本發(fā)明屬于隧道工程技術領域，具體而言，本發(fā)明涉及一種隧道管幕凍結法施工物理模型實驗裝置及實驗方法。

背景技術：

管幕凍結法是采用頂管形成的管幕作為承載結構體，人工凍結形成的凍土作為止水帷幕，充分地結合了管幕法與人工地層凍結法的優(yōu)點的一種新的隧道施工工法。該工法是一種適合于飽和富水軟土地層的淺埋超大斷面隧道新型施工方法。目前缺少對該工法全面系統(tǒng)的研究，這對該工法進一步的推廣利用是十分不利的。相似模型實驗是一種形象直觀的研究方法，已經(jīng)在地下工程結構研究中的到了廣泛的運用。如何對管幕凍結法進行相似模型實驗成為當務之急。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種隧道管幕凍結法施工物理模型實驗裝置及實驗方法，以至少解決現(xiàn)有技術中存在的無法對管幕凍結法進行相似模型實驗的技術問題。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種隧道管幕凍結法施工物理模型實驗裝置及實驗方法，其技術方案如下：

一種隧道管幕凍結法施工物理模型實驗裝置，包括：實驗平臺、加載系統(tǒng)、土體、鋼管支架、模擬頂管、凍結系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述實驗平臺用于提供安裝空間；所述加載系統(tǒng)包括：箱體，安裝在所述實驗平臺上；反力架，位于所述箱體上方并固定安裝在所述實驗平臺上；液壓缸，置于所述反力架和所述箱體之間；所述土體置于所述箱體內(nèi)；所述鋼管支架置于所述所述土體內(nèi)，用于支撐定位多個所述模擬頂管；多個所述模擬頂管活動安裝在所述鋼管支架上以形成管幕并置于所述土體內(nèi)；所述凍結系統(tǒng)用于對所述管幕進行凍結以形成凍結壁；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集所述管幕的溫度信息、位移信息和壓力信息。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述箱體的正面按照管幕分布外輪廓線形成有第一孔洞，所述箱體的背面按照開挖面輪廓線形成有第二孔洞；所述加載系統(tǒng)還包括：前加勁肋、后加勁肋、前蓋板和后蓋板，所述前加勁肋連接在所述箱體的正面外側，所述前蓋板與開挖面形狀相同，并與所述前加勁肋連接且置于所述第二孔洞中，所述后加勁肋連接在所述箱體的后面外側，所述后蓋板與所述開挖面形狀相同，并與所述后加勁肋連接，且封堵于所述第一孔洞。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述頂管支架包括：兩塊豎板、角鋼、連接件；所述豎板上按照管幕分布輪廓線形成有與多個所述模擬頂管一一對應的圓孔，在所述豎板的底端側面連接有所述角鋼，兩塊所述豎板間隔設置且經(jīng)與角鋼連接的所述連接件連接。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的溫度監(jiān)測子系統(tǒng)用于采集所述管幕的溫度信息，所述溫度監(jiān)測子系統(tǒng)包括：多個熱電偶串、數(shù)據(jù)采集儀和第一電腦；在所述熱電偶串上分布有3個溫度測點，每間隔兩根所述模擬頂管設置一個所述熱電偶串，所述熱電偶串設置在相鄰兩根所述模擬頂管的中間位置，多個所述熱電偶串布置在一個溫度測試平面上；所述數(shù)據(jù)采集儀與所述熱電偶串連接；所述第一電腦與所述數(shù)據(jù)采集儀連接，用于分析處理所述溫度信息。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的位移監(jiān)測子系統(tǒng)用于采集所述管幕的位移信息，所述位移監(jiān)測子系統(tǒng)包括：3個應變儀、3根位移測桿、第二電腦；在每個所述位移測桿上布置一個所述應變儀，3根所述位移測桿分為中間位移測桿、左位移測桿和右位移測桿，所述中間位移測桿埋設在所述凍結壁的正上方以監(jiān)測隧道頂部的土地位移情況，所述左位移測桿和右位移測桿分別埋設在所述中間位移測桿的兩側以監(jiān)測隧道拱腰位置的土地位移情況；所述第二電腦與所述應變儀連接，用于分析處理所述位移信息。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的壓力監(jiān)測子系統(tǒng)用于采集所述管幕的壓力信息，所述壓力監(jiān)測子系統(tǒng)包括：5個壓力盒、壓力采集儀和第三電腦；5個壓力盒分為：中間壓力盒、第一左壓力盒、第二左壓力盒、第一右壓力盒和第二右壓力盒，所述中間壓力盒埋設在所述管幕的正上方并貼于所述凍結壁的外緣，所述第一左壓力盒和第一右壓力盒以對稱方式分別埋設在所述中間壓力盒的左右兩側并貼于所述凍結壁的外緣，所述第二左壓力盒和所述第二右壓力盒以對稱方式埋設在所述中間壓力盒的左右兩側并貼于所述凍結壁的外緣，所述第二左壓力盒與所述第二右壓力盒之間的距離大于所述第一左壓力盒與第一右壓力盒之間的距離；所述壓力采集儀與所述壓力盒連接；所述第三電腦與所述壓力采集儀連接，用于分析處理所述壓力信息。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述加載系統(tǒng)還包括：高壓螺桿；所述反力架呈十字形；所述高壓螺桿的一端固定在所述實驗平臺上，另一端通過螺帽與所述反力架的端部的上表面接觸。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述加載系統(tǒng)還包括：承壓桿，所述承壓板呈水平設置且上表面與所述反力架的下表面接觸，所述承壓板的下表面與所述液壓缸的活塞桿接觸。

