CN204877506U - 一种寒区隧道室内试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种寒区隧道室内试验装置，包括隧道结构模拟构件和保温构件，所述的隧道结构模拟构件模拟隧道的结构和形状，所述的保温构件设置在隧道模拟构件的两端，保温构件和隧道结构模拟构件围成密封的腔体；所述的隧道结构模拟构件包括由内到外依次设置的保温层、二次衬砌层、防水层、初期支护层、围岩层、控温层和绝缘层。本实用新型能够模拟电伴热系统下隧道的温度场，从而为寒区隧道保温设计提供依据，也能对保温层和加热电缆设计参数进行优化。
Description
技术领域
本实用新型属于隧道防冻领域，具体涉及一种寒区隧道室内试验装置。
背景技术
我国在多年冻土和季节性冻土地区修建的多座隧道，都发生了不同程度的冻害。尤其是多年冻土以及深季节冻土地区的隧道，大部分存在衬砌破损，剥落问题。对于多年冻土隧道而言，铺设隔热材料的目的是保证多年冻土在夏季不会融化，因此只需借助隔热材料，阻止外界热量侵入围岩。而对于季节性寒区隧道而言，铺设保温材料的目的是保证围岩在冬季不发生冻结，减缓围岩热量向外界散失，但一个周期内(一年)，围岩向外界散失的热量往往大于外界为其补给的热量，因而必须借助于主动供热方式，才能避免季冻区隧道发生冻害。
电伴热供热系统作为主动供热的一种方式，由于其安装简单，对施工影响很小，且初期花费较小，所以在我国季节性隧道更加适用。但是目前并没有对于保温层的设计厚度、加热电缆的设计参数以及电伴热系统具体的工作方式的室内模拟设备，而温度作为影响寒区隧道冻害的控制因素之一，所以有必要对其进行深入研究。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足，本实用新型提供了一种寒区隧道室内试验装置，旨在精确模拟电伴热系统下的寒区隧道的温度场，有助于研究电伴热隧道的温度场，进而确定电缆、保温层等设计参数，为寒区隧道的防寒保温设计提供依据，该试验设置操作简单，可精确模拟现场温度等优点。
为达到上述目的，本实用新型采取如下技术方案解决：
一种寒区隧道室内试验装置，包括隧道结构模拟构件和保温构件，所述的隧道结构模拟构件模拟隧道的结构和形状，所述的保温构件设置在隧道模拟构件的两端，保温构件和隧道结构模拟构件围成密封的腔体；
所述的隧道结构模拟构件包括由内到外依次设置的保温层、二次衬砌层、防水层、初期支护层、围岩层、控温层和绝缘层。
具体的，所述的保温层的厚度为3～5cm，二次衬砌层的厚度为30～40cm，防水层的厚度为3～6mm，初期支护层的厚度为10～20cm，围岩层的厚度为18～22cm，控温层的厚度为4～6cm，绝缘层的厚度为4～8cm。
更具体的，所述的保温层为酚醛泡沫板层，二次衬砌层为C30混凝土层，防水层为EVA防水板和土工布叠加层，初期支护层为C25喷射混凝土层、控温层为履带式管状电加热器层，绝缘层为泡沫混凝土层。
进一步的，在保温层与二次衬砌层之间设置加热电缆。
具体的，所述的保温构件包括设置在隧道结构模拟构件两端的保温板，保温板与隧道结构模拟构件上的绝缘层密封连接。
更具体的，所述的保温板为聚乙烯泡沫板，保温板的厚度为8～12cm。
进一步的，穿过保温板沿隧道结构模拟构件的长度方向悬设制冷管。
另外，沿隧道结构模拟构件的径向插设多个温度传感器，温度传感器的型号为TP21PT100热电阻温度传感器。
与现有技术相比，本实用新型的优点为：
(1)本实用新型提供的寒区隧道室内试验装置，通过与外界电源连接的控温板模拟围岩内部的温度，通过与外界电源连接的制冷管模拟洞内温度，从而模拟寒区隧道的环境温度；
(2)试验装置前后各设置一个保温板，加上设置在控温板表面的作为绝热边界条件的绝缘层，使得整个系统呈密闭结构，以减少外界环境对试件的影响，提高试验效率和精确度；
