CN215415403U - 模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置,由封闭底板、封闭侧板、封闭顶板相互垂直组成长方体封闭空间，在封闭底板上堆砌长方体围岩，围岩内部长度方向上贯穿设置有隧道模型，围岩长度方向底部间隔设置有若干组围岩压力盒、顶部设置有围岩顶板，封闭顶板底部设置有渗流总管，渗流总管与围岩顶板之间设置有渗流支管，隧道模型进出口端均设置有湿度调节器和百叶扇，封闭空间内设置有上控温流体输出管、下控温流体输出管、控温流体分流管，上控温流体输出管和加热装置相连通，下控温流体输出管通过控温流体回流管与加热装置相连通，本实用新型对于处治湿度和极端温度场共同作用产生的隧道病害措施具有一定的指导意义，适应性及可操作性强。

Description

模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置

技术领域

本实用新型属于隧道工程病害处治技术领域，具体涉及到一种关于模拟极端环境下病害产生机理及处治效果的试验装置。

背景技术

近年来，我国隧道建设发展迅速，但施工运营中仍存在诸多问题，尤其在水和极端温度场共同作用下，隧道衬砌病害发育严重，运营隧道大都处于亚健康状态，防治面临一定困难。

在我国内蒙、新疆、东北等高纬度寒冷地区，隧道施工中由于混凝土的早期抗拉强度很低，且较大温差导致了混凝土的收缩裂缝，伴随混凝土温度的下降，裂缝进一步发展。后续由于气温变化导致反复冻融，在春融期出现涌漏，渗漏水又在冬季引发各种冻害，如洞顶吊冰棱、边墙挂冰溜、道床结冰等。渗漏水与冰冻相互影响，互为因果，严重影响混凝土结构的使用寿命及行车安全。

丁红林以兰新高铁大梁隧道为例，对隧道渗漏水产生的施工原因、渗漏水及结冰病害特征进行了分析和描述，针对不同病害部位提出了相应的解决措施。徐胜利以吉图珲客运专线五峰山隧道衬砌冻胀开裂、掉块等病害整治为例，对隧道病害现象及原因进行分析，并对其进行检测与缺陷严重程度判定，提出了波纹钢板套衬整治施工技术。潘红桂等以内蒙古集包铁路某隧道渗漏水整治问题为研究对象，从隧道病害分类、产生原因、整治方法及效果等方面对高寒地区运营铁路隧道渗漏水及冻害整治技术进行阐述与分析，并证明了注浆与加热保温相结合的整治技术在高寒地区渗漏水整治中实施效果良好。

高温场以南方高温地区隧道为代表，其隧道洞口段长期处于高温高湿环境，受热湿反复作用，衬砌及围岩发生劣化，进而产生裂纹或裂纹扩张，影响隧道结构的寿命与安全。

陈文化基于增量理论及湿度应力场理论建立了湿度和温度影响下岩体的增量型弹塑性体胀本构方程，推导了热湿应力表达式；依据某隧道现场监测数据,计算了围岩温度场、湿度场与热湿应力及季节性变化情况，分析了不同衬砌和岩石导热系数、厚度对热湿应力的影响。

然而，目前的研究均是针对极端温度场隧道已产生的病害进行机理和处置措施方面的探究，虽然对正建和未建隧道的施工和设计有一定的参考价值，但由于各隧道设计标准、温度场及水文地质等条件存在差异，其病害的产生机理和相应的处置措施也因地而异。为了采取针对性的措施整治隧道病害，必须科学准确地分析隧道病害的产生机理，依此提出切中要害的整治方案。所以开展隧址区环境及水文地质条件的模型试验对针对性防治极端温度场条件下的病害具有重要的科学意义和工程价值。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,结合隧道模型、温度场、湿度场、渗漏水强度与位置及围岩条件等因素的共同作用，提供一种可操作性强、精确控温控湿、准确模拟隧址区场条件的模拟极端环境下病害产生机理及处治效果的试验装置。

