统（5）；所述隧道模型箱（1）包括底板（7）、对称设置在所述底板（7）上的一组侧板（6）以及将一组所述侧板（6）的两端连接在一起的挡板（8）；一组所述侧板（6）的外表面对称设有两组支撑板（9），该支撑板（9）的底部固定在所述底板（7）上；所述侧板（6）、所述底板（7）、所述挡板（8）的内表面均敷设有泡沫隔热板（10）；两块所述挡板（8）的中心开口，且二者之间设有衬砌结构（11），该衬砌结构（11）与所述泡沫隔热板（10）之间填充有土体（12）；所述衬砌结构（11）内设有所述列车模型（3）；所述隧道模型箱（1）的两端分别设有所述控温箱（2），该控温箱（2）与所述衬砌结构（11）的两侧相贯通；沿所述隧道模型箱（1）轴向等间距布设温度监测断面，在每个温度监测断面的拱顶，左、右拱腰和左、右拱脚、仰拱处沿隧道径向等间距在所述衬砌结构（11）和所述土体（12）布设数个所述温度传感器（4）；数个所述温度传感器（4）通过数据采集线（13）与所述数据采集系统（5）电联。
2.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述控温箱（2）的温度调节范围为-50 ℃~30 ℃。
3.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述底板（7）上沿长度方向对称设有一组预留槽Ⅰ，该一组预留槽Ⅰ的两端沿宽度方向对称设有一组预留槽Ⅱ；所述预留槽Ⅰ内嵌有所述侧板（6）；所述侧板（6）上沿宽度方向对称设有一组预留槽Ⅲ，该预留槽Ⅲ与所述预留槽Ⅱ内嵌有所述挡板（8）。
4.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述侧板（6）、所述底板（7）、所述挡板（8）和所述支撑板（9）的材质为有机玻璃，厚度为3~5cm。
5.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述侧板（6）的宽度与所述挡板（8）的宽度相同，该侧板（6）的长度与所述底板（7）的长度相同。
6.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述支撑板（9）呈直角三角形，分别在所述底板（7）沿长度的1/3处和2/3处与所述底板（7）和所述侧板（6）的外边粘接而成；所述支撑板（9）与所述侧板（6）的外边粘接的直角边为所述支撑板（9）的长边，其长度与所述侧板（6）的宽度一致；所述支撑板（9）与所述底板（7）粘接的直角边为所述支撑板（9）的短边，其长度是所述侧板（6）的宽度的1/3。
7.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述列车模型（3）的运行速度为0~1 m/s。
8.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述泡沫隔热板（10）的材质为聚苯乙烯泡沫板，密贴于所述侧板（6）、所述底板（7）、所述挡板（8）的内表面和所述土体（12）上表面，厚度为8~10 cm。
9.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述土体（12）为天然地基土。
10.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置，其特征在于：所述衬砌结构（11）为混凝土浇筑而成，截面形状为环形，内半径为10~15 cm，环形厚度为1~1.5 cm，该衬砌结构（11）的纵向长度与所述隧道模型箱（1）同长。
11.如权利要求1所述的确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置的制作方法，包括以下步骤：
①制作隧道模型箱（1）：
a 分别裁切厚度为3~5 cm的有机玻璃作为侧板（6）、底板（7）、挡板（8）和支撑板（9）；所述侧板（6）的长度为6~8m、宽度为1.2~1.5m；所述底板（7）的长度与所述侧板（6）的长度相同，宽度为2.5~3.0m；所述挡板（8）的一边的尺寸与所述侧板（6）的宽度相同，另一边尺寸等于两块所述侧板（6）之间的距离；所述支撑板（9）呈直角三角形，其长直角边的长度与所述侧板（6）的宽度相同，另一条短直角边的长度是所述侧板（6）的宽度的1/3；
b在所述侧板（6）上沿宽度方向对称裁切一组预留槽Ⅲ，预留槽Ⅲ的宽度与挡板（8）的厚度相同，长度与挡板（8）的宽度相同，深度为挡板（8）厚度的1/3；在所述底板（7）上沿长度方向和宽度方向各对称裁切预留槽Ⅰ和预留槽Ⅱ，预留槽Ⅰ的宽度与侧板（6）的厚度相同，长度与侧板（6）的长度相同，深度为侧板（6）厚度的1/3；预留槽Ⅱ的宽度与挡板（8）的厚度相同，长度与挡板（8）的长度相同，深度为挡板（8）厚度的1/3；