(3)沿隧道径向设置有温度传感器，通过导线与自动打印十六路巡检控制仪相连，对整个试验进行监控并记录数据。通过改变控温板和制冷管的温度可以模拟各种工况下围岩、初期支护以及二次衬砌的温度场，根据记录的数据可以为隧道保温设计提供依据，选择合适的保温层厚度和加热电缆的设计参数，或者对其进行相关优化。
附图说明
图1是本实用新型的寒区隧道室内试验装置的内部结构示意图；
图2是图1的A-A面剖视图；
图3是本实用新型的寒区隧道室内试验装置的两端保温板与制冷管的位置关系示意图；
图4是本实用新型的寒区隧道室内试验装置底座的结构示意图；
图中各标号表示为：1-保温层、2-二次衬砌层、3-防水层、4-初期支护层、5-围岩层、6-控温层、7-绝缘层、8-回填混凝土、9-制冷管、10-加热电缆、11-保温板、12-底座；
以下结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
具体实施方式
本实用新型的寒区隧道室内试验装置，包括隧道结构模拟构件和保温构件，隧道结构模拟构件由里及外依次为保温层、二次衬砌层、防水层、初期支护层、围岩层、控温层和绝缘层；该试验装置还包括试验装置底座；保温构件和隧道结构模拟构件围成密封的腔体；以减少外界环境对试件的影响，提高试验效率和精确度；
试验装置中心布置有制冷管，其两端固定于两端的保温构件上，模拟寒区的隧道内温度；且在保温层和二次衬砌层之间沿隧道纵向铺设有加热电缆，进行隧道加热保温的模拟；
整个装置形状尺寸可以根据具体研究隧道而定，尺寸可取3000mm×3000mm,长度一般取3～5m；
整个装置中围岩层、控温层和绝缘层为定值层，其它层可以根据具体试验情况进行相应修改；各个层的材料和厚度优选为：保温层为4cm酚醛泡沫板，二次衬砌层为35cmC30混凝土，防水层为1.5mmEVA防水板+3mm土工布，初期支护层为15cmC25喷射混凝土，围岩层为20cm模拟岩体，一般是碎石、沙子等混合而成，控温层为5cm履带式管状电加热器，绝缘层为6cm泡沫混凝土。
绝缘层由绝缘材料组成，而保温板则采用厚度为10cm的聚乙烯泡沫板，设置绝缘层的目的为作为绝热边界条件，使得整个系统呈密闭结构，以减少外界环境对试件的影响，提高试验效率和精确度。
沿径向设置有温度传感器，并与自动打印十六路巡检控制仪连接，温度传感器的具体型号为TP21PT100热电阻温度传感器。
实施例一：
结合图1-4，本实施例的寒区隧道室内试验装置包括按隧道形状和结构制作的尺寸为3000mm×3000mm×4000mm的隧道结构模拟构件和由两端密封设置的保温构件，隧道结构模拟构件和保温构件围成一个密封的腔体；隧道结构模拟构件包括由内到外依次设置的保温层1、二次衬砌层2、防水层3、初期支护层4、围岩层5、控温层6和绝缘层7，保温构件为两端设置的保温板11；
其中：保温层1为4cm酚醛泡沫板，二次衬砌层2为35cmC30混凝土，防水层3为1.5mmEVA防水板+3mm土工布，初期支护层4为15cmC25喷射混凝土，围岩层5为20cm模拟岩体(一般是碎石、沙子等混合而成)，控温层6为5cm履带式管状电加热器，绝缘层7为6cm泡沫混凝土；
在隧道结构模拟构件的底面上放置回填混凝土8，回填混凝土8上铺设路面；
控温层6采用的是吴江方正LCD-220型履带式管状电加热器，控温层6与外界电源连接，通过改变外接电源控制其温度来实现不同工况的模拟；
保温层1和二次衬砌层2之间沿隧道纵向铺设有加热电缆10，通过导线与电源连接，通过加热使得隧道主体温度达到0℃以上；
沿隧道径向设置有温度传感器，通过导线与自动打印十六路巡检控制仪相连，自动记录围岩、初期支护和二次衬砌的温度，以实现对整个试验过程进行监控，温度传感器为TP21PT100热电阻温度传感器；