解决上述技术问题采用的技术方案是：由封闭底板、封闭侧板、封闭顶板相互垂直组成长方体封闭空间，在封闭底板上堆砌长方体围岩，围岩内部长度方向上贯穿设置有隧道模型，围岩长度方向底部间隔设置有若干组围岩压力盒、顶部设置有围岩顶板，封闭顶板下底部水平设置有若干圈渗流总管，渗流总管与围岩顶板之间设置有渗流支管，隧道模型进出口端均设置有湿度调节器和百叶扇，封闭顶板和封闭侧板之间设置有一圈上控温流体输出管，封闭底板和封闭侧板之间设置有一圈下控温流体输出管，上控温流体输出管和下控温流体输出管之间间隔设置有若干组控温流体分流管，上控温流体输出管和加热装置相连通，下控温流体输出管通过控温流体回流管与加热装置相连通，加热装置、渗流总管、湿度控制器均与外部水箱相连通，围岩压力盒、湿度控制器、加热装置、百叶扇与控制装置电连接。

本实用新型的渗流总管与外部水箱之间设置有自控式流量调节阀及流量传感器，加热装置与外部水箱之间设置有自控式流量调节阀及流量传感器，自控式流量调节阀及流量传感器与控制装置电连接。

本实用新型的隧道模型为：钢筋骨架上浇筑隧道衬砌，隧道衬砌内拱形结构底部间隔设置有若干组应变片，沿隧道衬砌纵向均布温湿度传感器，隧道衬砌外拱形结构底部间隔设置有若干组模型压力盒，应变片、温湿度传感器、模型压力盒与控制装置电连接。

本实用新型的控制装置为：对整个控制装置进行控制的主控制电路的输出端接显示电路的输入端，主控制电路的输出端接温湿度及渗流控制电路的输入端，数据采集电路的输出端接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路与信号放大电路相连接，A/D转换电路与主控制电路相连接。

本实用新型的主控制电路为：集成电路U2的10脚～17脚、29脚～31脚、5脚～7脚接温湿度及渗流控制电路，集成电路U2的18脚、19脚、42脚、43脚接信号采集电路，集成电路U2的20脚、39脚接A/D转换电路，集成电路U2的45脚、46脚、21脚、22脚、25脚～28脚、2脚～4脚接显示电路，集成电路U2的23脚、35脚、47脚、8脚接地，集成电路U2的24脚、36脚、48脚、9脚接电源；集成电路U2的型号为STM32F103CBT6。

本实用新型的温湿度及渗流控制电路为：集成电路U1的1脚通过电阻R1接电源、2脚通过电阻R2接电源、6脚接晶振Y1的一端和电容C1的一端、5脚接晶振Y1的另一端和电容C2的一端，集成电路U1的18脚～11脚、9脚、24脚、23脚、21脚、22脚、8脚依次接集成电路U2的10脚～17脚、29脚～31脚、5脚～7脚，集成电路U1的20脚、19脚、31脚、3脚、7脚、29脚接地，集成电路U1的10脚、32脚、4脚、30脚接电源，电容C1和电容C2的另一端接地；集成电路U1的型号为TVP5150AM1。

本实用新型的数据采集电路为：集成电路U2的18脚接温湿度传感器的2脚，温湿度传感器的1脚和3脚接地，集成电路U2的19脚接电阻R4的一端和电阻R3的一端，电阻R4的另一端和电阻R6的一端接地，电阻R6的另一端接电阻R5的一端和集成电路U2的19脚，电阻R5的另一点和电阻R3的另一端接电源，流量传感器U3的13脚、3脚依次接集成电路U2的43脚、42脚，流量传感器U3的16脚接电源、7脚和8脚接地，流量传感器U3的10脚、9脚、12脚、14脚、15脚、11脚、1脚、5脚、2脚、4脚接插针连接器P2。

