隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验装置及方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验装置及方法。

背景技术：

人工冻结法因其不受范围和深度的限制，能有效的支护和止水，在地铁隧道联络通道、隧道进出洞口工程中得到了广泛的应用。然而，在隧道冻结施工期结束后，冻结壁融化，隧道周围的土体将发生热融沉降和固结沉降，该沉降过程将对上覆道路和周边建筑物产生巨大的影响。

首先，强制解冻手段被证明能有效控制这一沉降过程，因而通过物理模型试验模拟冻结壁的强制解冻过程将有助于进一步揭示地层的融沉机理。其次，融土的固结沉降是一个在地层自重应力条件下随着时间缓慢变形的过程，而常规的物理模型试验很难模拟出地层的自重应力水平。为此，提出了隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中无法模拟地层在自重应力条件下融沉固结的问题，提供了隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验装置。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括离心组件、模型组件、数据采集组件、强制解冻组件；

所述模型组件包括模型箱体、隧道基土、隧道管片、多个冻结管，所述隧道管片、所述隧道基土、所述模型箱体从内至外依次设置，多个所述冻结管均匀分布在所述隧道管片外部，与所述隧道管片平行设置，位于所述隧道基土中；

所述数据采集组件包括测试元件，所述测试元件与所述模型箱体连接；

所述强制解冻组件包括水箱，多个所述冻结管均与所述水箱连通；

所述离心组件包括离心机主体与甩臂，所述模型组件设置在所述甩臂的一侧，所述强制解冻组件设置在所述甩臂上。

更进一步地，所述模型组件还包括有机玻璃块，所述有机玻璃块设置在所述隧道管片与所述隧道基土之间。

更进一步地，所述模型组件还包括保温盖板，所述保温盖板设置在所述模型箱体的向上开口处，所述测试元件通过所述保温盖板与所述模型箱体连接。

更进一步地，所述数据采集组件还包括传感器线缆与控制处理模块，所述测试元件通过所述传感器线缆与所述控制处理模块电连接。

更进一步地，所述测试元件包括位移传感器、温度传感器、压力传感器与安装套，所述安装套设置在所述保温盖板上，所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均与所述安装套连接，并与所述传感器线缆的一端连接。

更进一步地，所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器的数量均为多个，多个所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均均匀分布在所述隧道管片外部的所述隧道基土中。

更进一步地，所述强制解冻组件还包括加热装置、进水管、出水管与水泵，所述加热装置设置在所述水箱中，所述水泵设置在所述水箱上，所述进水管、多个所述冻结管、所述出水管、所述水箱依次首尾相连通。

更进一步地，所述加热装置包括控制箱、旋转开关、电阻加热管，所述旋转开关根据滑动电阻原理调控所述电阻加热管的输出功率，所述电阻加热管设置在所述水箱内部。

更进一步地，所述水泵包括电动机、水泵开关、水泵风扇，所述水泵开关与所述电动机电连接，所述水泵风扇与所述电动机的输出轴连接，所述水泵风扇转动为循环加热管路提供热水循环动力。

本发明还提供了隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验方法，包括以下步骤：

s1：确定几何相似准则，预制模型箱体、隧道管片、冻结管；

s2：安装模型箱体，将冻结管放置到模型箱体预定位置；按照现场的土层分布情况进行填土，在填土过程中不断振捣土层，同时在预定位置埋设各传感器；填土完成之后在模型箱体顶面安装保温盖板，引出传感器线缆，与控制处理模块连接；

s3：安装各冻结管，对模型土体进行静态冻结，形成设计厚度的冻结壁；

s4：在隧道基土中开挖隧道，并安装隧道管片；

s5：将模型箱体安装在离心机一侧，连接强制解冻组件；

s6：将位移传感器和压力传感器置零，开启强制解冻组件，运行离心机至预定离心加速度，进行冻结壁强制解冻，实时监测温度信息、位移信息、压力信息；

s7：拆卸各组件，拆除隧道管片和冻结管并检查隧道管片和冻结管的完好程度，以备循环使用，清空模型箱体内已填土和各传感器，按照s2重新安装模型箱体；

s8：改变离心加速度，重复步骤s3～s7；

s9：处理实验数据。

本发明相比现有技术具有以下优点：该隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验装置及方法，可以模拟现场土体的自重应力，对冻结壁进行强制解冻，为隧道水平冻结法施工地层融沉的研究提供参考依据，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例二中离心模型试验装置的结构示意图；

