一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统及使用方法与流程

本发明涉及隧道洞口边坡工程领域，特别涉及一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统及使用方法。

背景技术：

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，其面积约占我国国土面积的五分之一，随着我国国民经济的发展和西部大开发战略的推进，未来在冻土地区修筑高速公路、高速铁路和城市地铁隧道势在必行。

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度，由于冻土的这些特征，在冻土区修筑隧道就必须面临冻胀和融沉两大危险，比如在冬季，冻土像冰一样冻结，并且随着温度降低体积发生膨胀，隧道洞口边坡出现隆起；在夏季，冻土融化体积缩小，隧道洞口边坡又会出现凹陷。

随时间和温度的影响，冻土隧道洞口边坡岩体发生周期性的冻融循环，将对岩体的物理、力学性质产生较大的影响，在冻融循环环境下，外界温度的变化使岩体的强度降低，产生冻融损伤，因此这种冻融循环交替出现，对隧道洞口边坡的稳定性十分不利，容易造成泥流、滑坡和崩塌的失稳现象。

现有的科研工作者对隧道洞口边坡的稳定进行了大量的研究，但却对冻土地区受冻融循环影响的隧道洞口边坡稳定性研究较少。而对于冻土隧道洞口边坡稳定性来说，冻融周期性循环对边坡稳定影响巨大，容易带来大量的财产损失和人身安全问题，且现有的研究多是对冻土的冻融循环规律进行研究，而进行防治的手段却研究较少，因此，有必要对冻土隧道洞口边坡稳定性进行相关模拟试验。

技术实现要素：

本发明目的在于：针对在冻土地区修筑隧道时，由于冻土所具有的冻融周期性循环特性会对隧道洞口边坡稳定性产生较大影响的问题，提供一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统，其通过模拟使冻土层的温度稳定从而延缓冻土退化，在一定时间内起到保护冻土、增加岩土体热稳定性的作用，从而防止边坡土体冻胀而带来的隧道洞口边坡失稳，并能得到可靠的数据结果进行分析，从而为实际冻土隧道工程提供参考和建议，避免冻土隧道洞口边坡意外发生。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统，包括模型系统、边坡调温系统、测量系统和数据处理装置，其中：

所述模型系统包括用于盛装冻土试样的模型箱和设于箱内的隧道模型，所述模型箱能够成型隧道洞口边坡造型；

所述边坡调温系统设于隧道洞口边坡上，能够用于对模型箱内的冻土试样进行温度调节；

所述测量系统包括温度检测装置和位移检测装置，分别用于测量冻土试样的温度和隧道洞口边坡位移变化；

所述数据处理装置与所述测量系统相连，用于对测量系统反馈的数据进行储存和分析。

本发明通过设置模型系统模拟冻土隧道洞口边坡和隧道，边坡调温系统对模型箱内的冻土试样进行温度调节，提高冻土试样的热稳定性，测量系统对冻土试样的温度和隧道洞口边坡位移变化进行监测，数据处理装置对测量系统反馈的数据进行储存和分析，为冻土隧道洞口边坡稳定性提供参考和有效建议，从而有效避免冻土隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

作为本发明的优选方案，所述模型箱呈中空长方体结构，所述模型箱的两个相对的侧面分别连有倾斜布置的侧板，所述侧板上设有用于安装隧道模型的通孔，所述侧板为伸缩式结构。通过将长方体结构的模型箱两侧设置成倾斜的侧板，同时在侧板上设置通孔，将隧道模型穿入两个通孔内，向模型箱内填入冻土试样即可成型隧道和隧道洞口边坡模型；通过设置伸缩式结构的侧板，可以满足在将侧板调至不同倾斜角度时，隧道模型可从两个侧板上的通孔中穿过。

作为本发明的优选方案，所述侧板与模型箱底部铰接相连。通过将侧板与模型箱底部铰接，可以方便调整侧板的倾斜角度以模拟在不同边坡角度下的冻土隧道洞口边坡稳定性情况。

作为本发明的优选方案，所述模型箱上设有用于标识侧板倾斜角度的刻度尺，可以便于识别当前正在进行测试的边坡角度。

作为本发明的优选方案，所述边坡调温系统包括设于隧道洞口边坡下部的碎石护坡和多根传热棒，所述传热棒穿过碎石护坡后插于冻土试样内。通过在隧道洞口边坡堆填碎石护坡和插设传热棒，两者能对模型箱内的冻土试样起到热调节作用，增加冻土试样的热稳定性。

