一种管幕冻结施工温度场模型实验装置及实验方法与流程
本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置及实验方法。
背景技术：
管幕冻结施工以一定数量的顶管组成受力结构，通过顶管内安装冻结管的方式，对管幕周围含水地层进行冻结，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。进而在管幕内部进行隧道开挖施工。该施工方法充分结合了人工冻结法和管幕法的优势，成为一种新的隧道施工方法。该方法是一种适用于富水地层浅埋隧道开挖的施工方法。
同时该方法也有一定的风险，供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕范围和强度退化，在流水作用下冻土可快速消融；冻结不当会产生冻胀融沉，对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力，融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降。目前该方法实际工程案例极少，缺少对施工过程中温度场分布及变化规律全面系统的研究，阻碍了该方法的进一步推广利用。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的富水砂层浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验箱来进行相似模型实验，以便形象直观的研究管幕冻结的温度场变化规律。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置及方法以至少解决现有技术中存在的无法对管幕冻结法进行温度场相似模型实验的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述温度场模型实验装置包括：箱体、冻结系统、限位系统、第一数据采集系统和第二数据采集系统；
所述箱体内填充有土体，所述土体内设置有顶管，所述顶管内设有冻结管和限位管，所述顶管外侧连接有测点固定线，所述测点固定线上连接有多个测点；所述冻结系统包括冷冻盐水进液管和冷冻盐水回液管，所述冷冻盐水进液管与所述冻结管的前端连通，所述冻结管的后端与所述冷冻盐水回液管连通；所述限位系统包括限位盐水进液管和限位盐水回液管，所述限位盐水回液管与所述限位管的前端连通，所述限位管的后端与所述限位盐水回液管连通；所述第一数据采集系统包括tds数据采集仪，所述tds数据采集仪通过第一测线与所述箱体内的测点连接；所述第二数据采集系统包括cw数据采集仪，所述cw数据采集仪通过第二测线与所述箱体内的测点连接。
如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述冻结系统还包括制冷机组、冷冻盐水分流器、冷冻盐水合流器和冻结软管；所述冷冻盐水分流器与冷冻盐水合流器均位于所述制冷机组与所述冻结管之间，所述冷冻盐水分流器的前端通过冻结软管与所述制冷机组的出液端导通；所述冷冻盐水分流器的后端通过冻结软管与多个所述冻结管的前端导通；所述冷冻盐水合流器的前端通过冻结软管与多个所述冻结管的后端相连，所述冷冻盐水合流器的后端通过冻结软管与所述制冷机组的回液端连通；
所述限位系统还包括恒温加热器、限位盐水分流器、限位盐水合流器和限位软管；所述限位盐水分流器与限位盐水合流器均位于所述恒温加热器与所述限位管之间，所述限位盐水分流器的前端通过限位软管与所述恒温加热器的出液端导通；所述限位盐水分流器的后端通过限位软管与多个所述限位的前端导通；所述限位盐水合流器的前端通过限位软管与多个所述限位管的后端相连，所述限位盐水合流器的后端通过限位软管与所述恒温加热器的回液端连通；
所述第一数据采集系统还包括热电偶串，所述热电偶串通过第一测线与所述tds数据采集仪连接；
所述第二数据采集系统还包括光纤探头，所述光纤探头通过第二测线与所述cw数据采集仪连接。
如上所述一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述箱体呈长方体中空状，所述箱体顶部敞口；所述箱体的内壁表面均匀的铺设有复合硬质聚氨酯保温层，用于实验时减少箱体内部热量散失；
所述箱体还适配设有箱盖，所述箱盖可适配盖设在所述箱体上，所述箱盖中心处的前后两侧设有两个箱体盖板预留孔，便于实验数据采集测线的引出。
如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述箱体包括左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板；
所述左侧板、右侧板、前侧板和后侧板的内壁两两相交的棱处，沿所述箱体的高度方向各开设有一条刻度线；用于方便控制箱体的填土深度；
与所述前侧板的中心同一水平高度处，沿所述前侧板的宽度方向均匀设有顶管孔，五个所述顶管孔从左至右依次为第一顶管孔、第二顶管孔、第三顶管孔、第四顶管孔和第五顶管孔；五个所述顶管孔均沿与所述前侧板垂直的方向延伸贯通至所述后侧板的外表面；
所述第一顶管孔、第三顶管孔和第五顶管孔内设有第一类顶管，所述第二顶管孔和第四顶管孔内设有第二类顶管；
