环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置及方法

本发明属于隧道工程，涉及一种环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置及方法，适用于地铁隧道性能的测试。

背景技术：

1、盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，常用于地铁隧道开挖。隧道管片是盾构施工中的主要装配构件，也是盾构法隧道的永久性衬砌结构，关系到隧道整体的质量和安全。随着地铁的普及，盾构法的应用越来越广泛，由于土体的温度变化引起的冻融效应会对隧道管片造成不利的影响，严重的会出现隧道管片错位、收敛变形过大等工程事故。现有测试装置无法考虑土体的冻胀和融沉效应对隧道管片的同时影响，且冻结管四周产生的冻胀及融沉区域都是均匀的，也不能考虑管片厚度变化的工况。因此现有方法存在如下不足：1)只能按照先冻胀后融沉的工序进行测试，不能考虑土体冻胀和融沉对管片的同时作用；2)只能适用于管片等厚度的工况，不能测试管片厚度变化带来的影响；3)只能考虑均匀的冻胀或融沉效应，而实际工程中常会出现环向不均匀的冻胀及融沉区域。

技术实现思路

1、为了克服现有冻融测试方式的无法实现土体的冻融效应对地铁隧道的同时影响，也不能测试环向不均匀的土体冻融效应对盾构隧道性能的影响等不足，本发明提供了环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置及方法，不仅可以实现对地铁隧道进行环向不均匀冻胀融沉的同时测试，而且简单易行、操作方便、费用低、周期短。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，包括管壁环向位置调节系统、隔热材料、导热材料厚度调节系统、隧道管片、管片厚度调节系统、热源、热源管、冷源、冷源管和前后面板，所述冷源被冷源管包围，所述热源被热源管包围，所述冷源和热源中设有水温计，所述冷源管和热源管固定在所述管壁环向位置调节系统上，呈圆环形分布；所述隔热材料位于冷源管和热源管交界的空隙处，所述导热材料厚度调节系统位于冷源管和热源管的内侧，所述隧道管片位于整个测试装置的环形中心，所述管片厚度调节系统位于隧道管片内，所述前后面板分别位于整个测试装置的前端和后端，所述前后面板与管壁环向位置调节系统形成的腔体内填充土体，所述土体区域内设有土压力盒、位移计和含水量探头。

4、进一步，所述管壁环向位置调节系统包括管壁环向滑轨、管壁环向固定旋钮和管壁，所述管壁位于内外两条管壁环向滑轨上，所述管壁环向固定旋钮位于每个管壁与管壁环向滑轨相临处。

5、再进一步，所述导热材料厚度调节系统包括导热材料、导热材料夹具和导热材料夹具伸缩调节旋钮，所述导热材料夹具位于所述隔热材料中，在夹具上预留的孔位安装导热材料夹具伸缩调节旋钮，将相应尺寸的导热材料通过夹具固定在冷热源管内侧。本方案中，固定在冷热源管内侧的导热材料的圆心角度数和厚度根据工程需要进行设定，导热材料通过导热材料夹具伸缩调节旋钮进行固定。

6、更进一步，所述隧道管片包括内侧管片和外侧管片，所述管片厚度调节系统位于隧道管片内。

7、所述管片厚度调节系统包括伸缩板、固定端板、铰接头连接板和铰接头，所述固定端板位于所述内侧管片和外侧管片之间，将所述伸缩板与两侧固定端板连接，用所述铰接头将两侧的铰接头连接板与固定端板固定成整体。

8、更进一步，所述前后面板包括冷源接口、热源接口和土层挡板，所述冷源接口和热源接口呈环状分布于前后面板上，具体位置与冷源管和热源管的位置吻合，所述土层挡板位于前后面板上与土体的位置重合。

9、将隧道管片在环向上分为若干个区域，用隧道管片分区编号加以区分。

10、将冷热源的位置在环向上布置成若干个区域，用冷热源分区编号加以区分。

11、一种环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试方法，包括以下步骤：

12、步骤1、根据工程特点和测试要求确定隧道管片的材质、内径及分区；

13、步骤2、安装环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，所述测试装置包括管壁环向位置调节系统、隔热材料、导热材料厚度调节系统、隧道管片、管片厚度调节系统、热源、热源管、冷源、冷源管和前后面板，所述冷源被冷源管包围，所述热源被热源管包围，冷源和热源中设有水温计，所述冷源管和热源管固定在所述管壁环向位置调节系统上，呈圆环形分布，所述隔热材料位于冷源管和热源管交界的空隙处，所述导热材料厚度调节系统位于冷源管和热源管的内侧，所述隧道管片位于整个测试装置的环形中心，所述管片厚度调节系统位于隧道管片内，所述前后面板分别位于整个测试装置的前端和后端，所述前后面板与管壁环向位置调节系统形成的腔体内填充土体，所述土体区域内设有土压力盒、位移计和含水量探头；

14、步骤3、确定冷源和热源的温度参数，打开外部冷源和热源开关，将冷源管和热源管分别与外部的冷源和热源连接，并达到相应的测试温度；根据测试要求，设置冷源温度和热源温度；通过前面板预留的冷源接口向安装好的冷源管通冷源；通过装置箱预留的热源接口向安装好的热源管通热源；冷热源从后面板预留的冷热源接口回流至外部的冷热源系统后再流入冷热源管，形成冷源和热源的内外循环；