c将裁切好的所述挡板（8）嵌入所述侧板（6）的预留槽Ⅲ内；再将所述侧板（6）和所述挡板（8）组成的结构插入所述底板（7）的预留槽Ⅰ和预留槽Ⅱ内；最后将所述支撑板（9）在所述底板（7）沿长度的1/3处和2/3处，所述支撑板（9）的长直角边与所述侧板（6）粘接，所述支撑板（9）的短直角边与所述底板（7）粘接；
d分别裁切厚度为8~10 cm的聚苯乙烯泡沫板6块作为泡沫隔热板（10），其中两块的尺寸与所述侧板（6）尺寸相同，另外两块的尺寸与所述挡板（8）尺寸相同，最后两块的尺寸与所述侧板（6）和所述挡板（8）围成结构的底面尺寸相同，将尺寸与所述侧板（6）尺寸相同的两块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述侧板（6）内表面，将尺寸与所述挡板（8）尺寸相同的两块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述挡板（8）内表面，将尺寸与所述侧板（6）和所述挡板（8）围成结构的底面尺寸相同的一块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述底板（7）内表面，最终形成所述隧道模型箱（1）；
②制作衬砌结构（11）：
制作衬砌结构模具，采用混凝土浇筑长度与隧道模型箱（1）长度相同，截面形状为环形，内半径为10~15 cm，环形厚度为1~1.5 cm的所述衬砌结构（11），待混凝土强度达到80%以上，拆除模具，即制成所述衬砌结构（11）；
③在所述隧道模型箱（1）内填入所述土体（12），夯实整平后，所述土体（12）的厚度为0.5~0.7m，密度为1.6~1.8g/cm3；
④将所述衬砌结构（11）放入所述隧道模型箱（1）的土层上，使所述衬砌结构（11）的中轴线与所述隧道模型箱（1）的中轴线在同一垂直面上，同时所述衬砌结构（11）的两端紧贴所述隧道模型箱（1）的所述挡板（8）内表面的所述泡沫隔热板（10）；
⑤在所述隧道模型箱（1）内逐层装土压密，同时将连接数据采集线（13）的所述温度传感器（4）埋设在待测数据位置，直至所述土体（12）与所述隧道模型箱（1）的上边缘相平；将尺寸与所述侧板（6）和所述挡板（8）围成结构的底面尺寸相同的另一块聚苯乙烯泡沫板粘贴于所述土体（12）上表面；
⑥将所述数据采集线（13）与所述数据采集系统（5）连接；
⑦采用切割机，将所述衬砌结构（11）两端紧贴的所述挡板（8）和所述挡板（8）内表面的所述泡沫隔热板（10）切半径与所述衬砌结构（11）半径相同的圆形孔，并将所述列车模型（3）放置于所述衬砌结构（11）内；
⑧将两台所述控温箱（2）分别放置于所述隧道模型箱（1）的两端，并与所述隧道模型箱（1）密贴，使所述衬砌结构（11）与其两端所述控温箱（2）贯通，即形成确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验装置。
12.确定列车风作用下寒区隧道温度场的试验方法，包括以下步骤：
ⅰ预设寒区隧道环境温度；
ⅱ调节控温箱（2）内的环境温度，使其达到预设环境温度；
ⅲ采用温度传感器（4）监测衬砌结构（11）和土体（12）的温度值，采用数据采集系统（5）采集和存储所述温度传感器（4）监测到的温度数据，并以此温度作为隧道初始温度，进而得到无列车风作用下的寒区隧道温度场；
ⅳ采用控制变量法，固定所述控温箱（2）内环境温度，使列车模型（3）分别以不同的速度在隧道内行驶；同时，采用所述温度传感器（4）监测所述衬砌结构（11）和所述土体（12）的温度值，采用所述数据采集系统（5）采集和存储所述温度传感器（4）监测到的温度数据，进而得到列车风作用下的寒区隧道温度场；
ⅴ试验结束后，停止所述列车模型（3）在隧道内行驶，待隧道温度场恢复至试验前的预设温度，再继续试验；
ⅵ按照步骤ⅰ~ⅱ，重新预设新的寒区隧道环境温度，进而调节所述控温箱（2）内的环境温度，使其达到新的预设环境温度；然后，按照步骤ⅲ~ⅳ，分别得到在新的预设环境温度条件下，无列车风和有列车风作用的寒区隧道温度场；
ⅶ根据不同环境温度、不同列车行驶速度情况下，所述衬砌结构（11）和所述土体（12）的温度监测数据，即可确定列车风作用下寒区隧道温度场。
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| CN115754228A (zh) * | 2022-11-07 | 2023-03-07 | 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 | 高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置及制作和试验方法 |
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