所述第一类顶管由冻结管和空心顶管a组成；所述空心顶管a中心轴所在的虚拟水平面与所述空心顶管a内壁的两个交线分别为左交线a和右交线a；所述左交线a的上下两侧沿所述空心顶管a长度方向各设有冻结管，所述右交线a的上下两侧与所述左交线a的相对位置处设有冻结管，所述冻结管的一端与所述空心顶管a的前端面齐平，所述冻结管的另一端与所述空心顶管a的后端齐平；左侧的两个所述冻结管与右侧的两个所述冻结管外侧均设有水泥层，用于将冻结管粘结在所述空心顶管内壁；
所述第二类顶管包括冻结管、限位管和实心顶管；所述实心顶管由空心顶管b内浇筑混凝土组成，所述混凝土在所述空心顶管b内形成水泥柱；所述实心顶管的中轴线所在的虚拟水平面与空心顶管b内侧壁的交线分别为左交线b和右交线b，所述左交线b和所述右交线b处沿所述实心顶管的长度方向均设有冻结管；所述冻结管的前端面与所述实心顶管的前端面齐平，所述冻结管的后端面与所述实心顶管的后端面齐平；所述实心顶管的中轴线所在的虚拟竖直面与空心顶管b内侧壁的交线分别为上交线b和下交线b，所述上交线b和所述下交线b处沿所述实心顶管的长度方向均设有限位管；所述限位管的前端面与所述实心顶管的前端面齐平，所述限位管的后端面与所述实心顶管的后端面齐平；
所述箱体前侧板外侧壁上设有冻结管分流器支架和限位管分流器支架，所述冻结管分流器支架位于五个所述顶管孔的上方，所述限位管分流器支架位于五个所述顶管孔的下方，所述冻结管分流器支架与所述限位管分流器支架均呈条形角铁状，所述冻结管分流器支架与所述限位管分流器支架均沿所述前侧板的宽度方向设置；所述后侧板与所述前侧板相对位置处设有冻结管合流器支架和限位管合流器支架；所述冻结管合流器支架和限位管合流器支架也均呈条形角铁状；
所述箱体还包括钢内撑，所述钢内撑呈长方体薄板状，所述钢内撑的一端连接在所述前侧板的内表面，所述钢内撑的另一端延伸抵触至所述后侧板的内表面，所述钢内撑的上表面与所述前侧板和所述后侧板的上端面平齐；五个所述钢内撑分别对应的位于五个所述顶管孔的正上方。
如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，过所述箱体中心，且与所述左侧板和右侧板均垂直的虚拟平面为平面a，每个所述钢内撑上沿所述钢内撑厚度方向均开设有两个顶部测点定位孔，所述顶部测点定位孔位于所述平面a两侧，且沿所述平面a对称；沿所述顶部测点定位孔竖直向下的所述底板的内表面上对应的设有底部测点定位螺母；
过所述箱体中心，且与所述前侧板和后侧板均垂直的虚拟平面为平面b，所述平面b与所述所左侧板的内壁的交线为交线c，所述平面b与所述右侧板内壁的交线为交线d，所述交线c和交线d处各设有若干个水平测点定位螺母，所述平面b绕所述箱体的与前侧板和后侧板垂直的中心轴顺时针旋转45°的虚拟平面为平面c，所述平面c与所述左侧板的交线为交线e，所述平面c与所述有侧面的交线为交线f，所述交线e和所述交线f处各设有若干个45°测点定位螺母。
如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述冷冻盐水分流器连接在所述冻结管分流器支架上；所述冷冻盐水合流器设置在所述冻结管合流器支架上；所述限位盐水分流器连接在所述限位管分流器支架上；所述限位盐水合流器连接在所述限位管合流器支架上；
所述第一测线和第二测线由箱体内经过所述盖板上的盖板预留孔穿出并延伸至第一数据采集系统和第二数据采集系统。
如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述冻结管分流器支架，限位管分流器支架，冻结管合流器支架以及限位管合流器支架的下端还设有斜撑，所述斜撑的一端连接在所述箱体的外表面，所述斜撑的另一端倾斜延伸至支架的下表面；优选地，每个支架下端平行的设有两个所述斜撑；再优选地，所述斜撑相对箱体外表面的倾斜角为30～60°。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明提供的富水砂层浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置可以模拟不同冻结温度下，管幕冻结温度场的发展变化规律与分布特点；通过对比不同限位盐水温度下，限位管对冻结壁弱化的影响效果；从而优选出合适的冻结温度、限位温度以及合适的冻结时间，为管幕冻结法的进一步推广运用提出指导意见。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例的温度场模型实验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的箱体的结构示意图；
图3为本发明实施例的盖板的结构示意图；
图4为本发明实施例的箱体的正面结构示意图；
图5为本发明实施例的箱体的侧面结构示意图；
图6为本发明实施例的冷冻盐水分流器结构示意图；
图7为本发明实施例的限位盐水分流器结构示意图；
图8为本发明实施例的第一类顶管截面示意图；
图9为本发明实施例的第一类顶管侧面示意图；
图10为本发明实施例的第二类顶管截面示意图；
图11为本发明实施例的第二类顶管侧面示意图；
图12为本发明实施例的顶管组合形式与温度测点分布断面示意图；
图13为本发明实施例的温度测点分布平面示意图。