15、步骤4、开始试验并进行数据采集：试验开始前记录各传感器的初始数据，当冷源和热源温度达到测试温度后且保持恒定，按照每隔半小时记录相应的测试数据，当测试点的数据达到稳定后，停止试验；

16、步骤5、不同冷源和热源温度的循环测试，重复步骤3到4，通过改变外部冷源和热源的温度，可实现不同冷热源温度的土体冻胀和融沉同时测试；

17、进一步，所述步骤2中，冷源管和热源管在管壁环向位置调节系统上的位置根据工程要求确定；导热材料厚度根据工程要求确定；隧道管片厚度根据工程要求确定，所述测试方法还包括以下步骤：

18、步骤6、不同冷源和热源位置的循环测试，重复步骤2到4，通过改变冷源和热源接口的位置，可实现环向不同冷源和热源位置、不同冷热源温度的冻融测试；

19、步骤7、不同导热材料厚度的循环测试，重复步骤2到4，通过改变冷源和热源接口的位置，调节导热材料厚度调节系统改变导热材料的厚度，可实现不均匀冻胀和融沉、环向不同冷源和热源位置及不同冷热源温度的工况测试；

20、步骤8、不同隧道管片厚度的循环测试，重复步骤2到4，通过改变冷源和热源接口的位置，调节导热材料厚度调节系统改变导热材料的厚度，调节伸缩板的长度，可实现环向不均匀冻胀和融沉、不同冷源和热源位置、不同隧道管片厚度及不同冷热源温度的工况测试；

21、步骤9、结束试验，清除土体，拆除装置。

22、本发明的有益效果主要表现在：(1)能测试土体冻胀和融沉对隧道管片的同时作用；(2)能测试土体环向不均匀冻胀融沉对隧道管片的影响；(3)能测试管片性能受厚度变化的影响；(4)操作方便，费用低，周期短。

技术特征：

1.一种环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，包括管壁环向位置调节系统、隔热材料、导热材料厚度调节系统、地铁管片、管片厚度调节系统、热源、热源管、冷源、冷源管和前后面板，所述冷源被冷源管包围，所述热源被热源管包围，所述冷源和热源中设有水温计，所述冷源管和热源管固定在所述管壁环向位置调节系统上，呈圆环形分布；所述隔热材料位于冷源管和热源管交界的空隙处，所述导热材料厚度调节系统位于冷源管和热源管的内侧，所述地铁管片位于整个测试装置的环形中心，所述管片厚度调节系统位于地铁管片内，所述前后面板分别位于整个测试装置的前端和后端，所述前后面板与管壁环向位置调节系统形成的腔体内填充土体，所述土体区域内设有土压力盒、位移计和含水量探头。

2.如权利要求1所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，所述管壁环向位置调节系统包括管壁环向滑轨、管壁环向固定旋钮和管壁，所述管壁位于内外两条管壁环向滑轨上，所述管壁环向固定旋钮位于每个管壁与管壁环向滑轨相临处。

3.如权利要求1或2所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，所述导热材料厚度调节系统包括导热材料、导热材料夹具和导热材料夹具伸缩调节旋钮，所述导热材料夹具位于所述隔热材料中，在夹具上预留的孔位安装导热材料夹具伸缩调节旋钮，将相应尺寸的导热材料通过夹具固定在冷热源管内侧。

4.如权利要求1或2所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，所述地铁管片包括内侧管片和外侧管片，所述管片厚度调节系统位于地铁管片内。

5.如权利要求1或2所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，所述管片厚度调节系统包括伸缩板、固定端板、铰接头连接板和铰接头，所述固定端板位于所述内侧管片和外侧管片之间，将所述伸缩板与两侧固定端板连接，用所述铰接头将两侧的铰接头连接板与固定端板固定成整体。

6.如权利要求1或2所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，所述前后面板包括冷源接口、热源接口和土层挡板，所述冷源接口和热源接口呈环状分布于前后面板上，具体位置与冷源管和热源管的位置吻合，所述土层挡板位于前后面板上与土体的位置重合。

7.如权利要求1或2所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，将地铁管片在环向上分为若干个区域，用地铁管片分区编号加以区分。

8.如权利要求1或2所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，其特征在于，将冷热源的位置在环向上布置成若干个区域，用冷热源分区编号加以区分。

9.一种如权利要求1或2所述的环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，冷源管和热源管在管壁环向位置调节系统上的位置根据工程要求确定；导热材料厚度根据工程要求确定；地铁管片厚度根据工程要求确定，所述测试方法还包括以下步骤：

技术总结
一种环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试装置，冷源被冷源管包围，热源被热源管包围，冷源和热源中设有水温计，冷源管和热源管固定在管壁环向位置调节系统上，呈圆环形分布；隔热材料位于冷源管和热源管交界的空隙处，导热材料厚度调节系统位于冷源管和热源管的内侧，地铁管片位于整个测试装置的环形中心，管片厚度调节系统位于地铁管片内，前后面板分别位于整个测试装置的前端和后端，其与管壁环向位置调节系统形成的腔体内填充土体，土体区域内设有土压力盒、位移计和含水量探头。以及提供环向不均匀冻融条件下地铁隧道性能的测试方法。本发明可以实现对地铁隧道进行环向不均匀冻胀融沉的同时测试，简单易行、操作方便、费用低、周期短。

技术研发人员：罗战友,臧延伟,严佳佳,徐乃方,姚燕明,周俊宏,黄斌
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12