一种地下工程冻结施工实训装置的制作方法

本实用新型涉及一种地下工程冻结施工实训装置，适用于岩土工程模拟施工技术领域。

背景技术：

冻结法施工技术，就是在地下工程施工当中，利用人工制冷技术把土壤中（或裂隙岩层中）的水冻结成冰，形成冻土帷幕结构体来抵抗水土压力（或封堵地下水力通道），以保证地下工程施工的顺利进行。作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市地下工程和煤矿建设中。

冻结法施工效果的影响因素较多。自然因素包括土质，土层含水量，土中含盐量等。设计因素有冻结管直径、冻结管间距、盐水温度等。以上各因素对冻结壁厚度和冻结时间均有影响。

目前，用于教学的冻结法施工装置多为演示模型，结构简单，不具备冻结试验和研究的功能。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种研究冻结效果与冻结管路布置、冻结时间、土层含水量、土层含盐量等参数之间关系的模拟施工实训装置。

为实现上述发明目的，本实用新型采取的技术方案为：一种地下工程冻结施工实训装置，包括若干段内钢筒和一体式外钢筒，模拟土层位于所述内钢筒和所述外钢筒之间的空腔里；所述外钢筒下端通过井壁环形挡板固定在下支承筒体上，所述下支承筒体内侧壁面安装有支座，所述支座上安装有井壁支承千斤顶，所述内钢筒穿过导向环后支撑在所述井壁支承千斤顶上；所述外钢筒上端固定有反力架耳环，所述反力架耳环中间安装有井壁下移千斤顶，所述井壁下移千斤顶通过反力下梁推动每段所述内钢筒向下运动；所述模拟土层内设有若干冻结孔，所述冻结孔内安装有冻结管，环形水管位于所述模拟土层的上端，所述模拟土层内还设有温度传感器。

上述方案中，所述内钢筒和所述外钢筒之间的空腔设置有若干块隔板，每相邻两块所述隔板之间放置有不同类型的模拟土层。

上述方案中，所述反力架耳环的下方还设有反力上梁，所述反力上梁上固定有若干土层压力补偿千斤顶，所述土层压力补偿千斤顶通过承力板与所述模拟土层接触。

上述方案中，与所述井壁下移千斤顶接触的一段内钢筒为带有视窗口的内钢筒。上述方案中，所述环形水管的入口与连接在外钢筒上的水平供水管连接，所述冻结管的入口与连接在外钢筒上的供液管连接，所述冻结管与位于在所述模拟土层内的集液圈连接。。

上述方案中，所述下支承筒体上开有进人口。

上述方案中，所述外钢筒通过外筒连接法兰连接呈一体。

上述方案中，所述反力架耳环通过反力架法兰连接在所述外钢筒上的上支承盖上。

本实用新型的有益效果：1） 通过设置模拟的冻结施工装置，可以揭示冻结体形成过程；2） 利用本发明的模拟冻结施工装置，可以改变不同的环境条件，来揭示冻结效果与冻结管路布置、冻结时间、土层含水量、土层含盐量等参数之间的关系。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本发明装置的主视图。

图2为本发明装置的俯视图。

图3为图1中A-A的剖面图。

图4为支护前的冻结壁结构图。

图5为支护后的冻结壁结构图。

图6为本发明开有视窗孔的普通钢制内钢筒的俯视图。

图7为图6中B-B剖面图。

图中：1-反力架耳环；2-反力上梁；3-井壁下移千斤顶；4-反力下梁（十字）；5-反力架法兰；6-上支承盖；7-集液圈；8-模拟土层；9-外钢筒；10-冻结孔；11-隔板；12-外筒连接法兰；13-冻结管；15-下支承筒体；16-导向环；17-井壁支承千斤顶；18-支座；19-井壁环形挡板；20-供液管；22-环形水管；23-水平供水管；24-进人口；25-视窗口；26-土层压力补偿千斤顶；27-承力板；28-温度传感器；29-内钢筒。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的一种地下工程冻结施工实训装置包括若干段内钢筒29和一体式外钢筒9，模拟土层8位于所述内钢筒29和所述外钢筒9之间的空腔里；其中，所述内钢筒29和所述外钢筒9之间的空腔设置有若干块隔板11，每相邻两块所述隔板11之间可以放置有不同类型的模拟土层8。所述外钢筒9通过外筒连接法兰12连接呈一体。所述外钢筒9下端通过井壁环形挡板19固定在下支承筒体15上，所述下支承筒体15上开有进人口24。所述下支承筒体15内侧壁面安装有支座18，所述支座18上安装有井壁支承千斤顶17，所述内钢筒29穿过导向环16后支撑在所述井壁支承千斤顶17上；其中，与所述井壁下移千斤顶3接触的一段内钢筒29上开有视窗口25（见附图图6及图7所示）。其他段的内钢筒为普通钢制内钢筒，上面不开视窗口。所述外钢筒9上端固定有反力架耳环1，其具体连接方式为：所述反力架耳环1通过反力架法兰5连接在所述外钢筒上的上支承盖6上。所述反力架耳环1中间安装有井壁下移千斤顶3，所述井壁下移千斤顶3通过反力下梁4推动每段所述内钢筒29向下运动；所述反力架耳环1的下方还设有反力上梁2，所述反力上梁2上固定有若干土层压力补偿千斤顶26，所述土层压力补偿千斤顶26通过承力板27与所述模拟土层8接触。所述模拟土层8内设有若干冻结孔10，所述冻结孔10内安装有冻结管13，所述冻结管13的入口与连接在外钢筒9上的供液管20连接，所述冻结管13与位于所述模拟土层8内的集液圈7连接，所述冻结管13内的冷媒体与模拟土层8进行热交换后返回到集液圈7。环形水管22位于所述模拟土层8的上端，所述环形水管22的入口与连接在外钢筒9上的水平供水管23连接，所述模拟土层8内还设有温度传感器28。

本实用新型提供的冻结施工模拟装置的操作原理如下：（1）在内钢筒29和所述外钢筒9之间的空腔里装填模拟土层8。具体讲，由隔板11分开的三个部分装填不同性状的模拟土层。模拟土层内布置冻结管、环形水管和温度传感器等。土层由下往上分层装填，内部分段的内钢筒（相当于钢制组合井壁）随土层加高也相应加高。模拟深部土体时，在土层装填满之后，用土层压力补偿千斤顶对土层加压。（2）给土层供水到设计含水量，输送循环冷冻液到冻结管。

（3）记录温度传感器数据，判断土层冻结情况。（4）工作人员从进人口24进入，通过开有视窗口的内缸筒可以观察不同部位不同模型处的井壁冻结情况。（5）冻结完毕后，移除井壁支承千斤顶17并用井壁下移千斤顶3推动最上面的内钢筒，则所有内缸筒带动带有视窗口的内钢筒缓慢下移，模拟冻结井筒开挖（详见图4）。在模拟冻结井筒开挖过程中，视下移情况，在带有视窗口的缸筒上面不断接长普通缸筒并不断下移，模拟井筒支护（详见图5）。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。