图中：1、箱体；11、箱体预留孔；12、冻结管分流器支架；13、保温层；14、钢内撑；15、箱体盖板预留孔；16、顶部测点定位孔；17、底部测点定位螺母；18、盖板；19、刻度线；20、限位管分流器支架；101、水平测点定位螺母；102、45°测点定位螺母；2、制冷设备；21、冷冻盐水进液管；22、电子流量计；23、阀门；24、冻结管；25、冷冻盐水回液管；26、冷冻盐水分流器；27、冷冻盐水总管接头；28、冷冻盐水分管接头；29、限位盐水总管接头；30、限位盐水分管接头；3、恒温加热器；31、限位盐水进液管；32、限位软管；33、限位盐水回液管；34、限位盐水分流器；35、冻结软管；41、第一数据采集系统；42、第二数据采集系统；43、第一测线；44、管幕中心线；45、第一数据采集系统测点布置面；46、第二数据采集系统测点布置面；47、第二测线；401、管幕断面竖向测点；402、管幕断面45°方向测点；403、管幕断面水平方向测点；51、第一类顶管；52、第二类顶管；53、混凝土；54、顶管预留切割线。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
根据本发明的具体实施例，如图1所示，温度场模型试验装置系统包括冻结系统、限位系统、数据采集系统和箱体1，箱体1内设有模拟用的顶管，顶管又分为第一类顶管51和第二类顶管52，第一类顶管51内设有冻结管24和限位管，第二类顶管52内设有限位管。第二类顶管52在现场实际施工时便于工作人员进入，对第一类顶管51施工，因此第一类顶管51和第二类顶管52一般相邻设置。冻结系统内的制冷设备2将盐水制冷，经过制冷后的盐水称为冷冻盐水，冷冻盐水经过冷冻盐水进液管21进入冷冻盐水分流器26，冷冻盐水分流器26通过冻结软管35将冷冻盐水分流给第一类顶管51中的冻结管24，然后在经过冷冻盐水合流器，最终回流给制冷设备2，从而完成冷冻盐水的循环，对箱体1内的土层进行冻结。限位系统内的恒温加热器3对盐水加热，加热后的盐水称为限位盐水，限位盐水经过限位盐水进液管31进入限位管，限位盐水分流器34通过限位软管32将限位盐水分流给第二类顶管52中的限位管，然后再经过限位盐水合流器回流进恒温加热器3，完成限位盐水的循环，对箱体1内地冻土层的厚度进行控制以及后期拆卸设备前对冻土层的解冻。数据采集系统对实验中的温度进行采集然后分析，得出实验结论。
根据本发明的具体实施例，如图2至5所示提供了一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，温度场模型实验装置包括：箱体1、冻结系统、限位系统、第一数据采集系统41和第二数据采集系统42。
箱体1内填充有土体，土体内设置有顶管，顶管内设有冻结管24和限位管，顶管外侧连接有测点固定线，测点固定线上连接有多个测点。
冻结系统包括冷冻盐水进液管21和冷冻盐水回液管25，冷冻盐水进液管21与冻结管24的前端连通，冻结管24的后端与冷冻盐水回液管25连通。
限位系统包括限位盐水进液管31和限位盐水回液管33，限位盐水回液管33与限位管的前端连通，限位管的后端与限位盐水回液管33连通。
第一数据采集系统41包括tds数据采集仪，tds数据采集仪通过第一测线43与箱体1内的测点连接。
第二数据采集系统42包括cw数据采集仪，cw数据采集仪通过第二测线47与箱体1内的测点连接。
根据本发明的具体实施例，冻结系统还包括制冷机组、冷冻盐水分流器26、冷冻盐水合流器和冻结软管35。冷冻盐水分流器26与冷冻盐水合流器均位于制冷机组与冻结管24之间，冷冻盐水分流器26的前端通过冻结软管35与制冷机组的出液端导通。冷冻盐水分流器26的后端通过冻结软管35与多个冻结管24的前端导通。冷冻盐水合流器的前端通过冻结软管35与多个冻结管24的后端相连，冷冻盐水合流器的后端通过冻结软管35与制冷机组的回液端连通。
限位系统还包括恒温加热器3、限位盐水分流器34、限位盐水合流器和限位软管32。限位盐水分流器34与限位盐水合流器均位于恒温加热器3与限位管之间，限位盐水分流器34的前端通过限位软管32与恒温加热器3的出液端导通。限位盐水分流器34的后端通过限位软管32与多个限位的前端导通。限位盐水合流器的前端通过限位软管32与多个限位管的后端相连，限位盐水合流器的后端通过限位软管32与恒温加热器3的回液端连通。
第一数据采集系统41还包括热电偶串，热电偶串通过第一测线43与tds数据采集仪连接。
第二数据采集系统42还包括光纤探头，光纤探头通过第二测线47与cw数据采集仪连接。
根据本发明的具体实施例，箱体1呈长方体中空状，箱体1顶部敞口。箱体1内填充有土体，土体与施工现场的土体相同。箱体1的内壁表面均匀的铺设有复合硬质聚氨酯保温层13，用于实验时减少箱体1内部热量散失。箱体1还适配设有箱盖，箱盖可适配盖设在箱体1上，箱盖中心处的前后两侧设有两个箱体盖板18预留孔15，便于实验数据采集测线的引出。
箱体1包括左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板。前侧板的内壁与左侧板的内壁的交线为第一棱，前侧板的内壁上靠近第一棱处沿箱体1的高度方向开设有第一刻度线19。前侧板的内壁与右侧板的内壁的交线为第二棱，前侧板的内壁上靠近第二棱处沿箱体1的高度方向开设有第二刻度线19。后侧板的内壁与左侧板的内壁的交线为第三棱，后侧板的内壁上靠近第三棱处沿箱体1的高度方向开设有第三刻度线19。前后面的内壁与右侧板的内壁的交线为第四棱，后侧板的内壁上靠近第四棱处沿箱体1的高度方向开设有第四刻度线19。刻度线19用于控制填土的厚度。
与前侧板的中心同一水平高度处，沿前侧板的宽度方向均匀设有顶管孔，五个顶管孔从左至右依次为第一顶管孔、第二顶管孔、第三顶管孔、第四顶管孔和第五顶管孔。五个顶管孔均沿与前侧板垂直的方向延伸贯通至后侧板的外表面。第一顶管孔、第三顶管孔和第五顶管孔内设有第一类顶管51，第二顶管孔和第四顶管孔内设有第二类顶管52。
