CN203720123U - 寒区隧道室内试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种寒区隧道室内试验装置，包括带有底板、其余五面开放的矩形支架，矩形支架底部的底板外侧设置有保温底板，底板上靠近矩形支架内侧设置有底部制冷板，矩形支架四个侧面上安装有可拆卸的保温侧板，矩形支架顶部设置有保温顶板，保温顶板上靠近矩形支架内侧设置有顶部制冷板；顶部制冷板和底部制冷板分别与一个低温恒温槽连通各自形成一个循环冷浴系统。本实用新型的试验装置是开放式框架结构，便于安装测试试件，能够精确模拟寒区隧道不同工况下低温环境，得出围岩和初期支护，初期支护和二次衬砌之间的温度，从而为寒区隧道保温设计提供依据，结果表明自制的模型试验结果和现场测试结果相符度较好。

Description

寒区隧道室内试验装置

技术领域

本实用新型属于隧道防冻领域，涉及一种室内试验装置，具体涉及一种寒区隧道室内试验装置。

背景技术

寒冷地区隧道普遍发生衬砌开裂、剥落、挂冰和路面冒水、结冰等病害，大大弱化了隧道的使用功能，严重威胁着行车安全，养护治理都十分困难。防止冻害对隧道使用功能的弱化，对围岩冻胀的处理从环境温度入手，为寒区隧道铺设保温层，使围岩温度达不到围岩冻胀所需的条件，进而防止寒区隧道冻害。国内外研究者对于防冻保温层的计算方法归纳起来有解析计算法和有限元模拟法，尚未有关模型试验法的资料。依据相似理论，通过自制大型试验模型对各种工况下隧道设计进行室内模拟，用试验法得出隧道防冻保温层设计参数。

在隧道防冻技术领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种适应范围广、自动化程度高，并且可以模拟各种工况的室内实验模型得出寒区隧道保温层的设计参数的室内模拟设备，本发明主要是利用低温恒温装置模拟寒区隧道的低温环境条件，通过温度传感器得到个测点的温度，为寒区隧道的防寒保温设计提供依据。而现有的技术设备，有许多常规的低温保温设备，都有他们的局限性，如中国专利“低温恒温箱”，申请号201220377791.6，采用加热装置和制冷装置，通过平衡调温控制系统来保持恒温，它虽然能保持箱内恒温，但是恒温箱体积小，制冷效率低，并且恒温箱只能保持限定空间的恒温内无法控制各部位的具体温度，无法应用于寒区隧道室内模拟实验，又如中国专利“电子无极调温恒温箱”，中国专利号：ZL02110529.4.其特点是全电子系统环保无噪声，可实现电子无极调温，但是箱体小，保温性能低，制冷效率差，试件安装不方便，无法达到寒区隧道的0度以下的低温恒温环境。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，弥补模型试验资料空白，提供一种适应范围广、自动化程度高、采用室内试验模型法得出寒区隧道保温层设计参数的室内试验装置。

为了实现上述任务，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种寒区隧道室内试验装置，包括低温恒温槽、连接有温度传感器的自动打印十六路巡检控制仪，该试验装置还包带有底板、其余五面开放的矩形支架，矩形支架的底板外侧设置有保温底板，底板上靠近矩形支架内侧设置有底部制冷板，矩形支架四个侧面上安装有可拆卸的保温侧板，矩形支架顶部设置有保温顶板，保温顶板上靠近矩形支架内侧设置有顶部制冷板；顶部制冷板和底部制冷板分别与一个低温恒温槽连通各自形成一个循环冷浴系统；温度传感器设置在矩形支架、保温顶板、保温底板和保温侧板形成的密闭腔内。

本实用新型还具有如下技术特征：

所述的顶部制冷板和底部制冷板分别通过橡塑海绵包裹的橡胶管与低温恒温槽连通。

所述的低温恒温槽中采用乙二醇与水体积比为1：1的溶液作为冷冻液。

所述的保温底板、保温顶板和保温侧板均采用厚度为10cm的聚乙烯泡沫板。

所述的顶部制冷板和底部制冷板结构相同，均包括铝板，铝板上均匀设置有9个制冷块，每个制冷块内设置有一个刻槽圆盘，所述的刻槽圆盘内在加工有相互连通的同心刻槽，同心刻槽沿着半径方向均匀分布；制冷块之间通过橡胶管将制冷快内的刻槽圆盘连通，使得低温恒温槽内的冷冻液能够在整个顶部制冷板和底部制冷板内流通。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