在如上所述的裝置中，優(yōu)選地，所述冷凍系統(tǒng)包括：凍結機組、分流器和凍結管；所述凍結機組包括：主力凍結機組、加強凍結機組和限位凍結機組，所述主力凍結機組內(nèi)循環(huán)的制冷劑溫度、加強凍結機組內(nèi)循環(huán)的制冷劑溫度和限位凍結機組內(nèi)循環(huán)的制冷劑溫度不同；所述凍結管包括：模擬主力凍結管、模擬加強凍結管和模擬限位管，所述模擬主力凍結管呈u形并置于所述模擬頂管中且所述模擬主力凍結管外壁與所述模擬頂管內(nèi)壁接觸，所述模擬加強凍結管呈u形并置于所述模擬頂管中且所述模擬加強凍結管外壁與所述模擬頂管內(nèi)壁接觸，所述模擬限位管為套管并置于所述模擬頂管中；所述分流器包括：主力循環(huán)去路分流器、主力循環(huán)回路分流器、加強循環(huán)去路分流器、加強循環(huán)回路分流器、限位循環(huán)去路分流器和限位循環(huán)回路分流器；制冷劑依次流經(jīng)所述主力凍結機組、主力循環(huán)去路分流器、模擬主力凍結管和主力循環(huán)回路分流器并循環(huán)以構成主力凍結循環(huán)；制冷劑依次流經(jīng)所述加強凍結機組、加強循環(huán)去路分流器、模擬加強凍結管和加強循環(huán)回路分流器并循環(huán)以構成加強凍結循環(huán)；制冷劑依次流經(jīng)所述限位凍結機組、限位循環(huán)去路分流器、模擬限位凍結管和限位循環(huán)回路分流器并循環(huán)以構成限位凍結循環(huán)。