第一类顶管51由冻结管24和空心顶管a组成。空心顶管a中心轴所在的虚拟水平面与空心顶管a内壁的两个交线分别为左交线a和右交线a。左交线a的上下两侧沿空心顶管a长度方向各设有冻结管24，右交线a的上下两侧与左交线a的相对位置处也设有冻结管24，冻结管24的一端与空心顶管a的前端面齐平，冻结管24的另一端与空心顶管a的后端齐平。左侧的两个冻结管24与右侧的两个冻结管24外侧均设有水泥层，用于将冻结管24粘结在空心顶管内壁。
第二类顶管52由冻结管24、限位管和实心顶管组成。实心顶管由空心顶管b内浇筑混凝土53组成，混凝土53在空心顶管b内形成水泥柱。实心顶管的中轴线所在的虚拟水平面与空心顶管b内侧壁的交线分别为左交线b和右交线b，左交线b和右交线b处沿实心顶管的长度方向均设有冻结管24。冻结管24的前端面与实心顶管的前端面齐平，冻结管24的后端面与实心顶管的后端面齐平。实心顶管的中轴线所在的虚拟竖直面与空心顶管b内侧壁的交线分别为上交线b和下交线b，上交线b和下交线b处沿实心顶管的长度方向均设有限位管。限位管的前端面与实心顶管的前端面齐平，限位管的后端面与实心顶管的后端面齐平。
箱体1前侧板外侧壁上设有冻结管分流器支架12和限位管分流器支架20，冻结管分流器支架12位于五个顶管孔的上方，限位管分流器支架20位于五个顶管孔的下方，冻结管分流器支架12与限位管分流器支架20均呈条形角铁状，冻结管分流器支架12与限位管分流器支架20均沿前侧板的宽度方向设置。后侧板与前侧板相对位置处设有冻结管合流器支架和限位管合流器支架。冻结管合流器支架和限位管合流器支架也均呈条形角铁状。箱体1还包括钢内撑14，钢内撑14呈长方体薄板状，钢内撑14的一端连接在前侧板的内表面，钢内撑14的另一端延伸抵触至后侧板的内表面，钢内撑14的上表面与前侧板和后侧板的上端面平齐。五个钢内撑14分别对应的位于五个顶管孔的正上方。
根据本发明的具体实施例，过箱体1中心，且与左侧板和右侧板均垂直的虚拟平面为平面a，每个钢内撑14上沿钢内撑14厚度方向均开设有两个顶部测点定位孔16，顶部测点定位孔16位于平面a两侧，且沿平面a对称。沿顶部测点定位孔16竖直向下的底板的内表面上对应的设有底部测点定位螺母17。过箱体1中心，且与前侧板和后侧板均垂直的虚拟平面为平面b，平面b与所左侧板的内壁的交线为交线c，平面b与右侧板内壁的交线为交线d，交线c和交线d处各设有若干个水平测点定位螺母101，平面b绕箱体1的与前侧板和后侧板垂直的中心轴顺时针旋转45°的虚拟平面为平面c，平面c与左侧板的交线为交线e，平面c与有侧面的交线为交线f，交线e和交线f处各设有若干个45°测点定位螺母102。
冷冻盐水分流器26连接在冻结管分流器支架12上。冷冻盐水合流器设置在冻结管合流器支架上。限位盐水分流器34连接在限位管分流器支架20上。限位盐水合流器连接在限位管合流器支架上。第一测线43和第二测线47由箱体1内经过盖板18上的盖板18预留孔穿出并延伸至第一数据采集系统41和第二数据采集系统42。
冻结管分流器支架12，限位管分流器支架20，冻结管合流器支架以及限位管合流器支架的下端还设有斜撑，斜撑的一端连接在箱体1的外表面，斜撑的另一端倾斜延伸至支架的下表面。优选地，每个支架下端平行的设有两个斜撑。再优选地，斜撑相对箱体1外表面的倾斜角为30～60°。
根据本发明的具体实施例，如图6所示，提供了本发明的冷冻盐水分流器26的结构示意图，冷冻盐水分流器26的冷冻盐水总管接头27与冷冻盐水进液管21相连，其中阀门23用来控制冷冻盐水的启停，电子流量计22用来显示冷冻盐水的流量，阀门23和电子流量计22应配合使用，即当达到设定的流量时，关闭阀门23。冷冻盐水总管接头27下面连接有分流管，分流管下端连接有多个冷冻盐水分管接头28，分管接头有16个，用于把冷冻盐水分给冻结管24。需要说明的是，冷冻盐水合流器与冷冻盐水分流器26型号相同，实际上是同一种装置的不同命名方法，因一个做分流用，一个做合流用，故命名方法不一样。
根据本发明的具体实施例，如图7所示，提供了本发明的限位盐水分流器34的结构示意图，限位盐水分流器34的限位盐水总管接头29与限位盐水进液管31相连，限位盐水分流器34上也设有阀门23和流量计，限位盐水分流器34上的阀门23和分流器与冷冻盐水分流器26上的阀门23和流量计是相同的，同样的是配合使用，来控制限位盐水的流通状况以及显示限位盐水的流量。限位盐水分管接头30有四个，可以满足对限位管的供液需求。
如图8和图9所示，提供了本发明第一类顶管51的结构示意图，第一类顶管51由钢管和四个冻结管24组成，四个冻结管24在顶管内壁左右两侧各两个设置，每侧的两个冻结管24外层均用一层混凝土53粘结。冻结管24的长度要比顶管的长度长，保证冻结管24的两端均突出顶管两端。第一类顶管51上刻有预留切割线，这样便于安装，安装时，将第一类顶管51的一端从箱体1的前侧板向后推入，推至第一类顶管51的前端的预留切割线处停止推入，然后在第一类顶管51的前端和第一类顶管51的后端沿着预留切割线将第一类顶管51截断。
如图10和如11所示，提供了本发明第二类顶管52的结构示意图，第二类顶管52由钢管和两个冻结管24两个限位管组成，两个冻结管24设置在顶管内壁的左右两侧，两个限位管分布在顶管内壁的上限两侧。顶管内填充混凝土53，故顶管为实心。第二类顶管52上刻有预留切割线，这样便于安装，安装时，将第二类顶管52的一端从箱体1的前侧板向后推入，推至第二类顶管52的前端的预留切割线处停止推入，然后在第二类顶管52的前端和第二类顶管52的后端沿着预留切割线将第二类顶管52截断。