本实用新型的试验装置是开放式框架结构，便于安装测试试件，能够精确模拟寒区隧道不同工况下低温环境，得出围岩和初期支护，初期支护和二次衬砌之间的温度，从而为寒区隧道保温设计提供依据，结果表明自制的模型试验结果和现场测试结果相符度较好。顶部制冷板能够精确模拟隧道内部温度，底部制冷板能够精确模拟围岩内部温度，从而模拟寒区隧道支护结构内外的低温条件；采用保温板整体密封，减少外界温度变化对试件的影响，提高试验效率。本实用新型弥补了模型试验资料空白，提供一种适应范围广、自动化程度高、采用室内试验模型法得出寒区隧道保温层设计参数的室内试验装置。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构透视拆分示意图。

图2是本实用新型的矩形支架结构示意图。

图3是顶部制冷板和底部制冷板的俯视图。

图4是顶部制冷板和底部制冷板的正视图。

图5是制冷块内刻槽圆盘的内部结构示意图。

图6是测试试件的截面结构示意图。

图7是无保温层界面温度随时间变化规律。

图8是无保温层界面温度沿竖向的变化规律。

图9是硬质福利凯（FLOLIC FOAM）隔热层界面温度随时间变化规律。

图10是硬质福利凯（FLOLIC FOAM）隔热层界面温度竖向变化规律。

图中各个标号的含义为：1-矩形支架，2-底板，3-保温顶板，4-保温底板，5-保温侧板，6-顶部制冷板，7-底部制冷板，8-低温恒温槽，9-温度传感器，10-自动打印十六路巡检控制仪；11-铝板，12-制冷块，13-刻槽圆盘，14-同心刻槽，15-橡胶管，16-模拟围岩层、17-初期支护、18-防水板、19-保温层、20-测温元件引线孔，21-二次衬砌。

以下结合附图和实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

遵从上述技术方案，如图1至图5所示，本实施例给出一种寒区隧道室内试验装置，包括低温恒温槽8、连接有温度传感器9的自动打印十六路巡检控制仪10，该试验装置还包带有底板2、其余五面开放的矩形支架1，矩形支架1底部的底板2外侧设置有保温底板4，底板2上靠近矩形支架1内侧设置有底部制冷板7，矩形支架1四个侧面上安装有可拆卸的保温侧板5，矩形支架1顶部设置有保温顶板3，保温顶板3上靠近矩形支架1内侧设置有顶部制冷板6；顶部制冷板6和底部制冷板7分别与一个低温恒温槽8连通各自形成一个循环冷浴系统；温度传感器9设置在矩形支架1、保温顶板3、保温底板4和保温侧板5形成的密闭腔内。

顶部制冷板6和底部制冷板7分别通过橡塑海绵包裹的橡胶管15与低温恒温槽8连通。

低温恒温槽8中采用乙二醇与水体积比为1：1的溶液作为冷冻液。

保温底板4、保温顶板5和保温侧板6均采用厚度为10cm的聚乙烯泡沫板。

顶部制冷板6和底部制冷板7结构相同，均包括铝板11，铝板11上均匀设置有9个制冷块12，每个制冷块12内设置有一个刻槽圆盘13，所述的刻槽圆盘13内在加工有相互连通的同心刻槽14，同心刻槽14沿着半径方向均匀分布；制冷块12之间通过橡胶管15将制冷快12内的刻槽圆盘13连通，使得低温恒温槽8内的冷冻液能够在整个顶部制冷板6和底部制冷板7内流通。

刻槽圆盘13之间用防腐蚀的橡胶管15连接并用保温材料包裹，前一个刻槽圆盘13的冷冻液出口与下一个刻槽圆盘13的冷冻液进口相接，接头处用万能胶封口，使制冷液体循环流动在一个全密封，高保温的状态下进行，使整个冷浴保持一个动态恒温状态。

