高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置及制作和试验方法

1.本发明涉及隧道试验技术领域，尤其涉及高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置及制作和试验方法。


背景技术：

2.鉴于高海拔冻土区广泛存在于我国西部和丝路沿线城市，部分地区地形地质条件异常复杂，过去以工程类比和经验计算为基础设计的隧道在高海拔冻土区往往冻害频发，故对高海拔冻土区长大隧道设计施工进行试验研究具有重要意义。
3.当前已有的寒区隧道室内试验装置存在一定的局限性，其一是模拟时模型很少考虑大断面隧道和小断面隧道在同一扰动下热力力学响应的区别，少有以隧道断面尺寸为自变量的模拟试验；其二是少有同时控制环境温度与列车交通风两个变量，而对寒区隧道而言，列车交通风是影响其纵向防冻与洞口保温深度的一个重要原因；其三是对衬砌与围岩材料的选择往往缺少考量，难以同时响应温度和应力变化。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置及制作和试验方法，以解决上述所述的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置，包括隧道模型与监测系统、环境温度控制系统，其特征在于：所述试验装置还包括交通风控制系统和计算机总控系统，所述隧道模型与监测系统、环境温度控制系统和交通风控制系统均与所述计算机总控系统通讯连接；所述交通风控制系统包括列车轨道模型和列车模型，所述列车轨道模型贯穿所述隧道模型与监测系统，所述环境温度控制系统罩设在所述隧道模型与监测系统和交通风控制系统外。
7.进一步的，所述隧道模型与监测系统包括隧道衬砌和隧道围岩，所述隧道衬砌围成的空间为隧道；所述隧道围岩的左右两侧和底部均由内向外依次设有模型模板和保温层，所述隧道的洞口和每个监测截面拱顶处均设有风速风温监测装置，所述隧道内每个监测截面的拱顶、一侧边墙和拱底处均设有围岩热力力学监测装置，所述风速风温监测装置和围岩热力力学监测装置均与数据采集器通讯连接，所述数据采集器与所述计算机总控系统通讯连接。
8.进一步的，所述环境温度控制系统包括鼓风机、通风管、软管和步入式冻土箱，所述隧道模型与监测系统、交通风控制系统、鼓风机、通风管和软管均位于所述步入式冻土箱内，所述通风管的一端与所述鼓风机连接，所述通风管的另一端朝向所述隧道的洞口，且所述通风管的中间段为软管；所述步入式冻土箱和鼓风机均与所述计算机总控系统通讯连接。
9.进一步的，所述列车轨道模型包括两个圆弧段和两个直线段，所述圆弧段和所述
直线段首尾相连形成闭环结构，且所述圆弧段和所述直线段的底部均设有高度可调的支撑架，其中一个所述直线段贯穿所述隧道。
10.进一步的，列车模型包括列车外壳，所述列车外壳的底部设有四个列车导向轮，所述列车导向轮与所述列车轨道模型相匹配，所述列车外壳内设有电池、无线控制器和多级变速装置，所述无线控制器与所述电池、多级变速装置和计算机总控系统通讯连接。
11.进一步的，高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤，
12.s1：搜集所需模拟的隧道区域工程地质条件和区域气候资料，确定隧道模型与监测系统的几何尺寸，并确定监测截面位置；
13.s2：根据隧道模型与监测系统的尺寸制作底部支撑模板、左侧固定模板、右侧活动模板和前后固定模板；
14.s3：将左侧固定模板和前后固定模板固定安装在底部支撑模板上，根据隧道的径向尺寸调节右侧活动模板的位置，并对右侧活动模板进行固定；
15.s4：在底部支撑模板、左侧固定模板、右侧活动模板和前后固定模板围成的空间内填筑隧道围岩材料，填筑至隧道衬砌的下边缘标高，放入隧道衬砌，安装风速风温监测装置和围岩热力力学监测装置，然后再填筑至指定标高，完成隧道模型与监测系统的制作；
16.s5：将制作好的隧道模型与监测系统放入步入式冻土箱内，同步在步入式冻土箱内安装鼓风机和通风管，调整好通风管的出风口朝向；
17.s6：安装列车轨道模型，拼装列车模型并置于指定位置，确保列车轨道模型保持平行稳定；
18.s7：将计算机总控系统与隧道模型与监测系统、环境温度控制系统和交通风控制系统连接。
19.进一步的，步骤s4中所述的隧道围岩材料为砂石，隧道衬砌的材料为石膏、水泥砂浆或者pvc管。
20.进一步的，高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤，
21.步骤1：检查隧道模型与监测系统、环境温度控制系统和交通风控制系统与计算机总控系统的连接，设置各系统的参数，进行工作状态测试；
22.步骤2：启动鼓风机，调试步入式冻土箱和列车模型，保证隧道内的温度和风流监测正常，准备开始工作；