如图12所示，提供了本发明实施例的顶管组合形式与温度测点分布端面示意图，第一类顶管51和第二类顶管52在竖直方向均设有6个管幕断面竖向测点401，其中四个管幕断面竖向测点401在上方均匀设置，2个管幕断面竖向测点401在下方均匀设置。位于最左侧的第一类顶管51左侧水平方向均匀分布有4个管幕断面水平方向测点403，左上方45°方向均匀分布有4个管幕断面45°方向测点402。位于最右侧的第一类顶管51右侧水平方向均匀分布有4个管幕断面水平方向测点403，右上方45°方向均匀分布有4个管幕断面45°方向测点402。这样的温度测点分布比较均匀，在竖直、水平和45°方向均匀温度测点分布，便于更精确的测出管幕周围土层的温度变化情况。
如图13所示，提供了本发明实施例的温度测点分布平面示意图。即，从箱体1的左侧看，测点分布在管幕中心线44两侧，且关于管幕中心线44对称设置。第一数据采集系统测点布置面45位于管幕中心线44右侧，第二数据采集系统测点布置面46位于管幕中心线44左侧，第一数据采集系统测点布置面45和第二数据采集系统测点布置面46的温度测点分布情况与图12相同。
除此之外，本发明还提供了一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置的实验方法，实验方法包括如下步骤：
步骤1，实验准备：
预制实验用的冻结管24、顶管、限位管、箱体1，准备实验用的相似材料和辅助设备。
步骤2，实验设备组装：
在步骤1的基础上完成顶管的安装，测点的安装，并将顶管连入冻结系统、限位系统、第一数据采集系统41以及第二数据采集系统42。
步骤3，冻结模拟：
将步骤2组装成的实验箱，根据冻结情况设定冻结盐水循环的温度和时间，设定限位盐水循环的温度和时间，维持冻结壁的壁厚。
步骤4，实验数据处理：
在步骤3的冻结模拟结束后，根据实验数据绘制每个方向温度测点上温度随时间变化的曲线图，并将水平、竖直和45°方向的曲线图组合到一起进行对比以及实验验证分析。
根据本发明的具体实施例，步骤1具体还包括如下步骤：
步骤11，箱体1的制作：
箱体1采用钢板焊接，箱体1的前侧板至后侧板上贯通开设有与顶管数量相对应的预留顶管孔，外径尺寸相适配，在箱体1内壁均匀的铺设一层保温材料。在箱体1内侧的四条竖直的棱处标刻刻度线19，刻度线19以10mm为单位。在箱体1内按要求设置测点定位螺母，并在箱体1的前侧板安装分流管支架，在箱体1的后侧板上设置合流管支架。
步骤12，顶管的制作：
取一段钢管，截取五段，用来模拟现场的顶管，取紫铜管作为冻结管24和限位管。在钢管内壁设置四根冻结管24，其中钢管内壁最左侧和最右侧各上下设置两根冻结管24，并用混凝土53层包裹固定在钢管内壁。制成第一类顶管51模型。在钢管内放置两根冻结管24和两根限位管，其中钢管内壁最左侧和最右侧各设置一根冻结管24，钢管内壁最上端和最下端各设置一根限位管，钢管内浇筑c30细石混凝土53填充，制成第二类顶管52模型。
步骤13，顶管的组合方案的确定：
确定第一种组合方案，取第一类顶管513根与第二类顶管522根共五根，顶管孔中从左至右依次为：第一类顶管51、第二类顶管52、第一类顶管51、第二类顶管52、第一类顶管51。确定第二种组合方案，取第一类顶管512根与第二类顶管523共五根，顶管孔中从左至右依次为：第二类顶管52、第一类顶管51、第二类顶管52、第一类顶管51、第二类顶管52。
步骤2具体包括如下步骤：
步骤21，水平测点和45°测点安装：
将制作好的顶管按照第一种组合方案设置，通过箱体1的前侧板上的顶管孔推进安装至箱体1中。在箱体1的底部测点定位螺母17、水平测点定位螺母101、45°测点定位螺母102和顶管之间拉上直线，并用胶带和扎丝对底部测点、水平测点和45°测点进行定位和安装。
步骤22，箱体1填土：
测点安装完成后，按照实际工程的地层情况，进行箱体1内的填土工作，每层填土厚度可以通过刻度线19进行控制。
步骤23，竖向测点安装：
箱体1填土完成一半时，进行钢内撑14的安装，钢内撑14安装完成后，在顶部测点定位孔16和顶管之间拉上直线，用胶带和扎丝对顶管上方竖向测点进行定位与安装。之后继续完成剩余填土工作，最后盖上盖板18。将所有测点通过2根测线从盖板18预留孔中引出，与数据采集系统相连。
步骤24，顶管连入系统：
在箱体1前侧板处的顶管孔处，沿顶管预留切割线54将外露的顶管切除，将所有顶管的冻结管24与冻结系统分流器上的端头相连。将第二类顶管52内所有限位管与限位系统分流器上的端头相连，将冻结管24分流器和限位管分流器放置在箱体1前侧板外的两个分流器支架上。箱体1后侧板的连接以及安装方式与前侧板一致。将冻结系统、冻结系统进液管、冻结系统回液管与冻结系统分流器相连和冻结系统合流器相连。将恒温加热器3、恒温加热器3进液管、恒温加热器3回液管与限位系统分流器和限位系统合流器相连。
步骤3具体包括如下步骤：
步骤31，冻结模拟前的实验设备调试：
检查第一数据采集系统41和第二数据采集系统42的测线连接情况，检查制冷箱体1的运转情况。
步骤32，冻结模拟：
