一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及隧道運營環(huán)境安全技術領域，特別是涉及一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置。用于研究寒區(qū)隧道的圍巖溫度場發(fā)展規(guī)律及不同通風方式對寒區(qū)隧道溫度場的影響規(guī)律，可實現(xiàn)對圍巖及隧道內溫度場的測量。
【背景技術】
[0002]近年來，伴隨我國國民經濟的快速發(fā)展，鐵路、公路建設也處于高速發(fā)展期。隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，特別是中西部大開發(fā)和振興東北經濟政策的進一步落實，在中西部的高海拔和北部的高瑋度寒冷地區(qū)將陸續(xù)有大量的隧道建成，與以往寒冷地區(qū)的隧道相比，這些隧道的規(guī)模會更大、技術要求更高，而氣候條件卻更加惡劣。
[0003]根據國內外研究報導，常見的高寒地區(qū)對隧道工程的不利影響有:凍害，主要表現(xiàn)為洞頂吊冰柱、邊墻掛冰和水溝凍死等，影響行車安全;冰凍引發(fā)各種凍脹，反復冰融變化造成襯砌混凝土表面風化嚴重，拱頂開裂，對隧道襯砌結構的長期穩(wěn)定構成潛在威脅。例如，迄今為止，在我國東北和西北修建的多個隧道中，由于凍害的原因，有很多隧道將近半年的時間不能使用，有些完全報廢。日本道路工團和日本鐵道綜合技術研究所最近的統(tǒng)計表明，日本全國3800座鐵路隧道中有1100座因凍害原因，在冬季運營期間危及到行車安全；公路隧道中，僅北海道地區(qū)的302座大型公路隧道中發(fā)生嚴重凍害的就達104座，為消除側墻壁冰和拱部冰柱，作為整治措施之一，在較多隧道設置了電加熱裝置，投入的整治費用十分驚人。因此，隧道抗防凍問題已成為國內外面臨的重大技術難題。
[0004]對于高寒隧道的抗防凍問題，國內外已進行大量研究和實驗。其研究主要集中在凍脹的分類及產生機理、凍脹力對襯砌結構的影響及凍脹防治措施等方面。但迄今為止，并沒有有效解決寒區(qū)隧道凍害問題，長期防凍效果不佳的現(xiàn)象尤其突出。因此研究寒冷圍巖溫度場發(fā)展規(guī)律以及通風對寒區(qū)隧道溫度場的影響規(guī)律對控制寒區(qū)隧道的凍害具有重要指導意義。
[0005]在寒區(qū)隧道研究方面，由于工程實例較少，研究成果不多，并且集中在對寒區(qū)隧道凍脹的研究，如賴遠明(1999)等研究寒區(qū)隧道凍脹力并求出粘彈性解析解，楊更社(2002)等在一定的假設的基礎上分別給出了彈性理論和粘彈性理論圍巖凍脹力解析計算方法，王建宇、胡元芳(2004)研究了隧道襯砌凍脹壓力問題，Lu X(2006)，Prashantk(2009)等人利用疊加原理和分離變量法獲得了考慮溫度隨坐標變化的對流邊界條件下圓形斷面瞬態(tài)溫度場的解析解?；谛〕叽缒Ｐ驮囼灲洕仔?，國內外已有一些研究人員開展了不同形式的寒區(qū)隧道模型試驗。例如，渠孟飛(2015)等建立室內模型對寒區(qū)隧道襯砌凍脹力進行研究，仇文革、孫兵(2010)對寒區(qū)破碎巖體隧道凍脹力進行室內對比試驗。
[0006]通過對一些資料調研可知，對于寒區(qū)隧道溫度場的研究方法包括現(xiàn)場監(jiān)測、理論研究和模型試驗三種，目前的研究主要集中在現(xiàn)場監(jiān)測和理論研究兩方面，而模型試驗這一方面的研究尚為不足?！緦嵱眯滦蛢热荨?br>[0007]針對上述現(xiàn)有技術中對于寒區(qū)隧道溫度場的研究方法包括現(xiàn)場監(jiān)測、理論研究和模型試驗三種，目前的研究主要集中在現(xiàn)場監(jiān)測和理論研究兩方面，而模型試驗這一方面的研究尚為不足的問題，本實用新型提供了一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置。