實驗方法包括：

(1)確定幾何相似準則，預制模擬頂管、模擬主力凍結管、模擬加強凍結管、模擬限位管、第一類頂管、第二類頂管、第三類頂管、第四類頂管和第五類頂管，所述第一類頂管經(jīng)將一根所述模擬主力凍結管和一根所述模擬限位管放置在所述模擬頂管中，并澆筑混凝土后制成，所述第二類頂管經(jīng)將一根所述模擬加強凍結管放置在所述模擬頂管中后制成，所述第三類頂管經(jīng)將一根所述模擬主力凍結管和一根所述模擬限位管放置在所述模擬頂管中后制成，所述第四類頂管經(jīng)將一根所述模擬加強凍結管放置在所述模擬頂管中，并澆筑混凝土后制成，所述第五類頂管為模擬頂管；(2)確定頂管組合，所述頂管組合至少包括第一組合、第二組合、第三組合、第四組合和第五組合中的兩個；所述第一組合為所述第一類頂管與所述第二類頂管各一根交錯分布并形成管幕，所述第二組合為所述第一類頂管與所述第四類頂管各一根交錯分布并形成所述管幕，所述第三組合為所述第二類頂管與所述第三類頂管各一根交錯分布并形成所述管幕，所述第四組合為所述第一類頂管與所述第五類頂管各一根交錯分布并形成所述管幕，所述第五組合為所述第一類頂管與所述第五類頂管各一根交錯分布并形成所述管幕，并在每兩根所述模擬頂管中間土體部分設置一根所述模擬加強凍結管；(3)實驗設備組裝；將頂部開口的箱體放置到實驗平臺上，將頂管支架放置到所述箱體中的預定位置，按照現(xiàn)場的土層分布情況進行填土，并通過所述箱體正面形成的裂縫按照頂管組合中的一個組合將所述模擬頂管推進所述頂管支架的指定位置，在填土過程中不斷振搗以保證土層密實，同時在預定位置埋設用于采集所述管幕溫度信息的熱電偶串、用于采集所述管幕位移信息的位移測桿和用于采集所述管幕壓力信息的壓力盒；填土完成之后通過箱體蓋板將開口蓋上，引出數(shù)據(jù)測線，并在箱體蓋板上設置加載系統(tǒng)；在所述箱體表面覆蓋一層塑料泡沫；(4)實驗設備調試；啟動所述加載系統(tǒng)，逐漸加壓至應力計算值，并穩(wěn)定預設時間；(5)凍結模擬；調節(jié)控制主力凍結機組、加強凍結機組和限位凍結機組使凍結壁厚度達到設計值，在整個凍結過程中，每間隔第一預設采集時間進行一次數(shù)據(jù)采集；(6)開挖；移除所述塑料泡沫，并切斷所述箱體正面以及背面處的加勁肋，移除蓋板；從所述箱體的兩側同時按預設開挖速度進行開挖；在開挖過程中，每間隔第二預設采集時間進行一次數(shù)據(jù)采集；(7)對所述凍結壁進行解凍，拆卸實驗設備；(8)依次選取所述頂管組合中的剩余每個組合，重復步驟(3)、(4)、(5)、(6)、(7)；(8)實驗數(shù)據(jù)處理；對比所述頂管組合中每個組合的溫度信息、位移信息和壓力信息，獲得不同組合的凍脹數(shù)據(jù)、平均溫度數(shù)據(jù)、達到設計溫度用時數(shù)據(jù)。

本發(fā)明提供的技術方案帶來的有益效果如下：

可以對管幕凍結法進行現(xiàn)場模擬。對管幕凍結法進行全面系統(tǒng)的研究，為管幕凍結法的進一步推廣使用提供參考依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的隧道管幕凍結法施工物理模型實驗裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例的箱體正面圖；