开启冻结系统，使系统内的制冷剂温度下降到温度设计值t1，打开低温盐水进液管阀门23和低温盐水电子流量计22，开启冻结盐水循环。通过调整进液管阀门23使低温盐水流量达到设计值w1，当冻结系统循环开启时间达到时间设计值t1时，开启限位系统，使限位系统内的恒温加热器3温度上升到温度设计值t2，打开限位盐水进液管31阀门23和限位盐水电子流量计22，开启限位盐水循环，通过调整限位盐水阀门23使限位盐水流量达到设计值w2，保持冻结系统盐水循环以及限位系统盐水循环开启时间t2后，对冻结壁的形成情况进行判断，当冻结壁厚度达到设计值时，关闭限位系统，并将冻结系统温度调节至设计温度t3，进入维护冻结阶段。当冻结壁的厚度大于设计值时，继续开启限位循环系统，并保持该循环盐水流量为w3直至冻结壁厚度达到设计值。在整个冻结过程中，每间隔时间δt进行一次数据采集。
在相似准则
由雷诺相似准则，
步骤33，冻土层解冻：
关闭冻结循环，只保持限位循环，进行强制解冻，直至冻结壁解冻，拆卸实验设备。
步骤34，选取顶管的第二种组合方案，重复以上所有步骤。
步骤4具体包括如下步骤：
步骤41，绘制温度随时间的变化规律曲线图：
取第一种组合方案的顶管的实验数据，将每一根热电偶串上每个温度测点的数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点温度随时间的变化规律。
将竖向测点沿水平方向的温度数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出管幕冻结壁的厚度随时间变化的发展规律。
步骤42、曲线图的对比以及分析：
将水平、竖直、和45°3个方向测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置的温度分布规律。
将第一数据采集系统41和第二数据采集系统42的数据进行对比分析，以验证试验数据的可靠性。
对比三种不同冻结温度下，管幕冻结温度场的发展变化规律与分布特点。对比三种不同限位盐水温度下，限位管对冻结壁弱化的影响效果。从而优选出合适的冻结温度、限位温度以及合适的冻结时间。
根据本发明的具体实施例，步骤11中：
钢板的厚度8～10mm(如8.2mm、8.4mm、8.6mm、8.8mm、9.0mm、9.2mm、9.4mm、9.6mm、9.8mm)。
箱体1上相邻顶管孔的间距为40～50mm(如41mm、42mm、43mm、44mm、45mm、46mm、47mm、48mm、49mm)。
保温材料的厚度为5～10mm(如5.4mm、5.8mm、6.2mm、6.6mm、7.0mm、7.4mm、8.4mm、9.4mm、9.6mm)。
步骤12中：
钢管截成多段顶管后，还应在顶管的两端距端面145～155mm处画出预留切割线，以便之后步骤操作。
优选地，冻结管24和限位管均为长为1990～2100mm的单层紫铜管。
再优选地，每段钢管的长度为1790～1810mm，每段钢管的内径为1600mm。
步骤22中：
在向箱体1内填土时，需不断振捣所填的土体，以保证土层密实，尤其注意相邻两根顶管之间要有足量的土体。
优选地，在分层填土的同时进行含水率的测定，保证实验土样含水率与实际工程一致。
步骤23中：
钢内撑14在安装前，应在钢内撑14上沿钢内撑14厚度方向开设测点定位孔。
优选地，每个钢内撑14上设置两个测点定位孔。
再优选地，测点定位孔的孔径为50mm。
步骤32中：
冻结壁的厚度是通过温度测点的数据来判断的，当位于管幕顶管正上方的最外侧测点温度达到-1℃时，即认为形成的冻结壁达到了实验设计要求。
此外，本实施例还提供了本发明试样装置更为详细的组成以及实验方法：
富水砂层浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置包括实验平台、地层模型、土体、测点定位支架，模拟顶管、冻结系统、限位加热系统和数据采集系统。实验平台用于提供安装空间。地层模型包括：箱体1，安装在实验平台上。隔热层，铺设在在箱体1内壁上。土体置于箱体1内。测点定位支架置于土体内，用于支撑定位测温点。多个模拟顶管活动安装在箱体1内以形成管幕并置于土体内。冻结系统用于对管幕进行冻结以形成冻结壁。限位系统用于管幕对冻结壁厚度进行限位控制。数据采集系统用于采集冻结壁的温度信息。冻结系统，冻结系统包括制冷机组、分流器，冻结管24，进液管以及回液管，制冷机组通过各种进液管、回液管及分流器与各类冻结管24相连。限位系统包括1个恒温加热器3、进液管、分流器、回液管、阀门23和电子流量计22。恒温加热器3通过各种进液管、回液管及分流器与限位管相连。温度采集系统，温度采集系统包括2套温度监测系统。温度监测系统包括tds数据采集仪和cw数据采集仪。tds数据采集仪通过测线与热电偶串相连接。cw数据采集仪通过测线与光纤探头相连接。相似材料，包括土体、钢管、混凝土53、低温盐水，钢管通过按照一定的顺序排列在一起，被土体埋置在在箱体1中。
优选地，冻结管24和限位管为紫铜管。
优选地，土体选用施工现场的土体。
再优选的，箱体1正面分布有一个按照水平管幕分布轮廓线切割的一排孔洞。
箱体1的背面分布有一个与箱体1正面相同的一排孔洞。箱体1内壁应铺设隔热层，用以隔绝外界温度干扰，减少箱体1内外温度差对实验的影响。优选地，保温层13材料选用复合硬质聚氨酯材料。箱体1的4条棱上各分布有一条刻度线19。
