一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台的制作方法

1.本发明属于隧道灾害治理技术领域，具体涉及一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台。


背景技术：

2.国内很多实验室开展了冻融循环对围岩和混凝土力学性能方面的影响的研究，但目前试验手段主要还是以制作小型试件为主进行冻融试验。快冻法混凝土抗冻性能试验按规定进行，即试件应在28天龄期时开始冻融试验，冻融试验前应先在15～20℃的水中浸泡试件，浸泡4天完毕后取出试件，称重，按规定测定其横向基频的初始值。然后将试件放到试件盒内，为了使试件受温均衡，并消除试件周围因水分结冰引起的附加应力，试件的侧面与底部应垫放橡胶板，在整个试验过程中，盒内水位高度应始终保持高出试件顶面5毫米左右。把试件盒放入冻融箱内，即可开始冻融循环。冻融循环过程可按照相关规定进行。
3.这种试验方法主要是针对小型试件混凝土或岩石，且温度传递直接作用于混凝土和岩石表面，与隧道工程现场工况(隧道混凝土结构周围分布有覆土或围岩)不符，既缺乏荷载作用，又缺乏传播介质，试验结果失真。目前仍欠缺能够模拟在冻融循环环境作用下隧道模拟试验平台。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台，试验平台尺寸足够大，可考虑诸如偏压隧道等复杂地形；可根据隧道现场实际工况进行防冻保温隔热模拟。
5.本发明采用以下技术方案：一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台，其特征在于，包括：隧道结构模型，施做于实验室地面，其以待验证隧道为基准，按照比例缩放，缩放后的长度与待验证段相同，其纵向的前后两端为隧道洞口，且两个隧道洞口均与外界相连通，隧道洞内用于人员通行；在隧道结构模型内埋设有隧道衬砌位移测量装置和内力量测装置；位移测量装置和内力量测装置均与设置于隧道洞内的控制装置相连接。
6.模型箱，竖直设置于隧道结构模型上部，且其左右两端的宽度宽于隧道结构模型的宽度；其包括横向立板、纵向立板和岩土体相似材料；横向立板为两个，位于两端的两个隧道洞口处，且位于初期支护外侧，各底部环绕于初期支护；两个横向立板相平行，其左右长度均大于隧道结构模型的宽度；
7.纵向立板为两个，均为竖直向设置的板体，位于两个横向立板间，且位于横向立板的左右端部，其相平行，各纵向立板的端部与横向立板的端部相贴合连接，纵向立板与横向立板及隧道结构模型间形成上端敞口的模型箱，在模型箱的顶部还设置有预制盖板；岩土体相似材料，填满于模型箱内，其与待验证隧道地层的岩土体相似。
8.进一步地，在各横向立板的左右端及上端沿竖向及横向走向间隔开设有多个纵向通孔，两个横向立板上的通孔的位置相对称，对称的两个通孔内均纵向贯通设置有用于加热或冷却的管道，位于一横向立板端的各管道的端部封闭，位于另一横向立板端的各管道
的端部为敞口状，且敞口的一端与制冷装置或加热装置相连接。
9.进一步地，各横向立板的外侧壁与其所在端的隧道洞口的外侧壁相平齐。
10.进一步地，在岩土体相似材料中埋设有冻胀力测量装置，用于测试土体冻胀过程中冻胀力的大小和温度，冻胀力测量装置与控制器相连接，控制器设置于模型箱外。
11.进一步地，该隧道结构模型在纵向上为一段或者相连接的多段，当为多段时，多段的结构设置不同。
12.本发明还公开了上述的一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台的施工方法，该施工方法包括如下步骤：
13.步骤一、以待验证隧道为基准，按照比例缩放，在实验室地面施做隧道结构模型，隧道结构模型1的纵向的前后两端为隧道洞口，且两个隧道洞口均与外界相连通；
14.步骤二、在隧道结构模型的上方，且环绕于初期支护外侧一周施做竖直向的模型箱，具体如下：
15.步骤2.1、在两端的两个隧道洞口处，且位于隧道结构模型的上方环向一周立模浇筑混凝土，在各洞口端形成竖直向上的横向立板，且横向立板的左右两端均越过隧道结构模型的左右侧边；在各横向立板的左右端及上端沿竖向及横向走向间隔开设有多个纵向通孔；两个横向立板上的通孔的位置相对称，相对应位置的两个通孔与隧道结构模型外侧上方的空间相连通；
16.步骤2.2、在隧道结构模型的左右侧，且位于前后洞口的两个立板间的左右端，各立模浇筑混凝土，形成两个竖直向上的纵向立板，纵向立板、横向立板及隧道结构模型间形成上端敞口的模型箱；