23.步骤3：启动列车模型，检查监测截面点数据记录状态；
24.步骤4：待全系统运行稳定，隧道模型与监测系统采集的数据汇总到计算机总控系统，计算机总控系统建立不同坐标的监测点位温度与应力监测数据随时间变化的三维模型，维持各项数据实时采集直至试验结束，并通过三维模型对比关键点随隧道尺度变化的规律；
25.步骤5：实验完毕后拆卸试验装置。
26.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
27.1、本发明中的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置考虑了列车交通风的影响，且交通风控制系统中，列车轨道模型通过支撑架对其高度进行调节，从而保证列车轨道模
型对准隧道的洞口，列车交通风的生成与控制仅需控制列车模型的形状和尺寸，通过不同尺寸的列车外壳可以提供同等速度下不同大小的交通风；而列车模型内置多级变速装置，可以通过计算机总控系统控制列车模型的速度升降和列车的启动与停止，从而实现计算机总控系统对隧道列车交通风的控制。
28.2、本发明中的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置在每个监测截面的拱顶、一侧边墙和拱底处均设有围岩热力力学监测装置，根据工程经验和现有研究可知，对于圆形盾构隧洞，其衬砌变形最大处多为圆顶的竖向位移和水平轴处的横向位移，因此，监测截面内模型监测点位可以只选取拱顶，两侧边墙与拱底四个关键点，而在实验过程中隧道模型所受扰动同时具有对称性的情况下，可以去掉一侧边墙的监测点位，进一步减少监测仪器的使用，从而布设更少的监测点位来达到同样的监测效果。
29.3、本发明中的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置中，环境温度控制系统可为隧道制作不同的环境温度，通过通风管和软管的设置提供不同方向和风速的风流，从而可控制隧道模型的环境温度、洞口风速和方向三个参数。
30.4、本发明中的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置在隧道的洞口和每个监测截面拱顶处均设有风速风温监测装置，隧道内每个监测截面的拱顶、一侧边墙和拱底处均设有围岩热力力学监测装置，围岩热力力学监测装置包括温度传感器和冻胀力传感器，根据监测的数据可建立温度和冻胀力随时间变化的考虑交通风，隧道尺寸，环境温度三个参数的三维参数模型，更深入地对比关键点随隧道尺度变化的规律，研究各参数对大断面寒区隧道的影响。
31.5、本发明中的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置的制作方法中，右侧活动模板可沿径向平移，平移后左右侧模板的距离即为模型径向尺寸，从而在不重新制作模板的情况下对模型的填筑模具进行径向尺度的改变；模板之间可进行互拼接，拼接后左右侧模板的纵向尺寸即为缩尺模型的纵向尺寸，从而进行模具纵向尺度的变化；同理在模板纵向拼接后再进行平移，平移后左右侧模板的距离即为所需模型径向尺寸，同时考虑了径向和纵向尺度的变化，从而证明了本方法为灵活、经济，有效的室内实验隧道缩尺模型制作方法。
32.6、本发明中的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置的试验方法中，隧道模型与监测系统采集的数据汇总到计算机总控系统，计算机总控系统按照监测点的编号将其一一对应于软件三维数据模型中，得到一段时间内对应径向与纵向坐标的监测点位所对应的监测数据随着交通风参数、环境温度变化的变动曲线，更有效地研究各参数的影响效果；三维模型还可以生成径向切面与纵向切面，并选择显示监测点位的坐标，通过展示不同模型不同工况下的数值模型，可更加直观地显示交通风，隧道尺寸，环境温度三因素对隧道衬砌围岩温度与冻胀力的影响，且数值模型具有较好的可视性。
附图说明
33.图1为本发明模拟试验装置整体结构示意图。
34.图2为本发明隧道模型与监测系统结构示意图。
35.图3为本发明环境温度控制系统结构示意图。
36.图4为本发明交通风控制系统结构示意图。
37.图5为本发明列车模型结构主视图。
38.图6为本发明列车模型结构俯视图。
39.图7为本发明底部支撑模板与左侧固定模板安装结构示意图。
40.图8为本发明前后固定模板安装示意图。
41.图9为本发明小断面隧道模型右侧活动模板安装示意图。
42.图10为本发明大断面隧道模型右侧活动模板安装示意图。
43.图11为本发明拓展左侧固定模板，填筑小断面隧道安装示意图。
44.图12为本发明拓展左侧固定模板后，移动右侧活动模板，填筑大断面隧道安装示意图。
