一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及隧道运营环境安全技术领域，特别是涉及一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置。用于研究寒区隧道的围岩温度场发展规律及不同通风方式对寒区隧道温度场的影响规律，可实现对围岩及隧道内温度场的测量。
【背景技术】
[0002]近年来，伴随我国国民经济的快速发展，铁路、公路建设也处于高速发展期。随着我国交通事业的快速发展，特别是中西部大开发和振兴东北经济政策的进一步落实，在中西部的高海拔和北部的高玮度寒冷地区将陆续有大量的隧道建成，与以往寒冷地区的隧道相比，这些隧道的规模会更大、技术要求更高，而气候条件却更加恶劣。
[0003]根据国内外研究报导，常见的高寒地区对隧道工程的不利影响有:冻害，主要表现为洞顶吊冰柱、边墙挂冰和水沟冻死等，影响行车安全;冰冻引发各种冻胀，反复冰融变化造成衬砌混凝土表面风化严重，拱顶开裂，对隧道衬砌结构的长期稳定构成潜在威胁。例如，迄今为止，在我国东北和西北修建的多个隧道中，由于冻害的原因，有很多隧道将近半年的时间不能使用，有些完全报废。日本道路工团和日本铁道综合技术研究所最近的统计表明，日本全国3800座铁路隧道中有1100座因冻害原因，在冬季运营期间危及到行车安全；公路隧道中，仅北海道地区的302座大型公路隧道中发生严重冻害的就达104座，为消除侧墙壁冰和拱部冰柱，作为整治措施之一，在较多隧道设置了电加热装置，投入的整治费用十分惊人。因此，隧道抗防冻问题已成为国内外面临的重大技术难题。
[0004]对于高寒隧道的抗防冻问题，国内外已进行大量研究和实验。其研究主要集中在冻胀的分类及产生机理、冻胀力对衬砌结构的影响及冻胀防治措施等方面。但迄今为止，并没有有效解决寒区隧道冻害问题，长期防冻效果不佳的现象尤其突出。因此研究寒冷围岩温度场发展规律以及通风对寒区隧道温度场的影响规律对控制寒区隧道的冻害具有重要指导意义。
[0005]在寒区隧道研究方面，由于工程实例较少，研究成果不多，并且集中在对寒区隧道冻胀的研究，如赖远明(1999)等研究寒区隧道冻胀力并求出粘弹性解析解，杨更社(2002)等在一定的假设的基础上分别给出了弹性理论和粘弹性理论围岩冻胀力解析计算方法，王建宇、胡元芳(2004)研究了隧道衬砌冻胀压力问题，Lu X(2006)，Prashantk(2009)等人利用叠加原理和分离变量法获得了考虑温度随坐标变化的对流边界条件下圆形断面瞬态温度场的解析解。基于小尺寸模型试验经济易行，国内外已有一些研究人员开展了不同形式的寒区隧道模型试验。例如，渠孟飞(2015)等建立室内模型对寒区隧道衬砌冻胀力进行研究，仇文革、孙兵(2010)对寒区破碎岩体隧道冻胀力进行室内对比试验。
[0006]通过对一些资料调研可知，对于寒区隧道温度场的研究方法包括现场监测、理论研究和模型试验三种，目前的研究主要集中在现场监测和理论研究两方面，而模型试验这一方面的研究尚为不足。【实用新型内容】
[0007]针对上述现有技术中对于寒区隧道温度场的研究方法包括现场监测、理论研究和模型试验三种，目前的研究主要集中在现场监测和理论研究两方面，而模型试验这一方面的研究尚为不足的问题，本实用新型提供了一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置。
[0008]为解决上述问题，本实用新型提供的一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置通过以下技术要点来解决问题:一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置，包括隧道模拟构件，所述隧道模拟构件包括挡土围墙、填充于挡土围墙中的人工填土及设置于人工填土里的隧道，还包括制冷系统，所述制冷系统用于对空气进行冷却，被冷却的空气由管道和/或风机由隧道的任意一端注入隧道；
[0009]还包括第一测温仪及第二测温仪，所述第一测温仪的测温点位于隧道内，所述第二测温仪的测温点位于人工填土中。
[0010]具体的，以上隧道模拟构件为模拟真实隧道形状和结构制成的缩小模型，为便于在隧道模拟构件上开设隧道，隧道模拟构件里的隧道可设置为单洞隧道。所述人工填土用于模拟真实隧道的围岩，挡土围墙可用于模拟真实隧道围岩表面的土质或作为填充人工填土的型腔。这样，由制冷系统输出的冷却空气用于模拟真实环境中的低温空气，通过设置于隧道中的第一测温仪和人工填土中的第二测温仪，可在向隧道中通入冷却空气的过程中，实时记录各测量点的温度值，即本装置提供了一种专门针对研究寒区隧道围岩与风流传热机理的实验平台，可以研究不同入口寒冷风速对隧道温度场的影响，可为相似情形下寒区隧道的温度场研究提供实验平台支持。
[0011]为减小本试验装置的制作难度和制作成本，制冷系统采用现有功率较大的冰柜，制冷系统中还包括风机，所述风机气体吸入端与冰柜的制冷室相连，冰柜的压缩机电机采用变频器控制转速，同时风机的电源上也串联有变频器，以方便的模拟不同风速、风温下的隧道温度场。