17.步骤2.3、在各纵向通孔内插入用于加热或冷却的管道，位于隧道结构模型的同一端的管道的端部，一端封闭，一端敞口，将敞口的一端与制冷装置或加热装置相连接；
18.步骤2.4、在模型箱内填满与待待验证隧道上方岩土体相似材料，且在材料中埋设冻胀力测量装置，冻胀力测量装置与控制器相连接，控制器设置于模型箱外；
19.步骤2.5、在模型箱的上部敞口端施做预制盖板，封闭模型箱。
20.本发明还公开了上述一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台用于冻融循环环境隧道模拟试验方法，该模拟试验方法如下：
21.启动制冷装置，并保持设定时长，使模型箱的边界处处于低温环境，低温热量依次传递至岩土体相似的材料和隧道结构模型；然后关闭制冷装置，启动加热装置，并保持规定时长，使模型箱的边界处处于高温环境，且热量依次传递至岩土体相似材料和隧道结构模型；依次交替启动制冷装置和加热装置，使岩土体相似材料和隧道结构模型处在冻融循环过程；由控制器得出冻融循环过程的监测数据，监测数据用于判断温度
‑
冻胀力之间的关系，用于得出隧道结构模型中隧道衬砌位移和内力变化；且在隧道结构模型为多段时，由监测数据得出在冻融循环过程中隧道衬砌位移和内力变化最小的一段，以作为待验证隧道选择结构设置的依据。
22.本发明的有益效果是：1.试验平台尺寸足够大，可考虑模拟诸如偏压隧道等复杂地形，岩土体内可根据需要布设软弱地层、节理、裂隙、断层、空洞等不利地质因素，即考虑了隧道荷载作用。2.可根据隧道现场实际工况进行防冻保温隔热模拟。3.在考虑了隧道荷载作用的前提下，通过调节温度模拟冻融循环，温度通过岩土体相似材料(介质)传导至隧
道结构内，更贴近隧道现场工况，试验结果更真实可靠。4.通过在土体中埋设冻胀力测量装置研究温度
‑
冻胀力之间的关系；在隧道结构模型埋设隧道衬砌性态测量装置，研究隧道结构受力变形情况。通过这些测量结果分析寻找隧道保温板较好的布设方案，可为工程现场提供技术指导和参考。
附图说明
23.图1是冻融循环环境隧道模拟试验平台横断面示意图；
24.图2是冻融循环环境隧道模拟试验平台隧道洞口横断面示意图；
25.图3是冻融循环环境隧道模拟试验平台纵断面示意图；
26.其中：1.隧道结构模型；2.模型箱；2
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1.横向立板；2
‑
2.纵向立板；3.岩土体相似材料；4.管道。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.本发明一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台，在隧道领域，寒区并没有特别明确的定义和划分，最冷月平均气温在
‑
5℃以下的区域，均可称为寒区。如图1、2和3所示，包括：隧道结构模型1，施做于实验室地面，其以待验证隧道为基准，按照比例缩放，缩放后的长度与待验证段相同，其纵向的前后两端为隧道洞口，且两个隧道洞口均与外界相连通，隧道洞内用于人员通行。位移测量装置和内力量测装置均与设置于隧道洞内的控制装置相连接。模型箱2，竖直设置于隧道结构模型1上部，且其左右两端的宽度宽于隧道结构模型1的宽度；其包括横向立板2
‑
1、纵向立板2
‑
2和岩土体相似材料3。待验证隧道缩放的比例，是根据其原有的尺寸设定的，待验证隧道和隧道结构模型1的比例，应考虑待验证隧道的高度和宽度，且在缩放后，隧道内方便人员行进为准。普遍采用的比例为1：3
‑
5，如埋深18m的待验证隧道，可以以1：3的相似比缩放，施做埋深h约为6m的隧道结构模型1，施做的6m的试验平台，尺寸足够大，无论是人员还是小机械，均可在隧道洞内施工。
29.上述横向立板2
‑
1为两个，位于两端的两个隧道洞口处，且位于初期支护外侧，各底部环绕于初期支护；两个横向立板2
‑
1相平行，其左右长度均大于隧道结构模型1的宽度。
30.上述纵向立板2
‑
2为两个，均为竖直向设置的板体，位于两个横向立板2
‑
1间，且位于横向立板2
‑
1的左右端部，其相平行，各纵向立板2
‑
2的端部与横向立板2
‑
1的端部相贴合连接，纵向立板2
‑
2与横向立板2
‑
1及隧道结构模型1间形成上端敞口的模型箱2，在模型箱2的顶部还设置有预制盖板；