45.其中：1-隧道模型与监测系统，2-环境温度控制系统，3-交通风控制系统，4-计算机总控系统，5-隧道衬砌，501-隧道，6-隧道围岩，7-风速风温监测装置，8-围岩热力力学监测装置，9-模型模板，10-保温层，11-数据线，12-数据采集器，13-无线信号收发装置，14-鼓风机，15-通风管，16
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软管，17-风向，18-步入式冻土箱，19-列车轨道模型，1901-圆弧段，1902
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直线段，20-列车模型，21-轨道拼接口，22-支撑架，23-列车外壳，24-列车导向轮，25-电池，26-无线控制器，27-多级变速装置，28-隧道模型填筑系统，29-封边角钢，30-封边胶条，31-底部支撑模板，32-左侧固定模板， 33-右侧活动模板，34-前后固定模板。
具体实施方式
46.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
47.实施例一：
48.参照附图1-6所示的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置，包括隧道模型与监测系统1、环境温度控制系统2，所述试验装置还包括交通风控制系统3和计算机总控系统4，所述隧道模型与监测系统1、环境温度控制系统2和交通风控制系统3均与所述计算机总控系统4通讯连接；所述交通风控制系统3包括列车轨道模型19和列车模型20，所述列车轨道模型19贯穿所述隧道模型与监测系统1，所述环境温度控制系统2罩设在所述隧道模型与监测系统1和交通风控制系统3外。
49.具体的，所述隧道模型与监测系统1包括隧道衬砌5和隧道围岩6，所述隧道衬砌5围成的空间为隧道501，所述隧道围岩6位于所述隧道衬砌5外侧四周；所述隧道围岩6的左右两侧和底部均由内向外依次设有模型模板9和保温层10，所述隧道501的洞口和每个监测截面拱顶处均设有风速风温监测装置7，用于采集隧道501内部风流的数据；所述隧道501 内每个监测截面的拱顶、一侧边墙和拱底处均设有围岩热力力学监测装置 8，根据工程经验和现有研究可知，对于圆形盾构隧洞，其衬砌变形最大处多为圆顶的竖向位移和水平轴处的横向位移，因此，监测截面内模型监测点位可以只选取拱顶，两侧边墙与拱底四个关键点，而在实验过程中隧道模型所受扰动同时具有对称性的情况下，可以去掉一侧边墙的监测点位，进一步减少监测仪器的使用，从而布设更少的监测点位来达到同样的监测效果；所述围岩热力力学监测装置8包括温度传感器和冻胀力传感器，所述风速风温监测装置7和围岩热力力学监测装置8均通过数据线11与数据采集器12通讯连接，所述数据采集器12内设有无线信号收发装置13，所述数据采集器12通过所述无线信号收发装置13与所述计算机总
控系统 4通讯连接，将采集到的风速、风温、温度、冻胀力数据传输至计算机总控系统4，计算机总控系统4通过相关软件可建立获得隧道温度与冻胀力随时间变化的三维模型，从而实现信息的三维重现。
50.所述环境温度控制系统2包括鼓风机14、通风管15、软管16和步入式冻土箱18，所述隧道模型与监测系统1、交通风控制系统3、鼓风机14、通风管15和软管16均位于所述步入式冻土箱18内，所述步入式冻土箱5 用于为隧道501制造环境温度，所述通风管15的一端与所述鼓风机14连接，所述通风管15的另一端弯针后朝向所述隧道501的洞口，且所述通风管15的中间段为软管16，软管16的设计可以改变通风管15的出风方向，调整风向，所述鼓风机14和通风管15在隧道501的洞口提供不用方向和风速的风流；所述步入式冻土箱18和鼓风机14均与所述计算机总控系统4通讯连接，从而控制隧道模型与监测系统1整体的环境温度、洞口的风速和方向三个参数。
51.所述列车轨道模型19包括两个圆弧段1901和两个直线段1902，所述圆弧段1901和所述直线段1902首尾相连，通过轨道拼接口21卡扣连接，形成闭环结构，且所述圆弧段1901和所述直线段1902的底部均设有高度可调的支撑架22，其中一个所述直线段1902贯穿所述隧道501，通过支撑架22的高度调节保证列车模型20能够水平运行；支撑架22可采用现有技术中的伸缩杆或者其他长度能够调节的装置即可，支撑架22的结构为现有技术，本技术中不做赘述。
52.列车模型20包括列车外壳23，所述列车外壳23的底部设有四个列车导向轮24，所述列车导向轮24与所述列车轨道模型19相匹配，保证列车模型20运行过程中的安全性，避免在列车模型20启动时飞出列车轨道模型；所述列车外壳23内设有电池25、无线控制器26和多级变速装置27，所述无线控制器26与所述电池25、多级变速装置27和计算机总控系统4 通讯连接，无线控制器26可通过调整多级变速装置27控制列车模型20 的启动、加速与停止；无线控制器26与计算机总控系统4连接，通过计算机总控系统4进行统一遥控。
