一种隧道温度场模拟方法与流程

本发明涉及一种隧道温度场模拟方法，属于隧道温度场模拟装置的操作方法技术领域。

背景技术：

在高海拔、高纬度地区修建的隧道数量不断增加，寒区隧道的冻害问题日益突出。据日本、挪威和中国的冻害统计资料显示，日本(1999年)全线3819座铁路隧道，发生冻害的隧道有2135座，占隧道总数的56％，冬季因冻害而危及行车安全的事件屡有发生；挪威(1990年)国内几乎所有的铁路隧道都出现了不同程度的衬砌开裂、挂冰及冰溜等冻害；中国(2014年)全线11516座铁路隧道，发生冻害的隧道有5990座，占隧道总数的52％，其中2937座发生严重冻害，占隧道总数的26％。

大量寒区铁路隧道建设和运营情况表明，低温引起的冻害普遍存在于既有铁路隧道中，这些冻害既对隧道结构造成严重破坏，同时也给铁路运营安全埋下重大安全隐患。温度是引起寒区隧道冻害的主要原因之一，就目前而言缺乏寒区隧道洞内温度场规律的深入认识，更缺乏高速列车风对寒区隧道冻害影响规律研究，防寒设计多以经验为主，出现的隧道冻害问题较多。引起寒区隧道温度场变化规律的因素具有多样性，国内尚没有考虑不同洞内气温、围岩地温、洞内风速大小和持续时间长短、列车发射速度大小和频率情况下寒区隧道温度场监测装置及其试验方法。因此，如何有效科学地对寒区隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律进行研究至关重要。

目前，寒区隧道温度场相关的模型试验能够得到单一因素、局部范围内的洞内温度场的分布规律，缺乏多因素影响下隧道洞内径向和纵向温度场变化规律的试验装置及其试验方法。由上述分析知，寒区高速铁路隧道温度场模型试验的研究具有理论意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种隧道温度场模拟方法，该方法的研究成果可以明确寒区高铁隧道在多因素条件下隧道洞内径向和纵向温度场变化规律，为寒区隧道防寒保温设计提供试验数据支持。

为达到上述目的，本发明提供

一种隧道温度场模拟方法，包括以下步骤：

将围岩堆砌成隧道模型，通过制冷室模拟外界环境空气温度；

固定外界环境空气温度，调节隧道模型洞内空气温度达到设定温度，调节隧道模型地面温度达到设定温度，保持该状态一段时间并实时测量并记录隧道模型内部温度；

固定外界环境空气温度、隧道模型洞内空气温度和隧道模型地面温度，递增调节隧道模型洞内风速大小和风速持续时间，并在此时间段内实时测量并记录隧道模型洞内的风速和隧道模型内部温度；

固定外界环境空气温度、隧道模型洞内空气温度和隧道模型地面温度，递增调节隧道模型洞内风速大小和运行频率，保证风速大小和运行频率持续相同时间，并在此时间段内实时测量并记录隧道模型洞内的风速和隧道模型内部温度；

固定外界环境空气温度、隧道模型洞内空气温度和隧道模型地面温度，调节射流风机装置的射流风速模拟列车以不同的运行速度通过隧道时所带来的风，同时实时测量并记录隧道模型洞内风速和隧道模型内部温度；拟合分析实验数据，得出隧道模型洞内空气温度、隧道模型地面温度和隧道模型洞内风速大小的变化规律。

优先地，包括用于调节隧道模型洞内空气温度的围岩地温控制装置，所述围岩地温控制装置均匀铺设在围岩拱顶外围。

优先地，包括用于调节外界环境的制冷室，所述制冷室包裹围岩及围岩地温装置。

优先地，包括用于调节隧道模型洞内风速大小的抽风式射流风机。

优先地，包括用于测量隧道模型内部温度的温度测试组和用于测量隧道洞内风速的风速测试组，温度测试组等间距埋设在隧道模型中，风速测试组等间距布设在隧道模型洞内。

优先地，所述围岩为沙子、重晶石、凡士林和石膏的混合物。

优先地，所述温度测试组包括若干个温度测试点，若干个所述温度测试点等间距设置在围岩上；所述风速测试组包括若干个风速测试点，若干个所述风速测试点对称地固定设置在围岩洞中。

优先地，所述温度测试点为温度传感器；所述风速测试点为风速传感器。

本发明所达到的有益效果：

本发明用于研究不同洞内气温下、不同围岩地温下、不同洞内风速大小下和持续时间长短隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律，为寒区隧道防寒保温设计提供依据，具有重要的理论意义和应用价值。本新型具有适应范围广，可靠度高，试验精度高，建造费用低等优点，为进一步明确寒区隧道洞内空气温度场、围岩径向和纵向温度场的变化规律。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的平面图；

图3是本发明的流程图。

附图标记含义，1-照明灯；2-摄像装置；3-围岩地温控制装置；4-射流风机；5-温度测试点；6-风速测试点；7-围岩；8-制冷室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，

一种寒区高速铁路隧道空气幕模拟实验装置，包括框体、围岩地温控制装置3、风流制造机构、温度测试组和风速测试组，所述围岩外形堆砌成隧道模型，所述围岩地温控制装置3安装在围岩7外围，所述风流制造机构固定设置在围岩7一端，围岩7中安装若干个所述温度测试组和若干个所述风速测试组。