低温恒温槽8采用HC-2010型低温恒温槽。HC-2010型低温恒温槽最低温度可以控制在-30℃，冷却液采用乙二醇与水1：1的比例混合液，冷却液体的冰点可以达到-36.7℃，作为冷浴液体即具有较好的流动性，其冰点又低于试验温度防止冷浴系统结冻。冷却液在防腐蚀橡胶管16中循环流动，橡胶管用10cm橡塑海绵紧密包裹，减少冷却液与外界的热量交换，提高冷浴系统的效率。

温度传感器9采用WZP-011型Pt100单支铂热电阻感应测温探头，自动打印十六路巡检控制仪10采用SWD-809型自动打印十六路巡检控制仪。

根据工程实际情况和1:1的模型比即取几何相似常数α_L＝1，确定测试试件的厚度，据此来设计试验装置的尺寸为1005mm×1005mm×1005mm的正方体框架结构。试验装置顶部为可拆卸结构，方便更换保温材料进行多次试验；底部为承重结构，底板可支持试验用测试试件的重量。所述的保温板采用厚度为10cm的聚乙烯泡沫板，用于防止温度调节箱8内部与外部交换热量，降低制冷效率，影响试验效果。

测试试件的截面结构示意图如图6所示，测试试件包括模拟围岩层16、初期支护17、防水板18、保温层19、测温元件引线孔20，二次衬砌21，初期支护和二次衬砌为1:1足尺寸设计，各部分分层安装，拆卸方便，便于更换保温层进行多次重复试验，得到最佳防寒保温设计参数。

本实用新型的工作过程如下所示：

将矩形支架1放置在合适的位置，靠近电源，空间足够大以便于安装测试试件，在矩形支架1底部安装底板2后安装底部制冷板7，底部制冷板7通过电缆线与一台低温恒温槽8连接，安装保温底板4；

如图5所示，在预制模拟围岩层16底面（A界面）上预留测温元件引线孔20，在模拟围岩层16底面上的测温元件引线孔20内安装温度传感器9，安装模拟围岩层16，在模拟围岩层16上涂抹导热性能较好的凡士林，安装初期支护17，在初期支护17和模拟围岩层16的界面（B界面）间预留测温元件引线孔20，测温元件引线孔20内安装温度传感器9，涂抹凡士林，安装防水板18，防水板18上安装保温层19，保温层19与防水板18的界面（E界面）间预留测温元件引线孔20，测温元件引线孔20内安装温度传感器9，保温层19上安装二次衬砌21，二次衬砌21与保温层19的界面（C界面）间预留测温元件引线孔20，测温元件引线孔20内安装温度传感器9，二次衬砌21的顶面（D界面）上预留测温元件引线孔20，测温元件引线孔20内安装温度传感器9。所有的温度传感器9通过导线与自动打印十六路巡检控制仪10相连，对整个试验过程进行监控，记录数据，测试试件表面涂抹导热性能较好的凡士林，使试验更接近实际情况，同时可以保护测温元件不受损坏。

安装顶部制冷板6，顶部制冷板6通过橡塑海绵包裹的橡胶管15与另外一台低温恒温槽8相连，安装保温顶板3，顶部制冷板6能够精确模拟隧道内部温度，底部制冷板7能够精确模拟围岩内部温度，从而模拟寒区隧道支护结构内外的低温条件。安装完测试试件后通过保温顶板3，保温底板4和保温侧板5将整个矩形支架密封，保证试验过程不受外界环境温度影响，保证实验结果的准确性。安装完成后按照具体的试验要求进行试验即可。

测试实例实施过程及测试结果：

试验分为两种方式：一是无保温层19条件下的温度场模拟试验；二是综合考虑保温层19材料的常规物性、热力学性质、成本、使用的普遍性，参考其他已建或在建隧道隔热层的材料使用情况。本次试验选用硬质福利凯（FLOLIC FOAM）作为防寒保温层19，层厚为4.5cm，采用内置设防方式，温度传感器9按照在每一界面埋设两个，其主要目的是检查该试验过程与准稳态试验过程的吻合效果，布设见图6。