图2a是本发明实施例二中模型箱的内部视图；

图2b是图2a中a部放大图；

图3是本发明实施例二中加热装置的结构示意图；

图4是本发明实施例二中水箱的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验装置，包括离心组件、模型组件、数据采集组件、强制解冻组件；

所述模型组件包括模型箱体、隧道基土、隧道管片、多个冻结管，所述隧道管片、所述隧道基土、所述模型箱体从内至外依次设置，多个所述冻结管均匀分布在所述隧道管片外部，与所述隧道管片平行设置，位于所述隧道基土中；

所述数据采集组件包括测试元件，所述测试元件与所述模型箱体连接；

所述强制解冻组件包括水箱，多个所述冻结管均与所述水箱连接；

所述离心组件包括离心机主体与甩臂，所述模型组件设置在所述甩臂的一侧，所述强制解冻组件设置在所述甩臂上。

所述模型组件还包括有机玻璃块，所述有机玻璃块设置在所述隧道管片与所述隧道基土之间。

所述模型组件还包括保温盖板，所述保温盖板设置在所述模型箱体的向上开口处，所述测试元件通过所述保温盖板与所述模型箱体连接。

所述数据采集组件还包括传感器线缆与控制处理模块，所述测试元件通过所述传感器线缆与所述控制处理模块电连接。

所述测试元件包括位移传感器、温度传感器、压力传感器与安装套，所述安装套设置在所述保温盖板上，所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均与所述安装套连接，并与所述传感器线缆的一端电连接。

所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器的数量均为多个，多个所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均均匀分布在所述隧道管片外部的所述隧道基土中。

所述强制解冻组件还包括加热装置、进水管、出水管与水泵，所述加热装置设置在所述水箱中，所述水泵设置在所述水箱上，所述进水管、多个所述冻结管、所述出水管、所述水箱依次首尾相连通。

所述加热装置包括控制箱、旋转开关、电阻加热管，所述旋转开关根据滑动电阻原理调控所述电阻加热管的输出功率，所述电阻加热管设置在所述水箱内部。

所述水泵包括电动机、水泵开关、水泵风扇，所述水泵开关与所述电动机电连接，所述水泵风扇与所述电动机的输出轴连接，所述水泵风扇转动为循环加热管路提供热水循环动力。

本发明还提供了隧道冻结壁强制解冻期地层融沉离心模型试验方法，包括以下步骤：

s1：确定几何相似准则，预制模型箱体、隧道管片、冻结管；

s2：安装模型箱体，将冻结管放置到模型箱体预定位置；按照现场的土层分布情况进行填土，在填土过程中不断振捣土层，同时在预定位置埋设各传感器；填土完成之后在模型箱体顶面安装保温盖板，引出传感器线缆，与控制处理模块连接；