圖3為本發(fā)明優(yōu)選實施例的箱體背面圖；

圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例的箱體蓋板圖；

圖5為本發(fā)明優(yōu)選實施例的鋼管支架示意圖；

圖6為本發(fā)明優(yōu)選實施例的分流器結構示意圖；

圖7為本發(fā)明優(yōu)選實施例的分流器截面的放大示意圖；

圖8為本發(fā)明優(yōu)選實施例的第一類頂管示意圖；

圖9為本發(fā)明優(yōu)選實施例的第二類頂管示意圖；

圖10為本發(fā)明優(yōu)選實施例的第三類頂管示意圖；

圖11為本發(fā)明優(yōu)選實施例的第四類頂管示意圖；

圖12為本發(fā)明優(yōu)選實施例的溫度測點分布示意圖；

圖13為本發(fā)明優(yōu)選實施例的壓力盒分布示意圖；

圖14為本發(fā)明優(yōu)選實施例的位移測桿分布示意圖；

圖15為本發(fā)明優(yōu)選實施例的襯砌模型結構示意圖；

圖16為本發(fā)明優(yōu)選實施例的襯砌模型結構側面示意圖。

圖中：11-箱體；111-第一孔洞；112-蓋板；113-掛環(huán)；114-刻度線；115-加勁肋；116-第二孔洞；12-高強螺桿；13-反力架；14-承壓板；15-液壓缸；16-液壓控制裝置；17-箱體蓋板；171-掛環(huán)；172-通孔；173-引線孔；21-溫度監(jiān)測子系統(tǒng)；211-數(shù)據(jù)采集儀；212-熱電偶串；213-第一電腦；22-壓力監(jiān)測子系統(tǒng)；221-壓力采集儀；222-壓力盒；223-第二電腦；23-位移監(jiān)測子系統(tǒng)；231-應變儀；232-位移測桿；233-第三電腦；31-凍結機組；32-分流器；321-干管接口；322-凍結管接口；41-土體；42-模擬頂管；43-模擬主力凍結管；44-模擬限位管；45-c30混凝土；46-模擬加強凍結管；47-頂管支架；471-豎板；472-角鋼；473-鋼筋；474-螺栓；48-襯砌相似模型；481-螺栓孔；51-桁車；6-實驗平臺。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細說明。

如圖1至圖16所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例的隧道管幕凍結法施工物理模型實驗裝置主要包括實驗平臺6、加載系統(tǒng)、土體41、鋼管支架47、模擬頂管42、凍結系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中實驗平臺6，用于提供安裝空間。加載系統(tǒng)包括箱體11，安裝在實驗平臺6上；反力架13，位于箱體11的上方并固定安裝在實驗平臺6上；液壓缸15，置于反力架13和箱體11之間，實際中通過油壓加載裝置16控制供油。土體41，置于箱體11內(nèi)。鋼管支架47，置于土體41內(nèi)。多個模擬頂管42，活動安裝在鋼管支架47上以形成管幕并置于土體41內(nèi)。凍結系統(tǒng)，用于對管幕進行凍結以形成凍結壁；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集管幕的溫度信息、位移信息和壓力信息。

總而言之，本發(fā)明提供的隧道管幕凍結法施工物理模型實驗裝置可以對管幕凍結法進行現(xiàn)場模擬。對管幕凍結法進行全面系統(tǒng)的研究，為管幕凍結法的進一步推廣使用提供參考依據(jù)。

如圖1至圖4所示，箱體11包括箱體本體，箱體本體為長方體結構，在箱體本體的頂部開口；和箱體蓋板17，可上下移動蓋在箱體本體上，以使液壓缸15能夠通過箱體蓋板17對位于箱體本體內(nèi)的土體41施加壓力。優(yōu)選地，在箱體本體四周自下而上分布有四個加勁肋115。優(yōu)選地，在箱體本體的四個拐角處各分布一個掛環(huán)113，在起重時，可以用鋼絞絲穿過掛環(huán)113，便于桁車51進行起吊作業(yè)。優(yōu)選地，在箱體本體的棱上分布有刻度線，便于填土作業(yè)時，控制填土量。進一步優(yōu)選地，在箱體本體的四條棱上都分布有一條刻度線，這樣可以更好地控制所填土層厚度。本發(fā)明箱體本體正面分布有一個按照管幕分布輪廓線切割的第一孔洞(或稱大孔洞)111，并有一塊與開挖面形狀相同的蓋板112與箱體本體表面的加勁肋115焊接在一起，箱體本體的背面分布有一個與開挖面輪廓線相同的第二孔洞(或稱小孔洞)116，并且一塊與開挖面形狀相同的蓋板112與箱體本體表面的加勁肋115焊接在一起，這樣的設置便于模擬頂管42以及凍結管的安裝，并且可以保證后期開挖土體進行箱體本體切割時，造成的溫度擾動較小。