箱体1盖板18上开有2个圆形孔。优选地，箱体1与盖板18采用厚度为10mm的钢板材料制作。测点定位支架包括条形钢板，定位螺母及连接线，条形钢板开有定位圆孔，条形钢板两端焊接在箱体1内部，定位螺母焊接在顶管与箱体1内壁上，连接线通过连接不同位置的定位螺母，以便温度监测系统中的热电偶串与光纤探头的定位安装。进液管包括冻结进液管和限位进液管，优选的，进液管端头安装有电子流量计22和直通阀门23开关，冻结进液管包含16个分接端头，限位进液管包含4个分接端头。回液管包括冻结回液管和限位回液管，优选的，回液管端头安装有电子流量计22和直通阀门23开关冻结进液管包含16个分接端头，限位进液管包含4个分接端头。顶管分为实顶管和空顶管，优选的，实顶管采用c30细石混凝土53填充，管内水平两侧安装冻结管24，上下位置安装限位管，顶管管身两端预留切割长度，在安装至箱体1后进行切割。
优选的，空顶管内左右两侧各有2根冻结管24，采用水泥砂浆包裹在空顶管内壁上，顶管管身两端预留切割长度，在安装至箱体1后进行切割。
优选的，热电偶串材料采用康铜丝。
优选的，热电偶串在顶管竖向分布有6个测点，在顶管45度方向和水平方向分布有4个测点。
再优选的，光纤探头数量与测点数量对应，每一个测点位置安装一个光纤探头。
再优选的，同一方向内的各测点间距为50mm。
箱体1可以为长方体形状，其顶部开口。优选地，箱体1开口处分布有5道钢板内撑，钢内撑上开有顶部测点定位孔16。优选地，箱体1内壁应铺设一定厚度的保温层13，这样可以减少箱体1内部热量散失。优选地，在箱体1内壁的棱上分布有刻度线19，便于填土作业时控制填砂量。更优选地，在箱体1的4条棱上都分布有一条刻度线19，这样可以更好地控制所填砂层厚度。优选地，箱体1内壁分别安装竖向测点底部定位螺孔、水平测点定位螺孔和45°测点定位螺孔，便于测点的定位。优选地，箱体1正面分布有一个按照管幕分布轮廓线切割的大孔洞，箱体1的背面分布有与箱体1正面对应的孔洞，这样的设置便于顶管以及冻结管24的安装。箱体1正面上下侧与背面上下侧安装有分流管支架，便于冻结系统的分流管的搭设。优选地，分流管支架采用角钢制作，焊接在箱体1外壁上。箱体1盖板18，用于箱体1内部顶管、土体以及相关设备安装好后覆盖在箱体1上。优选地，箱体1盖板18开有孔洞，便于数据采集系统测线的引出。
冻结系统包括制冷机组，进液管，冻结系统分流器，冻结管24，回液管，电子流量计22和阀门23。
优选地，冻结机组至少可以同时开启个温度各不相同的循环。优选地，分流器上方有一个总管接头与进液管连接，同时下方有个冻结管24接头与冻结管24连接。每个分流器表面上分布有根细管，冻结系统盐水循环配备个分流器，一个用作去路分流器，一个用做回路合流器，从而保证低温盐水均匀地进入到每根冻结管24中。
优选地，分流器搭设在箱体1外侧分流管支架上。优选地，分流管支架采用角钢制作，焊接在箱体1外壁上。
优选地，冻结管24采用单层紫铜管。现场冻结管24的直径为80mm，根据几何相似准则cl＝10，计算得到冻结管24的直径为8mm。在对应的第一类顶管51内壁左右侧各分布有2根，在使用时，保证冻结管24的外壁恰好与第一类顶管51的内壁相接触，用水泥砂浆进行包裹，这样的设置方式制作工艺简单，且能保证良好的冻结效果。在对应的第二类顶管52中内壁上下左右四个方向的内侧各分布有1根，其中左右两侧作为冻结管24，上下两侧作为限位管。
优选地，第二类顶管52内填充c30细石混凝土53。优选地，第一类顶管51和第二类顶管52均在两端设置预留切割线，待所有顶管在箱体1内安装好后，沿预留切割线将所有顶管外露部分切除。
优选地，顶管在水平方向共有5根，由第一类顶管51和第二类顶管52交错排布。优选地，相邻顶管的间距为50mm。
限位系统包括恒温加热器3，限位系统进液管，限位管，限位系统回液管，限位系统分流器。
优选地，恒温加热器33可进行加热温度设定，至少可以进行3种不同温度的盐水加热循环。优选地，限位系统分流器通过接头与限位系统进液总管连接，同时上方有4个分接头分别与限位管相连，通过阀门23和电子流量计22控制限位盐水的开关和流量。优选地，限位系统盐水循环配备2个分流器，一个用作去路分流器，一个用做回路分流器，从而保证限位盐水均匀地进入到每根限位管中。
数据采集系统包括温度监测系统和测线，竖向测点定位螺孔，水平测点定位螺孔以及45°测点定位螺孔。
温度监测系统包括tds数据采集仪，热电偶串以及电脑。作为优选，选用tds630数据采集仪进行数据采集，热电偶串由康铜丝以及铜线制作而成，优选地，每个热电偶串上面分布有4个温度测点，测点之间的间距为50mm，每根钢管设置一段热电偶串，这样的测点分布既可以实现对预设厚度范围内的冻结壁全面的监测，又不至于测线过多而不便于埋设。
温度监测系统包括cw数据采集仪，测温线，光纤传感器以及电脑。作为优选，选用cw500多点温度数字采集仪进行数据采集。优选的，每个光纤传感器对应一个测温点，测点之间的间距为50mm。
优选地，两套测温系统的测点以轴对称的形式布置在管幕水平方向轴线的两侧，以保证所采集数据的稳定可靠。其中温度监测系统的测点布置在平面，温度监测系统的测点布置在平面。
优选地，所有测点通过测线从箱体1盖板18所开预留孔中引出。
相似材料，包括土体、钢管、混凝土53、低温盐水，钢管通过按照一定的顺序排列在一起，被土体埋置在在箱体1中。
富水砂层浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，包括如下步骤的操作：
(1)确定几何相似准则，预制冻结管24、顶管、箱体1。
根据实验空间条件，取几何相似比cl＝10。