s3：安装各冻结管，对模型土体进行静态冻结，形成设计厚度的冻结壁；

s4：在隧道基土中开挖隧道，并安装隧道管片；

s5：将模型箱体安装在离心机一侧，连接强制解冻组件；

s6：将位移传感器和压力传感器置零，开启强制解冻组件，运行离心机至预定离心加速度，进行冻结壁强制解冻，实时监测温度信息、位移信息、压力信息；

s7：拆卸各组件，拆除隧道管片和冻结管并检查隧道管片和冻结管的完好程度，以备循环使用，清空模型箱体内已填土和各传感器，按照s2重新安装模型箱体；

s8：改变离心加速度，重复步骤s3～s7；

s9：处理实验数据。

实施例二

如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种隧道水平冻结壁强制解冻期地层融沉的离心模型试验装置主要包括离心机、模型箱1、数据采集系统、强制解冻系统。其中离心机，用于提供离心加速度，模拟现场土体的自重应力，当现场隧道埋深为h1，土体密度为ρ，则现场隧道上覆土层的自重应力为ρgh1，当模型箱1内隧道管片1004埋深为h2，土体密度与现场一致，则模型箱1内隧道管片1004上覆土层的自重应力为ρgh2，因此离心加速度比值n＝ρgh1/ρgh2＝h1/h2；模型箱1，安装在离心机左侧挂篮上，用于模拟现场冻结壁的融化过程；数据采集系统，用于采集冻结壁及隧道周围的温度信息、位移信息和压力信息；强制解冻系统，沿着离心机的甩臂布置，用于强制融化已形成的冻结壁；

离心机采用南京水利科学研究院tlj-60a岩土离心机，离心机最大容量为60g·t，有效半径为2.0m，转速幅值为5～200g，有效负荷(模型箱1+模型)为100g时600kg、200g时300kg，加速度稳定度为±0.5％f·s；

模型箱1顶面安装有一块保温盖板2，保温盖板2上安装有测试元件3，测试元件3引出的导线由传感器线缆4与多功能触屏电脑5相连，如此构成了一套数据采集系统；

模型箱1左面冻结管接头与出水管10相连，并通过并管接头12合并成一根软管，出水管10上绕与水箱7连接；水箱7上部安装有一台水泵8，旁边安装有一台加热装置6；进水管9从水箱7始出，通过分管接头13分成多根软管与模型箱1右面冻结管接头连接，如此构成了一套强制解冻系统，循环热水按水流方向11运动。

如图2所示，模型箱1包括高强钢板1001、有机玻璃块1002、隧道基土1003、隧道管片1004、冻结管1005、聚氨酯海绵保温材料2001、传感器安装套3001、限位螺栓3002、位移传感器3003、温度传感器3004、压力传感器3005；模型箱1四周和底面采用高强钢板1001焊接而成，前后表面分别预留出隧道洞口和冻结管洞口，在隧道开挖前(冻结期)，预留隧道洞口采用相同大小的圆形钢板密封；模型箱1顶面设有保温盖板2，采用钢板包裹聚氨酯海绵保温材料制成，保温盖板2中部设有传感器安装套3001，传感器安装套3001用限位螺栓3002固定；

有机玻璃块1002固定在模型箱1内四周和底面，个数可调，用于调整隧道基土1003的尺寸大小；隧道基土1003分层填入模型箱1内压实，优选地，模型箱1前后内表面分布有刻度线，用于控制隧道基土1003的厚度；隧道管片1004采用混凝土浇筑，于隧道开挖后安装在模型箱1中部，并与预留隧道洞口对接，并密封防水，此时去除模型箱1两侧表面的圆形钢板；冻结管1005采用铜管制作，安装在隧道管片1004周围，且伸出预留冻结管洞，以便与进水管9和出水管10对接，并密封防水；

位移传感器3003分别布置在冻结管1005左、左上一、左上二、中、右上二、右上一和右侧(呈间断扇形分布)，用于监测隧道管片1004左、左上一、左上二、中、右上二、右上二、右侧融土的位移情况；

温度传感器3004分别布置相邻两根冻结管1005中间，共6个热电偶串，18个温度测点，用于监测冻结壁温度场的形成情况；

压力传感器3005分别布置在隧道管片1004左、左上一、左上二、中、右上二、右上一和右侧(呈间断扇形分布)，用于监测融土对隧道管片1004产生的压力情况。

如图3所示，加热装置6包括：控制箱6001、旋转开关6002、温度显示器6003、电阻加热管6004；旋转开关6002根据滑动电阻原理来调控电阻加热管6004的输出功率；电阻加热管6004呈l型分布在水箱7底部，根据电阻即热原理对水箱7中的水加热；

如图4所示，水箱7包括：储水箱体7001、水箱进水口7002、水箱出水口7003、水箱泄气管7004；水箱进水口7002和水箱出水口7003分别与进水管9和出水管10相连；考虑到离心机配重的平衡，水箱7采用不锈钢制作，容量为50l；当水箱7中水的温度达到设计温度时，水箱7中的热压力通过水箱泄气管7004平衡；

