一种寒区隧道温度场室内实验系统的制作方法

本发明涉及隧道领域，具体涉及一种寒区隧道温度场室内实验系统。

背景技术：

我国寒区面积分布广泛，交通运输需求旺盛，隧道工程作为穿山越岭的有效方式被广泛采用。在冬季，由于负温环境导致隧道冻害时有发生，一方面表现为冰溜、冰柱、冰塞等结冰问题，另一方面表现为隧道结构受到冻胀力问题导致破损、掉块甚至坍塌问题。如何有效科学的对寒区隧道温度场进行研究至关重要。

目前，相关的温度场室内模拟技术能对隧道结构和保温结构进行了模拟，但对于多因素影响下复杂环境中的温度边界控制不力，不能有效再现寒区隧道围岩温度场的多变环境，对实验结果的准确性存在较大影响。

建立寒区隧道温度场的三维室内试验系统，提出相应的试验系统，解决寒区隧道在洞口气候条件(气温、风速、风向)、水文条件(流速、水温)和围岩条件(温度、导热)影响下的寒区隧道温度场分布和排水沟冻融问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种寒区隧道温度场室内实验系统，具体技术方案如下：

一种寒区隧道温度场室内实验系统，包括主控制器和实验模型，其关键在于：所述实验模型包括冷冻室(12)和隧道模型(6)，所述隧道模型(6)设置在所述冷冻室(12)的内部，所述主控制器位于所述冷冻室的外部；

所述隧道模型(6)内表面上由外向内依次设置有外边界温控带(4)、围岩(1)和隧道本体(2)，所述外边界温控带(4)内设有电加热器，所述围岩(1)内分布有围岩温度传感器，该围岩温度传感器靠近所述隧道本体(2)的外圆周，所述隧道本体(2)下部设置有排水沟(3)，在该排水沟(3)内分布有水温传感器和水流量传感器；

所述冷冻室(12)内还设置有保温水箱(9)、变频风机(7)、空调风机(10)和室温传感器，所述保温水箱上设有水加热器和供水泵，所述供水泵的进水口与所述保温水箱(9)的出水口相通，该供水泵的出水口经供水管与所述排水沟(3)相通，所述变频风机(7)位于所述隧道模型(6)的洞口处且朝向该洞口；

所述围岩温度传感器、水温传感器、水流量传感器、室温传感器、变频风机(7)、空调风机(10)、电加热器、水加热器和供水泵均与所述主控制器相连。

本发明是这样实现的：主控制器控制和记录整个温度场室内实验过程，并通过调整空调风机和变频风机模拟隧道洞口的气候环境，通过调整外边界温控带的电加热器，同时利用围岩温度传感器实时控制和监测围岩温度，使围岩模拟出实际地温，通过调整保温水箱内的水温，然后将不同温度和不同流量的水输送到隧道模型内的排水沟中，模拟地下水在寒区隧道排水沟中流动、结冰和融化的过程，实现寒区隧道排水环境、围岩环境和洞口气候环境影响下的温度场与排水沟冻融试验。

为更好的实现本发明，可进一步为：

所述隧道本体(6)包括初期支护(2-2)和二次衬砌(2-1)，在所述初期支护(2-2)和二次衬砌(2-1)之间设有隧道温度传感器；所述排水沟(3)位于所述二次衬砌(2-1)的仰拱上，所述供水管一端与所述供水泵相连，另一端与所述排水沟(3)相通，在所述供水管上设有水压传感器，所述水压传感器和隧道温度传感器均与所述主控制器相连；在实验的过程中实时监测隧道结构的温度变化情况，当排水沟的水开始结冰并堵塞管路时，通过检测供水管内的压力来控制供水管的进水量，当水冻结时可以减小供水管的进水量，从而避免因管路堵塞、压力急剧升高导致的管路爆裂、漏水等问题，提高实验的成功率；

所述隧道模型(6)由支架(5)支撑，所述支架(5)上端与所述隧道模型(6)的外边界温控带(4)连接，在所述外边界温控带(4)和支架(5)之间设有软质橡胶层；软质橡胶层起隔热、缓冲、防穿刺的作用，在支架两端设置有千斤顶调节隧道模型两端的高度，使隧道模型的纵坡与实际相符；