保温构件为设置在隧道结构模拟构件前后两端的可拆卸保温板11，保温板11与隧道结构模拟构件上的绝缘层7密封连接，使该装置形成一个密闭腔，保温板11采用厚度为10cm的聚乙烯泡沫板，制冷管9穿过保温板11悬挂在隧道模拟结构的腔体内，制冷管9为DRD制冷管，用于模拟寒区隧道内的温度；
本实用新型的整体装置放置在底座12上，底座12为上部设置与隧道结构模拟构件底部形状契合的槽状结构，用于固定放置实验装置，方便实验过程。
本实用新型的寒区隧道室内试验装置的工作过程为：
在试验过程中，首先连接自动打印十六路巡检控制仪和温度传感器，然后通过改变控温层6和制冷管9的温度模拟隧道洞内和围岩的现场实际温度，然后对加热电缆10进行加热，使温度达到0℃以上，并控制温度达到0℃以上时自动停止加热，低于0℃时开启加热，一直持续至某个固定时间；
试验期间隔相等时间记录温度值，直至试验结束，然后通过控制变量法改变保温层1厚度、加热电缆10的设计参数等进行试验。最终，通过对试验数据进行分析处理得到各个工况下的温度场，并可以获得最有效、最合适的设计参数。
Claims (8)
1.一种寒区隧道室内试验装置，其特征在于，包括隧道结构模拟构件和保温构件，所述的隧道结构模拟构件模拟隧道的结构和形状，所述的保温构件设置在隧道模拟构件的两端，保温构件和隧道结构模拟构件围成密封的腔体；
所述的隧道结构模拟构件包括由内到外依次设置的保温层(1)、二次衬砌层(2)、防水层(3)、初期支护层(4)、围岩层(5)、控温层(6)和绝缘层(7)。
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，所述的保温层(1)的厚度为3～5cm，二次衬砌层(2)的厚度为30～40cm，防水层(3)的厚度为3～6mm，初期支护层(4)的厚度为10～20cm，围岩层(5)的厚度为18～22cm，控温层(6)的厚度为4～6cm，绝缘层(7)的厚度为4～8cm。
3.如权利要求1或2所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于，所述的保温层(1)为酚醛泡沫板层，二次衬砌层(2)为C30混凝土层，防水层(3)为EVA防水板和土工布叠加层，初期支护层(4)为C25喷射混凝土层、控温层(6)为履带式管状电加热器层，绝缘层(7)为泡沫混凝土层。
4.如权利要求1或2所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于，在保温层(1)与二次衬砌层(2)之间设置加热电缆(10)。
5.如权利要求1或2所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于，所述的保温构件包括设置在隧道结构模拟构件两端的保温板(11)，保温板(11)与隧道结构模拟构件上的绝缘层(7)密封连接。
6.如权利要求5所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于，所述的保温板(11)为聚乙烯泡沫板，保温板(11)的厚度为8～12cm。
7.如权利要求5所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于，穿过保温板(11)沿隧道结构模拟构件的长度方向悬设制冷管(9)。
8.如权利要求1或2所述的寒区隧道室内试验装置，其特征在于，沿隧道结构模拟构件的径向插设多个温度传感器，温度传感器的型号为TP21PT100热电阻温度传感器。
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