本实用新型相比于现有技术具有一下优点：

1、本实用新型采用的隧道及围岩结构模型，依据现场地勘数据，采用相似原理，在室内模拟围岩覆存条件，配合隧道渗水强度控制系统还原隧址区环境，减少了室外工作量，相较隧址区隧道出现病害再治理的做法有前瞻性和经济性。

2、本实用新型根据隧址区的温度监测数据，采用温度控制系统，在室内模拟隧址区温度场。也可预先设定温度条件，探究该温度场作用下的隧道结构受力，进而探究可能出现的病害，具有良好的设计指导意义和一定的前瞻性。

3、本实用新型针对南方地区高温高湿条件，采用湿度控制系统配合温度控制系统真实还原隧道洞口所处环境，可模拟不同围岩、支护条件下的洞口围岩及衬砌应力变化，探究隧道洞口段热湿病害产生机制，进而采取对应措施改善受力条件并观察响应，为高温高湿环境下洞口段隧道病害整治提供依据，还可进一步改变实验条件总结规律。

4、本实用新型对于处治湿度和极端温度场共同作用产生的隧道病害措施具有一定的指导意义，适应性及可操作性强。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是图1中隧道模型4的结构示意图。

图3是本实用新型控制装置8的电气原理方框图。

图4是本实用新型控制装置8的电子线路原理图。

图中：1、封闭底板；2、下控温流体输出管；3、围岩压力盒；4、隧道模型；5、围岩；6、控温流体回流管；7、加热装置；8、控制装置；9、湿度控制器；10、渗流总管；11、渗流支管；12、围岩顶板；13、封闭顶板；14、封闭侧板；15、上控温流体输出管；16、控温流体分流管；4-1、钢筋骨架；4-2、应变片；4-3、隧道衬砌；4-4、温湿度传感器；4-5、模型压力盒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2中，本实用新型涉及的一种模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置，由封闭底板1、封闭侧板14、封闭顶板13相互垂直组成长方体封闭空间，保证整个试验过程不受外界温度和湿度影响，完全根据设定参数实况模拟。在封闭底板1上堆砌长方体围岩5，围岩5内部长度方向上贯穿设置有隧道模型4，实施例的隧道模型4由钢筋骨架4-1、应变片4-2、隧道衬砌4-3、温湿度传感器4-4、模型压力盒4-5连接构成，钢筋骨架4-1上浇筑隧道衬砌4-3，浇筑时关注施工缝及变形缝，真实模拟冻害薄弱部位。隧道衬砌4-3内拱形结构底部间隔安装有若干组应变片4-2，沿隧道衬砌4-3纵向均布温湿度传感器4-4，隧道衬砌4-3外拱形结构底部间隔安装有若干组模型压力盒4-5，应变片4-2、温湿度传感器4-4、模型压力盒4-5与控制装置8电连接，应变片4-2和模型压力盒4-5将数据传输给控制装置8，控制装置8进行显示，试验者根据此数据采取相应的处治措施。并对应变片4-2、模型压力盒4-5进行编号，方便后期试验时根据对应位置采取处治措施。

围岩5长度方向底部间隔安装有若干组围岩压力盒3、顶部设置有围岩顶板12，并对围岩压力盒3进行编号，封闭顶板13下底部水平设置有若干圈渗流总管10，根据模拟渗漏水部位(此部位为冻融病害发生典型位置)在围岩顶板12上预先埋设渗流支管11，此管路流量依据流量传感器传输给控制装置8的数据，通过控制装置8预先设定的数据精确自控式流量调节阀实现，渗流支管11渗出的水进入围岩5并进一步渗透，是后续真实模拟地下水受极限温度场作用产生冻融灾害，采取治理措施防治病害的必要条件。渗流支管11与渗流总管10相连通。