31.岩土体相似材料3，填满于模型箱2内，其与待验证隧道地层的岩土体相似。在岩土体相似材料3中埋设有冻胀力测量装置，用于测试土体冻胀过程中冻胀力的大小和温度，冻胀力测量装置与控制器相连接，控制器设置于模型箱2外。岩土体内可根据需要布设软弱地层、节理、裂隙、断层、空洞等不利地质因素，可以研究诸如偏压隧道等复杂地形。
32.在各横向立板2
‑
1的左右端及上端沿竖向及横向走向间隔开设有多个纵向通孔，两个横向立板2
‑
1上的通孔的位置相对称，对称的两个通孔内均纵向贯通设置有用于加热或冷却的管道，位于一横向立板2
‑
1端的各管道的端部封闭，位于另一横向立板2
‑
1端的各管道的端部为敞口状，且敞口的一端与制冷装置或加热装置相连接。各横向立板2
‑
1的外侧
壁与其所在端的隧道洞口的外侧壁相平齐。
33.本发明中的一种冻融循环环境寒区隧道模拟试验平台，可同时模拟多种结构的隧道在相同冻融循环过程中的状态。采用如下方式：隧道结构模型1在纵向上为一段或者相连接的多段，当为多段时，多段的结构不同。隧道结构模型1结构采用如下常用的三种：
34.其中一种结构为：包括施做于实验室地面的初期支护，由初期支护的内侧向内依次铺设有防水板、二次衬砌和保温板。另一种结构为：包括施做于实验室地面的初期支护，由初期支护的内侧向内依次铺设有防水板、保温板和二次衬砌。再一种结构为：包括施做于实验室地面的初期支护，由初期支护的内侧向内依次铺设有第一层防水板、保温板、第二层防水板和二次衬砌。保温层采用50mmpu聚氨酯硬质泡沫塑料保温板。
35.本发明还公开了上述的一种冻融循环环境隧道模拟试验平台的施工方法，该施工方法包括如下步骤：
36.步骤一、以待验证隧道为基准，按照比例缩放，在实验室地面施做隧道结构模型1，隧道结构模型1的纵向的前后两端为隧道洞口，且两个隧道洞口均与外界相连通；
37.步骤二、在隧道结构模型1的上方，且环绕于初期支护外侧一周施做竖直向的模型箱2，具体如下：
38.步骤2.1、在两端的两个隧道洞口处，且位于隧道结构模型1的上方环向一周立模浇筑混凝土，在各洞口端形成竖直向上的横向立板2
‑
1，且横向立板2
‑
1的左右两端均越过隧道结构模型1的左右侧边；在各横向立板2
‑
1的左右端及上端沿竖向及横向走向间隔开设有多个纵向通孔；两个横向立板2
‑
1上的通孔的位置相对称，相对应位置的两个通孔与隧道结构模型1外侧上方的空间相连通；
39.步骤2.2、在隧道结构模型1的左右侧，且位于前后洞口的两个立板间的左右端，各立模浇筑混凝土，形成两个竖直向上的纵向立板2
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2，纵向立板2
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2、横向立板2
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1及隧道结构模型1间形成上端敞口的模型箱2；
40.步骤2.3、在各纵向通孔内插入用于加热或冷却的管道4，位于隧道结构模型1的同一端的管道4的端部，一端封闭，一端敞口，将敞口的一端与制冷装置或加热装置相连接；
41.步骤2.4、在模型箱2内填满与待待验证隧道上方岩土体相似材料3，且在材料中埋设冻胀力测量装置，冻胀力测量装置与控制器相连接，控制器设置于模型箱2外；
42.步骤2.5、在模型箱2的上部敞口端施做预制盖板，封闭模型箱2。
43.本发明还公开了上述一种冻融循环环境隧道模拟试验平台用于冻融循环环境隧道模拟试验方法，其特征在于，该模拟试验方法如下：
44.启动制冷装置，并保持设定时长，使模型箱2的边界处处于低温环境，低温热量依次传递至岩土体相似的材料3和隧道结构模型1；然后关闭制冷装置，启动加热装置，并保持规定时长，使模型箱2的边界处处于高温环境，且热量依次传递至岩土体相似材料3和隧道结构模型1；依次交替启动制冷装置和加热装置，使岩土体相似材料3和隧道结构模型1处在冻融循环过程；由控制器得出冻融循环过程的监测数据，监测数据用于判断温度
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冻胀力之间的关系，用于得出隧道结构模型1中隧道衬砌位移和内力变化。且在隧道结构模型1为多段时，由所述监测数据得出在冻融循环过程中隧道衬砌位移和内力变化最小的一段，以作为待验证隧道选择结构设置的依据。