53.实施例二：
54.实施例二提供一种如实施例一所述的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置的制作方法，如附图～所示，包括以下步骤，
55.s1：搜集所需模拟的隧道区域工程地质条件和区域气候资料，确定隧道模型与监测系统1的几何尺寸，并确定监测截面位置；
56.s2：根据隧道模型与监测系统1的尺寸制作底部支撑模板31、左侧固定模板32、右侧活动模板33和前后固定模板34；
57.底部支撑模板31尺寸要求大于等于隧道模型与监测系统1设计底边尺寸，前后固定模板34尺寸要求大于等于隧道模型与监测系统1设计径向截面尺寸，左侧固定模板32和右侧活动模板33的高度大于等于隧道围岩6的设计高度，长度等于隧道模型与监测系统1纵向尺寸；底部支撑模板31、左侧固定模板32和前后固定模板34为固定模板，右侧活动模板 33为活动模板，填筑时可通过径向移动右侧活动模板33来实现预留填筑空间径向尺度的变化。
58.s3：使用封边角钢29和封边胶条30将左侧固定模板32固定安装在底部支撑模板31上，保证填筑时不出现渗漏现象，如附图7所示；然后将前后固定模板34固定安装在底部支撑模板31上，同样使用封边角钢29 和封边胶条30进行安装，保证前后固定模板34、左侧固
定模板32和底部支撑模块31相互固定，如附图8所示；
59.对于小断面围岩模型的填筑，需要在指定位置插入右侧活动模板33，右侧活动模板33通过封边角钢29与前后固定模板34和底部支撑模板31 固定连接，左侧固定模板32与右侧活动模板33之间的净距为小断面模型的径向尺寸，如附图9所示，形成一个完整的隧道模型填筑系统28。
60.填筑大断面模型时，水平向移动右侧活动模板33至所需位置，控制左侧固定模板32与右侧活动模板33之间净距为断面径向尺寸，从而完成所需大断面尺寸的模型填筑，如附图10所示；
61.进一步的，通过纵向拓展左侧固定模板32至所需纵向尺寸可实现小断面模型纵向尺寸的控制，其中相邻的两块右侧活动模板33之间以封边角钢29进行连接，左侧固定模板32与底部支撑模板31的接触面需要施加封边胶条30，从而保证砂土填筑时不渗漏，如附图11所示。
62.在前后固定模板34拓展的基础上，进一步的移动右侧活动模板33，可进行大断面模型的填筑，如附图12所示。
63.s4：在底部支撑模板31、左侧固定模板32、右侧活动模板33和前后固定模板34围成的空间内填筑隧道围岩6材料(隧道围岩6材料为砂石)，填筑至隧道衬砌5的下边缘标高，放入隧道衬砌5(隧道衬砌5的材料为石膏、水泥砂浆或者pvc管，可根据材料的选择控制衬砌与围岩的热力力学性质，需提前制作好)，安装风速风温监测装置7和围岩热力力学监测装置8，然后再填筑至指定标高，整理数据线11，检查监测点位布设，平整模型顶面，完成隧道围岩6的填筑；随后拆卸前后固定模板34，将数据线11连接至数据采集器12，并为左侧固定模板32和右侧活动模板33 (也即上述所述的模型模板9)贴上保温层10，以模拟真实状况下围岩温度边界，完成隧道模型与监测系统1的制作；
64.s5：将制作好的隧道模型与监测系统1放入步入式冻土箱18内，同步在步入式冻土箱18内安装鼓风机14和通风管15，调整好通风管15的出风口朝向；
65.s6：安装列车轨道模型19，拼装列车模型20并置于指定位置，确保列车轨道模型19保持平行稳定；
66.s7：将计算机总控系统4与隧道模型与监测系统1、环境温度控制系统2和交通风控制系统3连接。
67.实施例三：
68.实施例三提供一种实施例一中所述的高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤，
69.步骤1：检查隧道模型与监测系统1、环境温度控制系统2和交通风控制系统3与计算机总控系统4的连接，设置各系统的参数，进行工作状态测试；
70.步骤2：启动鼓风机14，调试步入式冻土箱18和列车模型20，保证隧道501内的温度和风流监测正常，准备开始工作；
71.步骤3：启动列车模型20，检查监测截面点数据记录状态；
72.步骤4：待全系统运行稳定，隧道模型与监测系统1采集的数据汇总到计算机总控系统4，计算机总控系统4建立不同坐标的监测点位温度与应力监测数据随时间变化的三维模型，维持各项数据实时采集直至试验结束，并通过三维模型对比关键点随隧道尺度变化
的规律；
73.步骤5：实验完毕后拆卸试验装置。
74.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。