隧道模型4进出口端均安装有湿度调节器9和百叶扇，控制装置8根据预设值控制湿度调节器9进行湿度供应，设置于湿度控制器9下方的百叶扇使湿气进一步向洞内扩散，达到隧道模型4内适度控制的目的，封闭顶板13和封闭侧板14之间安装有一圈上控温流体输出管15，封闭底板1和封闭侧板14之间安装有一圈下控温流体输出管2，上控温流体输出管15和下控温流体输出管2之间安装设置有若干组控温流体分流管16，上控温流体输出管15和加热装置7相连通，控制装置8根据预设温度控制加热装置7将控温流体加热至预定温度，并控制自控式流量调节阀使控温流体流经上控温流体输出管15、控温流体分流管16，最后由下控温流体输出管2通过控温流体回流管6回到加热装置7中进行循环加热，加热装置7、渗流总管10、湿度控制器9均与外部水箱相连通，为了进行流量控制，渗流总管10与外部水箱之间安装有自控式流量调节阀及流量传感器，加热装置7与外部水箱之间安装有自控式流量调节阀及流量传感器，自控式流量调节阀及流量传感器与控制装置8电连接，围岩压力盒3、湿度控制器9、加热装置7、百叶扇与控制装置8电连接，以上部件由控制装置8进行整体控制。

本装置通过控制装置8控制渗流支管11的出水量，进而模拟隧址区地下水情况。待模拟场与隧址区围岩地下水条件接近时，通过控制自控式流量调节阀控制控温流体输出管工作，控制密闭空间内的温度。同时，通过布设的温湿度传感器4-4向控制装置8反馈洞内温度及湿度，通过压力盒、应变片4-2向控制装置8实时反馈隧道衬砌4-3、围岩5在极端温湿度及地下水共同作用下产生的作用力，并记录压力、应变的变化过程。控制装置8依据温湿度传感器4-4反馈的温度信息控制控温流体的供应量、湿度信息控制湿度控制器9的湿度，进而使围岩5及隧道模型4长度温度场与隧址区温度场接近。在调节温湿度的同时，渗流支管11继续供给地下水，真实模拟现场条件，当衬砌周围压力达到一定值的时候终止实验，处理数据，更新试验。

本装置可模拟单一工况(温度作用或湿度作用下)隧道衬砌变形破坏情况，也可以模拟多种工况(温度和湿度共同作用下)隧道衬砌变形破坏情况，根据不同的工况下的破坏情况采取相应的处治措施。

在图3中，本实用新型的控制装置8由主控制电路、数据采集电路、A/D转换电路、信号放大电路、显示电路、温湿度及渗流控制电路链接构成，对整个控制装置8进行控制的主控制电路的输出端接显示电路的输入端，主控制电路的输出端接温湿度及渗流控制电路的输入端，数据采集电路的输出端接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路与信号放大电路相连接，A/D转换电路与主控制电路相连接。

在图4中，本实用新型的主控制电路由集成电路U2构成，集成电路U2的型号为STM32F103CBT6。集成电路U2的10脚～17脚、29脚～31脚、5脚～7脚接温湿度及渗流控制电路，集成电路U2的18脚、19脚、42脚、43脚接信号采集电路，集成电路U2的20脚、39脚接A/D转换电路，集成电路U2的45脚、46脚、21脚、22脚、25脚～28脚、2脚～4脚接显示电路，集成电路U2的23脚、35脚、47脚、8脚接地，集成电路U2的24脚、36脚、48脚、9脚接电源。主控制电路根据信号采集电路采集到的温湿度信息、压力值和应变值进行调节湿度控制器9的湿度以及加热装置7控制控温流体的温度，进而调节封闭空间内的温度和湿度，达到试验所需条件。

温湿度及渗流控制电路由集成电路U1、电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、晶振Y1连接构成，集成电路U1的型号为TVP5150AM1。集成电路U1的1脚通过电阻R1接电源、2脚通过电阻R2接电源、6脚接晶振Y1的一端和电容C1的一端、5脚接晶振Y1的另一端和电容C2的一端，集成电路U1的18脚～11脚、9脚、24脚、23脚、21脚、22脚、8脚依次接集成电路U2的10脚～17脚、29脚～31脚、5脚～7脚，集成电路U1的20脚、19脚、31脚、3脚、7脚、29脚接地，集成电路U1的10脚、32脚、4脚、30脚接电源，电容C1和电容C2的另一端接地。主控制电路控制温湿度及渗流控制电路调节自控式流量调节阀的流量、湿度控制器9的湿度、加热装置7控制控温流体的温度。