进一步地，所述温度测试组包括若干个温度测试点5，若干个所述温度测试点5等间距设置在围岩7内部；所述温度测试点5为温度传感器，温度测试仪型号为星仪cwdz11。

进一步地，所述风速测试组包括若干个风速测试点6，若干个所述风速测试点6对称地固定设置在围岩7洞中；所述风速测试点6为风速传感器，风速传感器型号为建大仁科rs-fs-n01。

进一步地，所述风流制造机构为可制热的抽风式射流风机4，抽风式射流风机4固定设置在围岩7的一端，风速的调节范围为1m/s～30m/s，抽风式射流风机型号为蓝能sds。

进一步地，所述围岩地温控制装置3为现有技术中采用内循环风冷式的制冷设备，循环介质为乙二醇和水以7:3的混合物，通过内置水压力保证水不断循坏来维持水温，以此来控制围岩及隧道地温温度，围岩地温控制范围为0℃～15℃，所述围岩地温控制装置3均匀铺设在围岩7拱顶外围。

进一步地，从围岩7的洞口向里每间隔0.5m布设一个温度测试组，温度测试组包括五个温度测试点5，五个温度测试点5分别布设在围岩7的拱顶中、围岩7的左右拱腰中和围岩7的左右墙脚中，五个温度测试点5沿着隧道径向布置，测试围岩纵向和径向温度分布，温度传感器型号为星仪cwdz11。

进一步地，从隧道洞口向里每间隔0.5m布设一个所述风速测试组，所述风速测试组包括两个风速测试点6，两个风速测试点6对称地布设在在围岩7的左右墙脚处，测试隧道内风速分布。

进一步地，包括多个照明灯1，多个所述照明灯1等间距固定设置在框体中，所述照明灯1位于所述围岩地温控制装置3上方，为本发明提供箱内照明。

进一步地，包括多个摄像装置2，多个所述摄像装置2等间距固定设置在框体中，所述摄像装置2位于所述围岩地温控制装置3上方，实时监控试验的进展。

进一步地，包括制冷室8，所述制冷室8埋设在围岩7底壁中，所述的制冷室8长*宽*高分别为14.5m*2m:*2m，制冷室8温度调节范围为0℃～-30℃；所述围岩7为沙子、重晶石、凡士林和石膏的混合物，制冷箱8型号为艾豪思ahs-lk-01。

如图3所示，一种隧道温度场模拟方法，包括以下步骤：

将围岩堆砌成隧道模型，通过制冷室模拟外界环境空气温度；

固定外界环境空气温度(例如通过室内空调)，调节隧道模型洞内空气温度达到设定温度，调节隧道模型地面温度达到设定温度，保持该状态一段时间并实时测量并记录隧道模型内部温度；

固定外界环境空气温度、隧道模型洞内空气温度和隧道模型地面温度，递增调节隧道模型洞内风速大小和风速持续时间，并在此时间段内实时测量并记录隧道模型洞内的风速和隧道模型内部温度；

固定外界环境空气温度、隧道模型洞内空气温度和隧道模型地面温度，递增调节隧道模型洞内风速大小和运行频率，保证风速大小和运行频率持续相同时间，并在此时间段内实时测量并记录隧道模型洞内的风速和隧道模型内部温度；

固定外界环境空气温度、隧道模型洞内空气温度和隧道模型地面温度，调节射流风机装置的射流风速模拟列车以不同的运行速度通过隧道时所带来的风，同时实时测量并记录隧道模型洞内风速和隧道模型内部温度；拟合分析实验数据，得出隧道模型洞内空气温度、隧道模型地面温度和隧道模型洞内风速大小的变化规律。

不断调节环境空气温度、洞内空气温度、围岩地面温度、自然风速大小和持续时间长短、模型列车运行速度和频率，通过温度和风速检测装置实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化，直至试验结束。

进一步地，包括用于调节外界环境的制冷室，所述制冷室包裹围岩及围岩地温装置。

进一步地，包括用于调节隧道模型地面温度的制冷室，所述制冷室埋设在围岩底壁中。

进一步地，包括用于调节隧道模型洞内风速大小的抽风式射流风机。

进一步地，包括用于测量隧道模型内部温度的温度测试组和用于测量隧道洞内风速的风速测试组，温度测试组等间距埋设在隧道模型中，风速测试组等间距布设在隧道模型洞内。

进一步地，所述围岩为沙子、重晶石、凡士林和石膏的混合物。

进一步地，所述温度测试组包括若干个温度测试点，若干个所述温度测试点等间距设置在围岩上；所述风速测试组包括若干个风速测试点，若干个所述风速测试点对称地固定设置在围岩洞中。

进一步地，所述温度测试点为温度传感器；所述风速测试点为风速传感器。

首先调节制冷室(8)和围岩地温控制装置(3)，固定外界气温和围岩地温，采用控制变量法，调节射流风机装置(4)的风速和频率，采用温度测试点(5)和风速测试点(6)分别采集开启和关闭射流风机装置(1)时，围岩(7)的温度和洞内风速。然后，改变外界气温和围岩地温，重复上述试验过程，直到完成试验为止。

汇总试验数据，通过拟合分析试验数据可以明确寒区高速铁路隧道洞内空气温度场、围岩径向和纵向温度场的变化规律，为寒区隧道防寒保温设计提供试验数据积累。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。