[0008]為解決上述問題，本實用新型提供的一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置通過以下技術要點來解決問題:一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置，包括隧道模擬構件，所述隧道模擬構件包括擋土圍墻、填充于擋土圍墻中的人工填土及設置于人工填土里的隧道，還包括制冷系統(tǒng)，所述制冷系統(tǒng)用于對空氣進行冷卻，被冷卻的空氣由管道和/或風機由隧道的任意一端注入隧道；
[0009]還包括第一測溫儀及第二測溫儀，所述第一測溫儀的測溫點位于隧道內，所述第二測溫儀的測溫點位于人工填土中。
[0010]具體的，以上隧道模擬構件為模擬真實隧道形狀和結構制成的縮小模型，為便于在隧道模擬構件上開設隧道，隧道模擬構件里的隧道可設置為單洞隧道。所述人工填土用于模擬真實隧道的圍巖，擋土圍墻可用于模擬真實隧道圍巖表面的土質或作為填充人工填土的型腔。這樣，由制冷系統(tǒng)輸出的冷卻空氣用于模擬真實環(huán)境中的低溫空氣，通過設置于隧道中的第一測溫儀和人工填土中的第二測溫儀，可在向隧道中通入冷卻空氣的過程中，實時記錄各測量點的溫度值，即本裝置提供了一種專門針對研究寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱機理的實驗平臺，可以研究不同入口寒冷風速對隧道溫度場的影響，可為相似情形下寒區(qū)隧道的溫度場研究提供實驗平臺支持。
[0011]為減小本試驗裝置的制作難度和制作成本，制冷系統(tǒng)采用現(xiàn)有功率較大的冰柜，制冷系統(tǒng)中還包括風機，所述風機氣體吸入端與冰柜的制冷室相連，冰柜的壓縮機電機采用變頻器控制轉速，同時風機的電源上也串聯(lián)有變頻器，以方便的模擬不同風速、風溫下的隧道溫度場。
[0012]人工填土的材料采用自然界的土石料。
[0013]更進一步的技術方案為:
[0014]由于真實環(huán)境下的隧道所在位置，應當視作進入隧道的空氣溫度與隧道圍巖外側的空氣溫度值相等，為減小或避免隧道模擬構件外側與實驗所在環(huán)境之間的傳熱，還包括設置于擋土圍墻內側和/或外側的隔熱板，所述隔熱板用于實現(xiàn)隧道模擬構件與外界隔熱。作為與本方案等同的另一種技術方案，可在隧道模擬構件的外側設置一個夾套，所述夾套與隧道模擬構件之間具有用于通過冷卻空氣的間隙，并向所述間隙中注入與隧道內風速方向一致的冷卻空氣，此冷卻空氣同樣由制冷系統(tǒng)引出。進一步的，在間隙的冷卻空氣引入端設置導流板，以使得冷卻空氣在流經間隙時，各點的速度分布較為均勻，以較為真實的反應自然環(huán)境下真實隧道圍巖外側的空氣流流向。
[0015]為使得本試驗裝置獲得的溫度場數據更為具體，所述第二測溫儀至少有兩個，且各個第二測溫儀與隧道的間距不等。
[0016]由于由制冷系統(tǒng)注入隧道的冷卻空氣初始溫度受制冷系統(tǒng)控制，在冷卻空氣在隧道內的流動過程中，由于其不斷吸熱，其溫度值會逐漸的升高，這樣，冷卻空氣與隧道隧道壁的溫度梯度則相應降低，故伴隨隧道的深度變化，隧道內各點及該深度下，距隧道不同距離的人工填土的溫度值均是不等的，為使得本試驗裝置反應的隧道溫度場數據更為具體，所述第一測溫儀至少有兩個，還包括測溫儀組，所述測溫儀組至少有兩組，每組測溫儀組均包括至少兩個第二測溫儀，且測溫儀組的組數與第一測溫儀的個數相等，各個第一測溫儀分布于隧道的不同深度位置，隧道內每個第一測溫儀所在位置的人工填土中均設置有一組測溫儀組，且各組測溫儀組中，各個第二測溫儀與隧道的間距不等。