数据采集电路由温湿度传感器、压力传感器、流量传感器U3连接构成，集成电路U2的18脚接温湿度传感器的2脚，温湿度传感器的1脚和3脚接地，集成电路U2的19脚接电阻R4的一端和电阻R3的一端，电阻R4的另一端和电阻R6的一端接地，电阻R6的另一端接电阻R5的一端和集成电路U2的19脚，电阻R5的另一点和电阻R3的另一端接电源，流量传感器U3的13脚、3脚依次接集成电路U2的43脚、42脚，流量传感器U3的16脚接电源、7脚和8脚接地，流量传感器U3的10脚、9脚、12脚、14脚、15脚、11脚、1脚、5脚、2脚、4脚接插针连接器P2。数据采集电路将流量传感器、温湿度传感器、压力传感器的数据反馈给主控制电路，主控制电路传输给显示电路并判定是否需要根据预先设定进行调节自控式流量调节阀的流量、湿度控制器9的湿度、加热装置7控制控温流体的温度。

A/D转换电路由集成电路U4构成，集成电路U4的型号为ADC-8。集成电路U4的4脚、5脚依次接集成电路U2的20脚、39脚，集成电路U4的1脚接信号放大电路、2脚接电源、3脚和8脚接地。

信号放大电路由运算放大器AR1、二极管D5、二极管D6、电阻R8～电阻R11、电容C8、电容C9连接构成，运算放大器AR1的正向输入端通过电阻R8接地、反向输入端通过电阻R10接地并接电容C8的一端，运算放大器AR1输出端接电容C9的一端并通过电阻R9接二极管D5的负极、二极管D6的正极、集成电路U4的1脚、通过电阻R11接二极管D5的正极和二极管D6的负极以及电容C9的另一端，电容C8的另一端接地。

显示电路有液晶显示屏构成，液晶显示屏的1脚和16脚接地、2脚和15脚接电源、3脚通过电阻R7接地，液晶显示屏的4脚～14脚依次接集成电路U2的2脚～4脚、45脚、46脚、21脚、22脚、25脚～28脚。

采用上述的模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置的试验方法由以下步骤组成：

S1、依据正建或未建隧道长度、埋深、隧道横断面尺寸等几何参数和混凝土强度、浇注温度等施工参数确定模拟场参数；

S2、组装本装置，对压力盒和应变片依次编号，设定控制装置8的温度及湿度参数，同时，针对施工缝、变形缝等隧道结构薄弱区进行模拟构造；

S3、针对可能出现的渗漏位置，预埋渗流支管11进行模拟，并通过控制装置8设定其渗流量；

S4、根据打开控制装置8，根据预先设定的温度、湿度参数、渗流量进行试验，并观察控制装置8显示器反馈的数据；

S5、观察控制装置8显示器反馈的各编号处的压力及应变数据，根据各处的数据选取恰当的处治措施，如：改变衬砌强度或厚度、局部引排水、注浆、设置保温层、局部或全断面加热等，再次重复上述试验过程，观察处治效果，进一步选择处治措施。

Claims (7)