如圖1至圖4所示，加載系統(tǒng)還包括高壓螺桿12，高壓螺桿12的一端固定在實驗平臺6上，另一端通過螺帽與反力架13的上表面緊密接觸。優(yōu)選地，高壓螺桿12有八根，反力架13為“十”字形結構；在反力架13的每個端部各分布有兩根高壓螺桿12，這樣的分布可以保證結構整體具有較好的穩(wěn)定性。

如圖1至圖4所示，加載系統(tǒng)還包括承壓板14，承壓板14位于反力架13和液壓缸15之間。在本發(fā)明中，承壓板14可以為長方形，優(yōu)選地，承壓板14的材料選用q235鋼材，因為該材料具有較好抗壓性。優(yōu)選地，承壓板14的上表面與反力架13的下表面緊密接觸，并且保證承壓板14的擺放位置處在水平面上。優(yōu)選地，液壓缸15的上表面與承壓板14下表面緊密接觸；本發(fā)明的液壓缸15為兩個，液壓缸15加載力計算方法如下：

加載計算：

到拱腰位置的土層厚度為8m，g＝10n/kg，土層的平均密度ρ'＝1.93g/cm³；

上覆土層的自重應力為：1.93×10×8/1000＝0.1544mpa；

模型上覆土層的自重應力為：1.93×10×0.4/1000＝0.00772mpa；

需加自重應力為：0.1544-0.00772＝0.1467mpa；

模型需加的總荷載為：0.1467×2.5×10³＝366.75kn；

每個千斤頂?shù)闹亓繛?.3kn，鋼板重量擬取5kn，得每個油頂需加載的頂力為：(366.75-4.6-5)/2＝178.575kn。

如圖1至圖4所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度監(jiān)測子系統(tǒng)21、位移監(jiān)測子系統(tǒng)22和壓力監(jiān)測子系統(tǒng)23。溫度監(jiān)測子系統(tǒng)21包括數(shù)據(jù)采集儀211，多個熱電偶串212、第一電腦213。數(shù)據(jù)采集儀211與熱電偶串212連接，第一電腦213與數(shù)據(jù)采集儀211連接，用于分析處理溫度信息。本發(fā)明選用tds630數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集，熱電偶串212由康銅絲以及銅線制作而成。每個熱電偶串212上面分布有三個溫度測點，相鄰溫度測點之間的間距優(yōu)選為39mm，每間隔兩根模擬頂管42設置一個熱電偶串212，這樣的測點分布既可以實現(xiàn)對預設厚度范圍內(nèi)的凍結壁全面的監(jiān)測，又不至于使測線過多而不便于埋設。所有熱電偶串212都布置在一個溫度測試平面上，優(yōu)選地，該溫度測試平面位于整個隧道的正中間，這樣的位置選擇可以最大限度的減小外界溫度對于測試溫度造成的干擾。優(yōu)選地，參見圖12，三個溫度測點依次位于管幕分布內(nèi)輪廓線、管幕分布中心輪廓線和管幕分布外輪廓線上。

位移監(jiān)測子系統(tǒng)23包括應變儀231、位移測桿232以及第二電腦233。參見圖14，本發(fā)明的每根位移測桿232上布置一個應變儀231，應變儀231頂在位移測桿232上，本發(fā)明的位移測桿232共三根，分為：中間位移測桿、左位移測桿和右位移測桿，其中中間位移測桿埋設在預設管幕模型隧道凍結壁的正上方35mm處，左、右位移測桿分別埋設在距離中間位移測桿左右兩側的200mm位置，由于隧道整體埋深較淺，而土體凍脹主要發(fā)生在頂部，這樣的埋設方式可以監(jiān)測到隧道頂部以及拱腰位置的土地位移情況。優(yōu)選地，三根位移測桿232位于同一位移監(jiān)測平面內(nèi)，該位移監(jiān)測平面位于整個隧道的正中間。第二電腦233與應變儀231連接，用于分析處理位移信息。