需要说明的是，碎石护坡调温原理如下：在暖季，由于热空气密度较小，因此热量很难进入冻土试样，而碎石之间的空气流动和地表水蒸发后又能带走热量，可以起到热屏蔽作用；在寒季，由于冷空气密度较大，在自重和风的作用下将碎石层中的热空气挤走，冷空气更容易进入冻土试样，因而能对冻土层起到保护作用。

需要说明的是：传热棒是倾斜插设的，其利用汽液两相对流进行换热，传热棒内填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质，传热棒两端分别为蒸发段和冷凝端，中间为绝热段。当传热棒蒸发段吸收热量后，氨、氟利昂、丙烷等物质由液态转化为气态，然后上升至冷凝段，热量通过冷凝发散，氨、氟利昂、丙烷等物质再由气态液化为液态，在重力的作用下流回蒸发段，如此循环往复降低蒸发段周围冻土温度，增加冻土本身的冷储量，提高冻土热稳定性。

作为本发明的优选方案，所述边坡调温系统还包括设于隧道洞口边坡上部的隔热保温材料和通风管，所述通风管穿过隔热保温材料后插于冻土试样内。通过在隧道洞口边坡上设置隔热保温材料，其具有单向导热能力，在不影响冷气进入冻土层的情况下增大热阻，减小自然热源和人为热源的热量进入到冻土层内，防止冻土试样升温融化，同时通风管可以起到隔热作用，减少热量传入冻土层，冬季时冷空气在管内对流，加强了边坡冻土的散热，降低边坡温度，提高冻土的热稳定性。

作为本发明的优选方案，所述模型箱顶部还设有遮阳板，所述遮阳板采用涤纶材料制成，其上侧涂有防水层，该遮阳板可以减少太阳辐射对冻土边坡的影响，减少传入冻土地基的热量，提高冻土的稳定性。

作为本发明的优选方案，所述碎石护坡的厚度为1.0～1.5米，以让碎石护坡具有很好的调温效果。

作为本发明的优选方案，向阳面的碎石护坡厚度大于背阴面的碎石护坡厚度，以调节在向阳面和背阴面冻土地温场的不均衡性。

作为本发明的优选方案，所述传热棒内设有导热介质，以增加传热棒的导热效率。

作为本发明的优选方案，所述通风管的管口设有自动风门，所述自动风门能根据外界温度情况自动开启或关闭。通过在通风管的管口设置自动风门，当外界气温低时风门开启，以利冷空气进入管内；当外界气温高时风门关闭，以防热空气进入管内。

作为本发明的优选方案，所述温度检测装置为设于模型箱内侧的温度传感器，所述位移检测装置为设于隧道洞口边坡的位移计。

本发明还提供一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，包括以下步骤：

a、制备冻土试样；

b、调整模型箱两边的侧板倾斜角度；

c、向模型箱内填入冻土试样并成型隧道洞口边坡；

d、在隧道洞口边坡下部堆填碎石护坡并插入传热棒；

e、在隧道洞口边坡上部埋设通风管并铺设隔热保温材料；

f、在模型箱顶部设置遮阳板。

该冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统的使用方法，通过调节侧板的倾斜角度后，向模型箱内填充冻土试样及放入隧道模型，以成型隧道及隧道洞口边坡模型，然后在隧道洞口边坡通过设置碎石护坡、传热棒、通风管、隔热保温材料以及遮阳板等措施对模型箱内冻土试样进行温度调节，以增加模型箱内冻土试样的热稳定性，同时对边坡位移进行监测，为冻土隧道洞口边坡稳定性提供参考，从而避免冻土隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

作为本发明的优选方案，在所述步骤a中，冻土试样采用分块制作，且冻土试样表层和内部的温度一致。

作为本发明的优选方案，在所述步骤c中，在填入冻土试样前，需在模型箱内侧安装温度检测装置，以监测箱内冻土试样的温度状况。

作为本发明的优选方案，在所述步骤d中，堆填碎石护坡时需在隧道洞口边坡上安装位移检测装置，以监测隧道洞口边坡的位移状况。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置模型系统模拟冻土隧道洞口边坡和隧道，边坡调温系统对模型箱内的冻土试样进行温度调节，提高冻土试样的热稳定性，测量系统对冻土试样的温度和隧道洞口边坡位移变化进行监测，数据处理装置对测量系统反馈的数据进行储存和分析，为冻土隧道洞口边坡稳定性提供参考和有效建议，从而有效避免冻土隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生；