1.一种模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置,其特征在于：由封闭底板(1)、封闭侧板(14)、封闭顶板(13)相互垂直组成长方体封闭空间，在封闭底板(1)上堆砌长方体围岩(5)，围岩(5)内部长度方向上贯穿设置有隧道模型(4)，围岩(5)长度方向底部间隔设置有若干组围岩压力盒(3)、顶部设置有围岩顶板(12)，封闭顶板(13)下底部水平设置有若干圈渗流总管(10)，渗流总管(10)与围岩顶板(12)之间设置有渗流支管(11)，隧道模型(4)进出口端均设置有湿度控制器(9)和百叶扇，封闭顶板(13)和封闭侧板(14)之间设置有一圈上控温流体输出管(15)，封闭底板(1)和封闭侧板(14)之间设置有一圈下控温流体输出管(2)，上控温流体输出管(15)和下控温流体输出管(2)之间间隔设置有若干组控温流体分流管(16)，上控温流体输出管(15)和加热装置(7)相连通，下控温流体输出管(2)通过控温流体回流管(6)与加热装置(7)相连通，加热装置(7)、渗流总管(10)、湿度控制器(9)均与外部水箱相连通，围岩压力盒(3)、湿度控制器(9)、加热装置(7)、百叶扇与控制装置(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置，其特征在于：所述的渗流总管(10)与外部水箱之间设置有自控式流量调节阀及流量传感器，加热装置(7)与外部水箱之间设置有自控式流量调节阀及流量传感器，自控式流量调节阀及流量传感器与控制装置(8)电连接。

3.根据权利要求1所述的模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置，其特征在于所述的隧道模型(4)为：钢筋骨架(4-1)上浇筑隧道衬砌(4-3)，隧道衬砌(4-3)内拱形结构底部间隔设置有若干组应变片(4-2)，沿隧道衬砌(4-3)纵向均布温湿度传感器(4-4)，隧道衬砌(4-3)外拱形结构底部间隔设置有若干组模型压力盒(4-5)，应变片(4-2)、温湿度传感器(4-4)、模型压力盒(4-5)与控制装置(8)电连接。

4.根据权利要求1所述的模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置，其特征在于所述的控制装置(8)为：对整个控制装置(8)进行控制的主控制电路的输出端接显示电路的输入端，主控制电路的输出端接温湿度及渗流控制电路的输入端，数据采集电路的输出端接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路与信号放大电路相连接，A/D转换电路与主控制电路相连接。

5.根据权利要求4所述的模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置，其特征在于所述的主控制电路为：集成电路U2的10脚～17脚、29脚～31脚、5脚～7脚接温湿度及渗流控制电路，集成电路U2的18脚、19脚、42脚、43脚接信号采集电路，集成电路U2的20脚、39脚接A/D转换电路，集成电路U2的45脚、46脚、21脚、22脚、25脚～28脚、2脚～4脚接显示电路，集成电路U2的23脚、35脚、47脚、8脚接地，集成电路U2的24脚、36脚、48脚、9脚接电源；集成电路U2的型号为STM32F103CBT6。

6.根据权利要求4所述的模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置，其特征在于所述的温湿度及渗流控制电路为：集成电路U1的1脚通过电阻R1接电源、2脚通过电阻R2接电源、6脚接晶振Y1的一端和电容C1的一端、5脚接晶振Y1的另一端和电容C2的一端，集成电路U1的18脚～11脚、9脚、24脚、23脚、21脚、22脚、8脚依次接集成电路U2的10脚～17脚、29脚～31脚、5脚～7脚，集成电路U1的20脚、19脚、31脚、3脚、7脚、29脚接地，集成电路U1的10脚、32脚、4脚、30脚接电源，电容C1和电容C2的另一端接地；集成电路U1的型号为TVP5150AM1。

7.根据权利要求4所述的模拟极端环境下隧道衬砌变形破坏的试验装置，其特征在于所述的数据采集电路为：集成电路U2的18脚接温湿度传感器的2脚，温湿度传感器的1脚和3脚接地，集成电路U2的19脚接电阻R4的一端和电阻R3的一端，电阻R4的另一端和电阻R6的一端接地，电阻R6的另一端接电阻R5的一端和集成电路U2的19脚，电阻R5的另一点和电阻R3的另一端接电源，流量传感器U3的13脚、3脚依次接集成电路U2的43脚、42脚，流量传感器U3的16脚接电源、7脚和8脚接地，流量传感器U3的10脚、9脚、12脚、14脚、15脚、11脚、1脚、5脚、2脚、4脚接插针连接器P2。

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