水泵8包括：水泵电动机8001、水泵开关8002、水泵风扇8003；水泵电动机8001置于水箱7上表面；水泵风扇8003在水泵电动机8001的带动下旋转，为循环加热管路提供热水循环动力；水泵开关8002控制水泵风扇8003正旋转或逆旋转；水泵8扬尘为110m，最大输出压力为1.1mpa。

本实施例还提供了一种隧道水平冻结壁强制解冻期地层融沉的离心模型试验方法，包括以下步骤：

步骤一、确定几何相似准则，预制模型箱1、隧道管片1004、冻结管1005；

具体地，根据离心机的转速幅值(5～200g)，确定几何相似比，在本实施例中，选取几何相似比cl＝50；

预制模型箱采用高强钢板焊接而成，尺寸为500mm×350mm×400mm(相当于原型尺寸为25m×17.5m×20m)；隧道管片1004采用c40混凝土浇筑，直径为100mm(相当于原型直径为5m)，厚度为10mm(相当于原型厚度为0.5m)；冻结管1005采用单层铜管，直径为8mm，长度为400mm。

步骤二、模型箱安装；

具体地，在模型箱1内四周和底面布置合适的有机玻璃块1002，调整隧道基土1003的区域尺寸为400mm×250mm×300mm(相当于原型为20m×12.5m×15m)；将冻结管1005安装至模型箱1规定位置(此时隧道还未开挖，模型箱1的两侧表面预留的隧道洞口采用圆形钢板密封)；

按照现场的土层分布情况在模型箱1内进行填土，填土每达到模型箱1内壁刻度线100mm进行一次振捣夯实，同时在预定位置埋设用于采集温度信息的热电偶串(温度传感器3004)、用于采集位移信息的位移测杆(位移传感器3003)和用于采集压力信息的压力盒(压力传感器3005)；填土完成之后在模型箱1顶面安装保温盖板2，引出所述传感器线缆4，与所述多功能触屏电脑5连接；

步骤三、安装盐水冻结系统，对隧道基土1003进行静态冻结，形成设计厚度的冻结壁；

步骤四、隧道开挖及隧道管片安装；

具体地，卸下模型箱1两侧表面的圆形钢板，采用开挖机械迅速进行隧道开挖，隧道洞口贯通后，立即将预制好的隧道管片1004安装至指定位置，并密封防水。

步骤五、将模型箱1安装在所述离心机左侧挂篮上，连接强制解冻系统；

根据热扩散效应，采用butterfield量纲分析法建立的相似准则，离心模型的解冻时间为原型的1/n²倍，离心模型的未冻水迁移流速为原型的n倍，离心模型的系统温度为原型的1倍，离心模型的冻结壁厚度为原型的1/n倍。因此，离心模型试验中预设解冻时间为120min，预设冻结温度为-25℃，解冻温度为30℃，预设模型冻结壁厚度为20mm；相当于原型解冻时间208.3天，冻结温度为-25℃，解冻温度为30℃，冻结壁厚度为1m。

步骤六、将所述数据采集系统的位移传感器和压力传感器置零，开启强制解冻系统，运行离心机至预定离心加速度，进行冻结壁强制解冻；实时监测温度信息、位移信息、压力信息。

步骤七、实验设备拆卸。

步骤八、改变离心加速度，重复步骤三、四、五、六、七。

步骤九、实验数据处理；

具体地，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；将每个位移测点的数据绘制成位移随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点位移随时间的变化规律，将3个测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置的融沉分布规律；将通过每一个压力盒测得的数据绘制成压力随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点压力随时间的变化规律，将三个测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置解冻压力的融沉分布规律。

需要说明的是，关于该方法中涉及的各设备的描述可参见上述装置中关于各对应设备的描述，此处不再一一赘述。

综上所述，上述实施例的隧道水平冻结壁强制解冻期地层融沉的离心模型试验装置及方法，可以模拟现场土体的自重应力，对冻结壁进行强制解冻，为隧道水平冻结法施工地层融沉的研究提供参考依据，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。