[0017]為便于通過設置較少的測溫點，近似繪制出整個隧道模擬構件各點的溫度場，相鄰的第一測溫儀間距相等，每組測溫儀組中，各個第二測溫儀分別與隧道的間距可構成等差數列。本技術方案技術效果的實現(xiàn)，基于隨著隧道深度的增加，隧道內各點的溫度線性變化，在隧道同一深度的人工填土中，各點的溫度也是隨著距離的變化而產生線性變化。
[0018]為使得本試驗裝置可實現(xiàn)測溫點數據自動記錄和輸出隧道模擬構件的隧道溫度場，所述第一測溫儀及第二測溫儀均為溫度傳感器，還包括數據采集器，所述第一測溫儀及第二測溫儀的溫度數據輸出端均與數據采集器的數據輸入端相連，所述數據采集器用于記錄隧道模擬構件中通入冷卻空氣后，各測溫點隨時間的溫度值變化。
[0019]為便于高精度的制造出所需要的隧道形狀，所述隧道的隧道壁采用石膏砌筑而成。
[0020]本實用新型具有以下有益效果:
[0021]本裝置提供了一種專門針對研究寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱機理的實驗平臺，可以研究不同入口寒冷風速對隧道溫度場的影響，可為相似情形下寒區(qū)隧道的溫度場研究提供實驗平臺支持。。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型所述的一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置一個具體實施例的結構透視圖；
[0023]圖2為本實用新型所述的一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置一個具體實施例中，截面垂直于隧道中心線的結構剖視圖；
[0024]圖3為本實用新型所述的一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置一個具體實施例中，截面平行于隧道中心線的結構剖視圖。
[0025]圖中標記分別為:1、隧道，2、制冷系統(tǒng)，3、隔熱板，4、人工填土，5、擋土圍墻，6、風機，7、第一測溫儀，8、第二測溫儀，9、數據采集器。
【具體實施方式】
[0026]本實用新型提供了一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置，用于研究寒區(qū)隧道的圍巖溫度場發(fā)展規(guī)律及不同通風方式對寒區(qū)隧道溫度場的影響規(guī)律，可實現(xiàn)對圍巖及隧道內溫度場的測量。
[0027]下面結合實施例對本實用新型作進一步的詳細說明，但是本實用新型不僅限于以下實施例:
[0028]實施例1:
[0029]如圖1至圖3所示，一種寒區(qū)隧道圍巖與風流傳熱的試驗裝置，包括隧道模擬構件，所述隧道模擬構件包括擋土圍墻5、填充于擋土圍墻5中的人工填土 4及設置于人工填土 4里的隧道I，還包括制冷系統(tǒng)2，所述制冷系統(tǒng)2用于對空氣進行冷卻，被冷卻的空氣由管道和/或風機6由隧道I的任意一端注入隧道I;
[0030]還包括第一測溫儀7及第二測溫儀8，所述第一測溫儀7的測溫點位于隧道I內，所述第二測溫儀8的測溫點位于人工填土4中。
[0031]具體的，以上隧道模擬構件為模擬真實隧道I形狀和結構制成的縮小模型，為便于在隧道模擬構件上開設隧道I，隧道模擬構件里的隧道I可設置為單洞隧道I。所述人工填土4用于模擬真實隧道I的圍巖，擋土圍墻5可用于模擬真實隧道I圍巖表面