[0012]人工填土的材料采用自然界的土石料。
[0013]更进一步的技术方案为:
[0014]由于真实环境下的隧道所在位置，应当视作进入隧道的空气温度与隧道围岩外侧的空气温度值相等，为减小或避免隧道模拟构件外侧与实验所在环境之间的传热，还包括设置于挡土围墙内侧和/或外侧的隔热板，所述隔热板用于实现隧道模拟构件与外界隔热。作为与本方案等同的另一种技术方案，可在隧道模拟构件的外侧设置一个夹套，所述夹套与隧道模拟构件之间具有用于通过冷却空气的间隙，并向所述间隙中注入与隧道内风速方向一致的冷却空气，此冷却空气同样由制冷系统引出。进一步的，在间隙的冷却空气引入端设置导流板，以使得冷却空气在流经间隙时，各点的速度分布较为均匀，以较为真实的反应自然环境下真实隧道围岩外侧的空气流流向。
[0015]为使得本试验装置获得的温度场数据更为具体，所述第二测温仪至少有两个，且各个第二测温仪与隧道的间距不等。
[0016]由于由制冷系统注入隧道的冷却空气初始温度受制冷系统控制，在冷却空气在隧道内的流动过程中，由于其不断吸热，其温度值会逐渐的升高，这样，冷却空气与隧道隧道壁的温度梯度则相应降低，故伴随隧道的深度变化，隧道内各点及该深度下，距隧道不同距离的人工填土的温度值均是不等的，为使得本试验装置反应的隧道温度场数据更为具体，所述第一测温仪至少有两个，还包括测温仪组，所述测温仪组至少有两组，每组测温仪组均包括至少两个第二测温仪，且测温仪组的组数与第一测温仪的个数相等，各个第一测温仪分布于隧道的不同深度位置，隧道内每个第一测温仪所在位置的人工填土中均设置有一组测温仪组，且各组测温仪组中，各个第二测温仪与隧道的间距不等。
[0017]为便于通过设置较少的测温点，近似绘制出整个隧道模拟构件各点的温度场，相邻的第一测温仪间距相等，每组测温仪组中，各个第二测温仪分别与隧道的间距可构成等差数列。本技术方案技术效果的实现，基于随着隧道深度的增加，隧道内各点的温度线性变化，在隧道同一深度的人工填土中，各点的温度也是随着距离的变化而产生线性变化。
[0018]为使得本试验装置可实现测温点数据自动记录和输出隧道模拟构件的隧道温度场，所述第一测温仪及第二测温仪均为温度传感器，还包括数据采集器，所述第一测温仪及第二测温仪的温度数据输出端均与数据采集器的数据输入端相连，所述数据采集器用于记录隧道模拟构件中通入冷却空气后，各测温点随时间的温度值变化。
[0019]为便于高精度的制造出所需要的隧道形状，所述隧道的隧道壁采用石膏砌筑而成。
[0020]本实用新型具有以下有益效果:
[0021]本装置提供了一种专门针对研究寒区隧道围岩与风流传热机理的实验平台，可以研究不同入口寒冷风速对隧道温度场的影响，可为相似情形下寒区隧道的温度场研究提供实验平台支持。。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型所述的一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置一个具体实施例的结构透视图；
[0023]图2为本实用新型所述的一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置一个具体实施例中，截面垂直于隧道中心线的结构剖视图；
[0024]图3为本实用新型所述的一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置一个具体实施例中，截面平行于隧道中心线的结构剖视图。
[0025]图中标记分别为:1、隧道，2、制冷系统，3、隔热板，4、人工填土，5、挡土围墙，6、风机，7、第一测温仪，8、第二测温仪，9、数据采集器。
【具体实施方式】
[0026]本实用新型提供了一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置，用于研究寒区隧道的围岩温度场发展规律及不同通风方式对寒区隧道温度场的影响规律，可实现对围岩及隧道内温度场的测量。
[0027]下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但是本实用新型不仅限于以下实施例:
[0028]实施例1:
[0029]如图1至图3所示，一种寒区隧道围岩与风流传热的试验装置，包括隧道模拟构件，所述隧道模拟构件包括挡土围墙5、填充于挡土围墙5中的人工填土 4及设置于人工填土 4里的隧道I，还包括制冷系统2，所述制冷系统2用于对空气进行冷却，被冷却的空气由管道和/或风机6由隧道I的任意一端注入隧道I;
[0030]还包括第一测温仪7及第二测温仪8，所述第一测温仪7的测温点位于隧道I内，所述第二测温仪8的测温点位于人工填土4中。
[0031]具体的，以上隧道模拟构件为模拟真实隧道I形状和结构制成的缩小模型，为便于在隧道模拟构件上开设隧道I，隧道模拟构件里的隧道I可设置为单洞隧道I。所述人工填土4用于模拟真实隧道I的围岩，挡土围墙5可用于模拟真实隧道I围岩表面