所述冷冻室(12)设有双层保温门(11)，所述空调风机(10)的压缩机(10-1)设置在所述冷冻室(12)外；这样，使冷冻室的保温效果更好；

所述室温传感器靠近所述隧道模型(6)，使模拟的寒区隧道温度环境更准确。

本发明的有益效果为：实现对寒区隧道在排水环境、围岩环境和洞口气候环境影响下的温度场和排水沟冻融进行仿真试验，测试地温、水温和气温三者的相互作用对寒区隧道产生的影响；采用控制供水压力和检测排水沟中水流量，能够合理模拟地下水在排水沟中的冻结与融化全过程；设置的变频电机能够对隧道洞口的小气候环境对寒区隧道的冻害影响进行试验；设置的主控制器能够全程实时监测并控制气温、排水沟内水温和隧道模型结构内的温度变化情况，方便实验分析。

附图说明

图1为本实验系统中主控制器的连接框图；

图2为本实验系统中实验模型的结构示意图；

图3为本实验系统中隧道模型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1、图2和图3所示：一种寒区隧道温度场室内实验系统，包括主控制器和实验模型，实验模型包括冷冻室12和隧道模型6，隧道模型6设置在冷冻室12的内部，主控制器设置在冷冻室12的外部，方便操作员对主控制器进行操作；

隧道模型6内表面上由外向内依次设置有外边界温控带4、围岩1和隧道本体2，外边界温控带4内设有电加热器，围岩1内分布有围岩温度传感器，该围岩温度传感器靠近隧道本体2的外圆周，隧道本体2下部设置有排水沟3，在该排水沟3内分布有水温传感器和水流量传感器；隧道模型6由支架5支撑，支架5上端与隧道模型6的外边界温控带4连接，在外边界温控带4和支架5之间设有软质橡胶层；隧道本体6包括初期支护2-2和二次衬砌2-1，在初期支护2-2和二次衬砌2-1之间设有隧道温度传感器；排水沟3位于二次衬砌2-1的仰拱上，并贯穿隧道模型6设置，供水管一端与供水泵相连，另一端与排水沟3的一端相通，在供水管上设有水压传感器，水压传感器和隧道温度传感器均与主控制器相连；

冷冻室12内还设置有保温水箱9、变频风机7、空调风机10和室温传感器，室温传感器靠近隧道模型，保温水箱上设有水加热器和供水泵，供水泵的进水口与保温水箱9的出水口相通，供水泵的出水口经供水管与排水沟3相通，变频风机7位于隧道模型6的洞口处且以不同角度朝向该洞口，冷冻室12设有双层保温门11，空调风机10的压缩机10-1设置在冷冻室12外；

围岩温度传感器、水温传感器、水流量传感器、室温传感器、变频风机7、空调风机10、电加热器、水加热器和供水泵均与主控制器相连。

其中：采用石膏、铁丝网、水、铁粉、防渗胶水等材料，制作含排水沟3的隧道模型6，如果隧道试验段较长，可以采用分段制作、整体组合的方式完成，每段隧道模型6的长度不超过1m；

隧道模型6深埋段围岩1稍微加厚，一般取为5m厚，保证围岩1恒温效果，降低隧道模型6外边界的温度影响，对于隧道模型6的浅埋段，上覆和左右岩层厚度以实际厚度为准，下部厚度取值与深埋段的相同；支架5的表面覆盖有软质橡胶层，起隔热、缓冲、防穿刺的作用，设置不同高度的支架5，使隧道模型6的纵坡与实际相符；

在外边界控温带4上分层填筑围岩1，并在靠近隧道本体2的地方预埋围岩温度传感器；在隧道本体2的初期支护2-2和二次衬砌2-1间埋置隧道温度传感器；设置变频风机7在隧道模型6洞口的位置，根据寒区隧道现场实际风向调整变频风机7相对洞口的风向。

本发明是这样工作的：检查各传感器及各执行器件与主控制器的连接状况，避免误连；

对保温水箱9进行充水，并对各传感器及各执行器件的工作状态进行调试；

调试完成后，停止保温水箱9对排水沟供水、停止对外边界温控带4的加热和关闭变频电机7，然后启动空调风机10的压缩机10-1对冷冻室12进行降温，将冷冻室12温度设定为模拟对象寒区现场的实际温度，然后加热外边界温控带4，使围岩1的温度达到隧道模型6初始地温的设定要求；

对保温水箱9内的水温进行调节，使水温达到模拟寒区隧道现场的地下水温，启动供水泵，仿真寒区隧道现场排水沟3的水流情况；

启动并调节变频风机7模拟寒区隧道现场洞口处的气候；

实时记录各类测点的测试数据，直至试验结束。