试验开始前，首先连接自动打印十六路巡检控制仪10与温度传感器9，将温度传感器9均在常温状态下放置到读数稳定，记录三次测量值，取三次测量值的平均数作为该通道的读数，再将各个通道的读数取平均值作为自动打印十六路巡检控制仪10的标准值，将各个通道实际测量的数据与自动打印十六路巡检控制仪10标准值比较，得出的差值为各个通道的校正值，校正值闭合差为0。

预制模拟围岩层18，在板的表面预留埋放温度传感器9的引线孔20，成型后将温度传感器9埋入预留的引线孔20。温度传感器9在各试件表面中心处布设一个；为减小误差，防止边界效应对试验结果的影响，在中心线左边或右边再各布设一个温度传感器9，与中间位置温度传感器9的间距为35cm，即每层共布设二个温度传感器9，取中心位置处的温度数据作为该层的温度值，以一侧测温元件温度数据为试验效果评价数据。

不敷设防寒保温层19和敷设防寒保温层19测试效果如图7至图10所示：由上述试验数据可知，B、C和D界面较A和E界面的温度高，尤其是D界面，即中间界面的温度高，尤其是E界面虽然距离保温层19只有4.5cm，即保温层19厚度，在顶层E界面温度为-12.5℃的情况下，温度仍然为4.4℃，这表明保温层的良好保温效果，C界面之所以温度最高，主要因为该界面位于各测试界面中间的位置，相对温度较低的E、A界面的距离较远，热量交换的速度较慢。

综上所述，当保温层19的保温效果良好，如果二次衬砌21内表面的温度如果呈现正温状态，那么依据隧道热量传递边界状态变化规律的分析，衬砌混凝土21与围岩16的温度场的变化主要取决于外部区域的围岩层16初始温度。围岩层16的初始温度场的影响因素较多，其主要因素有三种，一是围岩的埋深，二是周边的地热状况与围岩自身矿物组成。虽然不同地区的围岩层16温度有所差异，当围岩埋置较深时，其温度不受外界影响，保持恒定，且在0℃以上。在该状态下，围岩内的水不会存在结冰状态，隧道冻害不会发生。

Claims (5)

1.一种寒区隧道室内试验装置，包括低温恒温槽（8）、连接有温度传感器（9）的自动打印十六路巡检控制仪（10），其特征在于：该试验装置还包带有底板（2）、其余五面开放的矩形支架（1），矩形支架（1）底板（2）外侧设置有保温底板（4），底板（2）上靠近矩形支架（1）内侧设置有底部制冷板（7），矩形支架（1）四个侧面上安装有可拆卸的保温侧板（5），矩形支架（1）顶部设置有保温顶板（3），保温顶板（3）上靠近矩形支架（1）内侧设置有顶部制冷板（6）；顶部制冷板（6）和底部制冷板（7）分别与一个低温恒温槽（8）连通各自形成一个循环冷浴系统；温度传感器（9）设置在矩形支架（1）、保温顶板（3）、保温底板（4）和保温侧板（5）形成的密闭腔内。

2.如权利要求1所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于：所述的顶部制冷板（6）和底部制冷板（7）分别通过橡塑海绵包裹的橡胶管（15）与低温恒温槽（8）连通。

3.如权利要求1所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于：所述的低温恒温槽（8）中采用乙二醇与水体积比为1：1的溶液作为冷冻液。

4.如权利要求1所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于：所述的保温底板（4）、保温顶板（5）和保温侧板（6）均采用厚度为10cm的聚乙烯泡沫板。

5.如权利要求1所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于：所述的顶部制冷板（6）和底部制冷板（7）结构相同，均包括铝板（11），铝板（11）上均匀设置有9个制冷块（12），每个制冷块（12）内设置有一个刻槽圆盘（13），所述的刻槽圆盘（13）内在加工有相互连通的同心刻槽（14），同心刻槽（14）沿着半径方向均匀分布；制冷块（12）之间通过橡胶管（15）将制冷快（12）内的刻槽圆盘（13）连通，使得低温恒温槽（8）内的冷冻液能够在整个顶部制冷板（6）和底部制冷板（7）内流通。