壓力監(jiān)測子系統(tǒng)22包括壓力采集儀221、壓力盒222和第三電腦223，優(yōu)選地，本發(fā)明的壓力盒222共五個，分為中間壓力盒、第一左壓力盒、第二左壓力盒、第一右壓力盒和第二右壓力盒，其中中間壓力盒埋設在管幕模型的正上方，并緊貼該位置預設凍結壁的外緣，第一左、右壓力盒埋設在距離中間壓力盒(或圖13中所示中軸線)200mm的左右兩側，并緊貼該位置預設凍結壁的外緣，第二左、右壓力盒埋設在距離中間壓力盒(或圖13中所示中軸線)415mm的左右兩側，并緊貼該位置預設凍結壁的外緣，這樣的布置方式可以實現(xiàn)對凍結壁五個典型位置的凍結壓力進行監(jiān)測，從而比較全面的反應凍結壓力的分布情況。

如圖1、圖6和圖7所示，凍結系統(tǒng)包括凍結機組31，分流器32以及凍結管；凍結機組31至少可以同時開啟三個溫度各不相同的循環(huán)，其包括：主力凍結機組、加強凍結機組和限位凍結機組，各機組內(nèi)的制冷劑溫度不同。分流器32為兩類，一類為去路分流器，另一類為回路合流器，從而保證酒精均勻地進入到每根凍結管中。分流器32的干管接口321通過耐低溫軟管{如tpe(thermoplasticelastomer，熱塑性彈性體)}與各凍結干管相連，凍結干管與凍結機組相連，分流器32的凍結管結構322通過耐低溫軟管與各凍結管連接，在每個截面上沿著圓周均勻分布四根細管，每個分流器32表面上分布有三十六根細管。具體地，分流器32包括：主力循環(huán)去路分流器、主力循環(huán)回路分流器、加強循環(huán)去路分流器、加強循環(huán)回路分流器、限位循環(huán)去路分流器和限位循環(huán)回路分流器。凍結管分為三類，包括主力凍結管43，限位管44和加強凍結管46?，F(xiàn)場主力凍結管的直徑為133mm，在對應的頂管中分布有兩根，根據(jù)幾何相似準則cl＝27，計算得到主力凍結管43的直徑為5mm，實驗室主力凍結管(或稱模擬主力凍結管)43選用直徑5mm的紫銅管，在使用時，將主力凍結管43彎曲成u形使用以模擬現(xiàn)場兩根主力凍結管的效果，并且保證主力凍結管43的外壁恰好與模擬頂管42的內(nèi)壁相接觸，這樣的設置方式可以實現(xiàn)對現(xiàn)場凍結管布置方式的還原，而且制作工藝簡單?，F(xiàn)場加強凍結管直徑為89mm，在對應的頂管中分布有兩根，根據(jù)幾何相似比cl＝27，得對應的實驗室加強凍結管46的直徑為3.3mm，實驗室加強凍結管(或稱模擬加強凍結管)46選用直徑3.3mm的紫銅管，在使用時，將加強凍結管46彎曲成u形使用以模擬現(xiàn)場兩根加強凍結管的效果，并且保證加強凍結管46的外壁恰好與模擬頂管42的內(nèi)壁相接觸，這樣的設置方式可以實現(xiàn)對現(xiàn)場凍結管布置方式的還原，而且制作工藝簡單。現(xiàn)場限位管直徑為159mm，在對應的頂管中分布有一根，根據(jù)幾何相似比cl＝27，得對應的實驗室限位管(或稱模擬限位管)44的直徑為6mm，為了實現(xiàn)對模型試驗原型最大程度地還原，優(yōu)選地，本發(fā)明的限位管44為套管，如在直徑為6mm的銅管外面套裝一根8.5mm的紫銅管，加工成套管，選用直徑為8.5mm的紫銅管的原因是保證進液管的截面積與回液管的截面積相等。為了便于與分流器32連接，模擬限位管44以及模擬主力凍結管、模擬加強凍結管的長度略大于模擬頂管的長度(如100cm)。