将钢管制作成1800mm/每段，两端预留切割段各长150mm，用来模拟现场的顶管。冻结管24和限位管选用单层紫铜管，长度2000mm。将4根冻结管24分别固定在钢管内壁左右两侧，左右两侧各2根冻结管24，用水泥砂浆进行包裹，制成第一类顶管51模型。将2根冻结管24和2根限位管固定在钢管的内壁上，其中2冻结管24位于内壁左右两侧，2根限位管位于内壁上下两侧，并浇筑c30细石混凝土53，制成第二类顶管52模型。
箱体11的材料采用厚度不小于10mm的钢板制作，钢板采用焊接连接，箱体1长度为1500mm，宽度为1500mm，高度为1500mm。箱体1正面与背面应开有与顶管尺寸和数量相对应的预留孔。箱体1内壁铺设保温层13。箱体1内侧棱线处标有刻度，刻度以10mm为基本单位，便于控制填土厚度。箱体1内壁分别安装竖向测点定位螺孔、水平测点定位螺孔和45°测点定位螺孔，便于测点的定位。箱体1盖板18开有预留孔，方便测线引出。在箱体1正面和背面安装4个分流器支架。
(2)确定顶管组合方案
组合1，第一类顶管51根与第二类顶管52根，共5根顶管交错分布。组合2，第一类顶管512根与第二类顶管523根，共5根顶管交错分布。相邻顶管间距为50mm。
(3)实验设备组装
首先进行箱体1的制作，然后在箱体1内壁铺设保温材料层。
将制作好的顶管按照“组合1”的布置方式，通过箱体预留孔11推进安装至箱体11中。通过底部测点定位螺孔，水平测点定位孔和45°测点定位孔与顶管之间拉上直线，并用胶带、扎丝等物品进行水平测点、45°测点以及顶管底部的竖向测点的定位与安装工作。
测点安装完成后，按照实际工程的地层情况，进行箱体1内的填土工作，每层填土厚度可以通过刻度线19进行控制。在填土过程中不断振捣，保证土层密实，尤其注意相邻两根顶管之间要有足量的土壤，分层填土的同时进行含水率的测定，保证试验土样含水率与实际工程一致。
箱体1填土完成一半时，进行钢内撑14的安装，之后利用顶部测点定位孔16与顶管之间拉上直线，用胶带、扎丝等物品进行顶管上方竖向测点的定位与安装。之后继续完成剩余的填土工作。最后盖上箱体1盖板18，将所有测点通过2根测线从盖板18预留孔中引出，与数据采集系统相连。
沿顶管预留切割线54将外露的顶管切除，将所有顶管内的冻结管24与冻结系统分流器上的端头相连。将第二类顶管52内的所有限位管与限位系统分流器上的端头连接。将所有分流器放置在分流器支架上。箱体1背面与正面安装方法一致。
将冻结系统、进液管，回液管与冻结系统分流器相连。将恒温加热器3、进液管、回液管与限位系统分流器相连。
(4)实验设备调试
检查数据采集系统的测线连接情况，检查制冷箱体1的运转情况。
(5)冻结模拟
开启冻结系统，使系统内的制冷剂温度下降到温度设计值t1，打开低温盐水进液管端头阀门23和电子流量计22，开启冻结盐水循环。通过调整进液管阀门23使低温盐水流量达到设计值w1，当冻结系统循环开启时间达到时间设计值t1时，开启限位系统，使限位系统内的恒温加热器3温度上升到温度设计值t2，打开限位盐水进液管31端头阀门23和电子流量计22，开启限位盐水循环，通过调整阀门23使限位盐水流量达到设计值w2，保持冻结系统盐水循环以及限位系统盐水循环开启时间t2后，对冻结壁的形成情况进行判断，当冻结壁厚度达到设计值时，关闭限位系统，并将冻结系统温度调节至设计温度t3,进入维护冻结阶段。当冻结壁的厚度大于设计值时，继续开启限位循环系统，并保持该循环盐水流量为w3直至冻结壁厚度达到设计值。在整个冻结过程中，每间隔时间δt进行一次数据采集。
在相似准则
由雷诺相似准则
冻结壁的厚度通过温度测点的数据进行判断，当位于管幕顶管正上方的最外侧测点温度达到-1℃时，即认为形成的冻结壁达到了设计要求。
(7)关闭冻结循环，只保持限位循环，进行强制解冻，直至冻结壁解冻，拆卸实验设备。
(8)选取钢管组合2，重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)、步骤(6)和(7)。
(9)实验数据处理。
实验数据处理的具体内容为：以钢管组合1为例，将每一根热电偶串上每个温度测点的数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点温度随时间的变化规律。
将竖向测点沿水平方向的温度数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出管幕冻结壁的厚度随时间变化的发展规律。
将水平，竖直和45度3个方向测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置的温度分布规律。
将数据采集系统的数据进行对比分析，以验证试验数据的可靠性。
对比三种不同冻结温度下，管幕冻结温度场的发展变化规律与分布特点。对比三种不同限位盐水温度下，限位管对冻结壁弱化的影响效果。从而优选出合适的冻结温度、限位温度以及合适的冻结时间，为管幕冻结法的进一步推广运用提出指导意见。
总之，本发明提供的富水砂层浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验箱可以模拟不同冻结温度下，管幕冻结温度场的发展变化规律与分布特点；通过对比不同限位盐水温度下，限位管对冻结壁弱化的影响效果；从而优选出合适的冻结温度、限位温度以及合适的冻结时间，为管幕冻结法的进一步推广运用提出指导意见。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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