2、通过将长方体结构的模型箱两侧设置成倾斜的侧板，同时在侧板上设置通孔，将隧道模型穿入两个通孔内，向模型箱内填入冻土试样即可成型隧道和隧道洞口边坡模型；

3、通过在隧道洞口边坡堆填碎石护坡和插设传热棒，两者能对模型箱内的冻土试样起到热调节作用，增加冻土试样的热稳定性；

4、通过在隧道洞口边坡上设置隔热保温材料，其具有单向导热能力，在不影响冷气进入冻土层的情况下增大热阻，减小自然热源和人为热源的热量进入到冻土层内，防止冻土试样升温融化，同时通风管可以起到隔热作用，减少热量传入冻土层，冬季时冷空气在管内对流，加强了边坡冻土的散热，降低边坡温度，提高冻土的热稳定性；

5、本发明装置结构组装简单，装置作用分工明确，可方便操作，便于观测，得到的试验数据更精确。

附图说明

图1为本发明冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统整体示意图。

图2为图1中的模型系统示意图。

图3为本发明冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用流程图。

图中标记：1-模型箱，11-侧板，12-通孔，13-工作台，14-刻度尺，15-顶板，2-隧道模型，3-碎石护坡，4-传热棒，5-通风管，6-隔热保温材料，7-位移计，8-遮阳板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统；

如图1-图3所示，本实施例中的冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统，包括模型系统、边坡调温系统、测量系统和数据处理装置，其中：

所述模型系统包括用于盛装冻土试样的模型箱1和设于箱内的隧道模型2，所述模型箱能够成型隧道洞口边坡造型；

所述边坡调温系统设于隧道洞口边坡上，能够用于对模型箱内的冻土试样进行温度调节；

所述测量系统包括温度检测装置和位移检测装置，分别用于测量冻土试样的温度和隧道洞口边坡位移变化；

所述数据处理装置与所述测量系统相连，用于对测量系统反馈的数据进行储存和分析。

本实施例中，所述模型箱呈中空长方体结构，所述模型箱的顶板15可拆卸，所述模型箱1的两个相对的侧面分别连有倾斜布置的侧板11，所述侧板11上设有用于安装隧道模型2的通孔12。通过将长方体结构的模型箱两侧设置成倾斜的侧板，同时在侧板上设置通孔，将隧道模型穿入两个通孔内，向模型箱内填入冻土试样即可成型隧道和隧道洞口边坡模型。本实施例中的侧板为伸缩式结构，即在侧板下部设置夹层，侧板上部插于夹层中，当调整侧板倾斜角度时，只需将侧板上部从夹层中抽出，则可调整侧板上的通孔位置，以满足在将侧板调至不同倾斜角度时，隧道模型可从两个侧板上的通孔中穿过。

本实施例中，所述侧板与模型箱底部铰接相连。通过将侧板与模型箱底部铰接，可以方便调整侧板的倾斜角度以模拟在不同边坡角度下的冻土隧道洞口边坡稳定性情况。

本实施例中，所述模型箱1上设有用于标识侧板11倾斜角度的刻度尺14，可以便于识别当前正在进行测试的边坡角度。

本实施例中，所述模型箱1的两侧还设有工作台13，该工作台可以支撑隧道模型，以方便将隧道模型插入侧板上的通孔中。本实施例中的模型箱以及工作台均采用不锈钢制成。

本实施例中，所述边坡调温系统包括设于隧道洞口边坡下部的碎石护坡3和多根传热棒4，所有的传热棒4呈三排分布且穿过碎石护坡3后插于冻土试样内。通过在隧道洞口边坡堆填碎石护坡和插设传热棒，两者能对模型箱内的冻土试样起到热调节作用，增加冻土试样的热稳定性。

需要说明的是，碎石护坡调温原理如下：在暖季，由于热空气密度较小，因此热量很难进入冻土试样，而碎石之间的空气流动和地表水蒸发后又能带走热量，可以起到热屏蔽作用；在寒季，由于冷空气密度较大，在自重和风的作用下将碎石层中的热空气挤走，冷空气更容易进入冻土试样，因而能对冻土层起到保护作用。

需要说明的是：传热棒是倾斜插设的，其利用汽液两相对流进行换热，传热棒内填充了氨、氟利昂、丙烷、二氧化碳等物质，传热棒两端分别为蒸发段和冷凝端，中间为绝热段。当传热棒蒸发段吸收热量后，氨、氟利昂、丙烷等物质由液态转化为气态，然后上升至冷凝段，热量通过冷凝发散，氨、氟利昂、丙烷等物质再由气态液化为液态，在重力的作用下流回蒸发段，如此循环往复降低蒸发段周围冻土温度，增加冻土本身的冷储量，提高冻土热稳定性。