如圖1、圖5所示，具體地，頂管支架47包括豎板471、角鋼472、連接件，如鋼筋473和螺栓474，豎板471通過螺栓474與角鋼472連接在一起，一塊角鋼472的另一端與鋼筋473焊接在一起，鋼筋473的另一端與另一塊角鋼472焊接在一起，在豎板471上鑿出多個圓孔，如此可以使模擬頂管42通過頂管支架47按照一定的順序排列在一起，被土體41埋置在箱體11中，圓孔的數(shù)量與模擬頂管42的數(shù)量相同，圖5中圓孔的數(shù)量為36個。豎板優(yōu)選為薄木板以方便加工。

如圖15和圖16所示，裝置還包括襯砌相似模型48，襯砌相似模型48在隧道開挖后期作為支撐結構放置在模擬頂管42包圍的開挖空間中。進行襯砌相似模型48的組裝，并在襯砌相似模型48的拱腰位置貼設兩片應變片該應變片用來監(jiān)測隧道襯砌的變形情況，通過反饋的數(shù)據(jù)來判斷襯砌是否滿足支護要求。在襯砌相似模型48形成有螺絲孔481。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供了一種隧道管幕凍結法施工物理模型實驗方法，包括以下步驟：

步驟一、確定幾何相似準則，預制模擬頂管42、模擬主力凍結管43、模擬加強凍結管46和模擬限位管44；

具體地，根據(jù)實驗室空間條件，確定幾何相似比，在本實施例中，選取幾何相似比cl＝27。

模擬頂管42為100cm/每段；模擬主力凍結管43選用單層銅管，并將其彎曲成u形；模擬加強凍結管46選用單層銅管，并將其彎曲成u形；模擬限位管44選用套管，長度為100cm。將一根u形模擬主力凍結管43以及一根模擬限位管44放置在模擬頂管42中，并澆筑c30混凝土45，制成第一類頂管模型；將一根u形模擬加強凍結管46放置在模擬頂管42中，制成第二類頂管模型；將一根u形模擬主力凍結管43以及一根模擬限位管44放置在模擬頂管42中，制成第三類頂管模型；將一根模擬加強凍結管46放置在模擬頂管42中，并澆筑c30混凝土45，制成第四類頂管模型；單獨模擬頂管2作為第五類頂管模型；

步驟二、確定頂管組合方案；

組合一，第一類頂管與第二類頂管各一根交錯分布；組合二，第一類頂管與第四類頂管各一根交錯分布；組合三，第二類頂管與第三類頂管各一根交錯分布；組合四，第一類頂管與第五類頂管各一根交錯分布；組合五，第一類頂管與第五類頂管各一根交錯分布，并在每兩根模擬頂管42中間土體部分設置一根模擬加強凍結管46；

步驟三、實驗設備組裝；

通過桁車51將箱體11放置到實驗平臺6上，將頂管支架47放置到箱體本體中的指定位置，按照現(xiàn)場的土層分布情況進行填土，并通過箱體本體正面的縫隙按照“組合一”將頂管模型推進鋼管支架47的指定位置，在填土過程中不斷振搗，保證土層密實，尤其注意相鄰兩根模擬頂管42之間要有足量的土壤，在此同時在指定位置埋設熱電偶串212、位移測桿222以及壓力盒232，實際中，在前加勁肋覆蓋縫隙(即第一孔洞111的內(nèi)壁與蓋板112的外緣之間形成的間隙)處，先將模擬頂管進一步加工至98cm，按照豎板471上圓孔的位置進行定位，直接埋設到土層中，并通過縫隙引出對應的凍結管。