本实施例中，所述边坡调温系统还包括设于隧道洞口边坡上部的隔热保温材料6和通风管5，所述通风管5穿过隔热保温材料6后插于冻土试样内。通过在隧道洞口边坡上设置隔热保温材料，其具有单向导热能力，在不影响冷气进入冻土层的情况下增大热阻，减小自然热源和人为热源的热量进入到冻土层内，防止冻土试样升温融化，同时通风管可以起到隔热作用，减少热量传入冻土层，冬季时冷空气在管内对流，加强了边坡冻土的散热，降低边坡温度，提高冻土的热稳定性。

本实施例中的所述通风管5为钢筋混凝土管或pvc管，其净距一般不超过1.0米，管径为0.3～0.4米；所述隔热保温材料采用挤塑聚苯乙烯等隔热材料，铺设时间宜选择在寒季末。

本实施例中，所述模型箱1顶部还设有遮阳板8，所述遮阳板为涤纶材料，其顶面涂有防水层，该遮阳板可以减少太阳辐射对冻土边坡的影响，减少传入冻土地基的热量，提高冻土的稳定性。

本实施例中，所述碎石护坡的厚度为1.0～1.5米，以让碎石护坡具有很好的调温效果。

本实施例中，向阳面的碎石护坡厚度大于背阴面的碎石护坡厚度，以调节在向阳面和背阴面冻土地温场的不均衡性，具体的向阳面的碎石护坡厚度可取1.6米，背阴面的碎石护坡厚度可取0.8米。

本实施例中，所述传热棒内设有导热介质，以增加传热棒的导热效率，其直径约15厘米、高约2米。

本实施例中，所述通风管的管口设有自动风门，所述自动风门能根据外界温度情况自动开启或关闭。通过在通风管的管口设置自动风门，当外界气温低时风门开启，以利冷空气进入管内；当外界气温高时风门关闭，以防热空气进入管内。

本实施例中，所述温度检测装置为设于模型箱内侧的多个温度传感器，所述位移检测装置为设于隧道洞口边坡的多个位移计7，所有的位移计呈两排分布在隧道洞口边坡下部。本实施例中的模拟系统还设有太阳能电池，可以在高寒地区能源匮乏的情况下长期供电，环保节能。

本实施例通过设置模型系统模拟冻土隧道洞口边坡和隧道，边坡调温系统对模型箱内的冻土试样进行温度调节，提高冻土试样的热稳定性，测量系统对冻土试样的温度和隧道洞口边坡位移变化进行监测，数据处理装置对测量系统反馈的数据进行储存和分析，为冻土隧道洞口边坡稳定性提供参考和有效建议，从而有效避免冻土隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

实施例2

本实施例提供一种冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法；

如图1-图3所示，本实施例中的冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统使用方法，包括以下步骤：

a、制备冻土试样；

b、调整模型箱1两边的侧板11倾斜角度；

c、向模型箱1内填入冻土试样并成型隧道洞口边坡；

d、在隧道洞口边坡下部堆填碎石护坡3并插入传热棒4；

e、在隧道洞口边坡上部埋设通风管5并铺设隔热保温材料6；

f、在模型箱1顶部设置遮阳板8。

本实施例中，在所述步骤a中，在实验室使用制冷机设备制得要使用的冻土试样，所制冻土试样温度表层和内部一致，以保证冻结效果，且冻土采用分块实现，每块的尺寸制作为30cm×30cm×30cm。

本实施例中，在所述步骤c中，在填入冻土试样前，需在模型箱内侧安装温度检测装置，以监测箱内冻土试样的温度状况。

具体的，本实施例中成型隧道及洞口边坡的方法如下：在模型箱组装调节完毕后，向模型箱内填充冻土试样至侧板上的通孔底部，并压实土体使其平整；将隧道模型穿过两个侧板上的通孔后水平放入模型箱，向模型箱内继续填满冻土试样并压实；盖上模型箱的顶板待试验土体模型压实成型后，取下模型箱的顶板以及模型箱两侧的侧板。

本实施例中，在所述步骤d中，堆填碎石护坡时需在隧道洞口边坡上安装位移检测装置，以监测隧道洞口边坡的位移状况。

该冻土隧道洞口边坡稳定性模拟系统的使用方法，通过调节侧板的倾斜角度后，向模型箱内填充冻土试样及放入隧道模型，以成型隧道及隧道洞口边坡模型，然后在隧道洞口边坡通过设置碎石护坡、传热棒、通风管、隔热保温材料以及遮阳板等措施对模型箱内冻土试样进行温度调节，以增加模型箱内冻土试样的热稳定性，同时对边坡位移进行监测，为冻土隧道洞口边坡稳定性提供参考，从而避免冻土隧道洞口边坡滑坡、坍塌等事故的发生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。