填土完成之后蓋上箱體蓋板17，通過引線孔173引出數(shù)據(jù)測線，通過通孔172引出位移測桿232，在箱體蓋板17上放置液壓缸15，安裝反力架13以及高強螺桿12，連接數(shù)據(jù)測線到對應的溫度監(jiān)測子系統(tǒng)21、位移監(jiān)測子系統(tǒng)23和壓力監(jiān)測子系統(tǒng)22，連接液壓控制裝置16與液壓缸15。

將箱體本體的正面縫隙(即第一孔洞111的內(nèi)壁與蓋板112的外緣之間形成的間隙)處用泡沫進行填充，并在箱體11的四周及表面覆蓋一層塑料泡沫，防止冷量大量散失。

步驟四、實驗設備調試；

通過液壓控制裝置16控制供油，使每個液壓缸15啟動，逐漸加壓至應力計算值，并穩(wěn)定預設時間，如24小時，檢查各監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測線連接情況，檢查凍結機組31的運轉情況。

步驟五、凍結模擬；

開啟主力凍結機組，使主力凍結機組內(nèi)的制冷劑溫度下降到第一溫度設計值t1，打開主力凍結機組的第一酒精閥，在本實施例中，以酒精為制冷劑進行說明，開啟主力凍結循環(huán)，通過調整第一酒精閥使制冷劑流速達到設計值w1，當循環(huán)開啟時間達到時間設計值t1時，開啟加強凍結機組，使加強凍結機組內(nèi)的制冷劑溫度下降到溫度設計值t2，打開酒精閥，開啟加強凍結酒精循環(huán)，通過調整酒精閥使酒精流速達到設計值w2，保持主力凍結酒精循環(huán)以及加強凍結酒精循環(huán)開啟時間t2后，對凍結壁的形成情況進行判斷，當凍結壁厚度達到設計值時，關閉加強凍結機組，并將主力凍結機組溫度調節(jié)至設計溫度t3，進入維護凍結階段，當凍結壁的厚度大于設計值時，開啟限位凍結機組，并保持該循環(huán)酒精流速為w3直至凍結壁厚度達到設計值。在整個凍結過程中，每間隔時間δt進行一次數(shù)據(jù)采集。

在相似準則中，由于實驗選用現(xiàn)場的原狀土，所以cc＝1，cb＝1，可得cθ＝1，即因此溫度設計值t1＝-30℃，t2＝-30℃，t3＝-25℃都與施工現(xiàn)場控制溫度相同；由相似準則得，現(xiàn)場的主力凍結時間為70天，加強凍結時間為20天，因此得到所述時間設計值t1＝138min，t2＝40min。

根據(jù)能量相等的原則，現(xiàn)場選用酒精代替cacl2進行制冷時，模擬主力凍結管43內(nèi)對應的流速為7.225m/h，模擬加強凍結管46內(nèi)對應的流速為17.92m/h，模擬限位管44內(nèi)對應的流速為5.902m/h,根據(jù)雷諾準則得cw＝1/cl＝1/27，對應的流速設計值w1＝195m/h，w2＝484m/h，w3＝159m/h。根據(jù)幾何相似比cl＝27，得凍結壁的厚度設計值為74mm；將測試時間間隔設計值設為δt＝3min。凍結壁的厚度通過溫度測點的數(shù)據(jù)進行判斷，當位于管幕內(nèi)側的測點以及位于管幕外側的測點溫度達到-2℃時，即認為形成的凍結壁達到了設計要求。

步驟六、開挖與支護模擬；

進行襯砌相似模型48的組裝，并在襯砌相似模型的拱腰位置貼設兩片應變片。

當凍結壁的厚度達到設計要求后，移除箱體本體正面及背面開挖面處的塑料泡沫，并切斷箱體本體正面以及背面蓋板處的加勁肋115，移除箱體蓋板17；從箱體本體的兩側同時進行開挖，按預設開挖速度a控制開挖速度。

開挖結束之后，立即進行襯砌支護。

預設開挖速度為0.1m/min。

在整個開挖與支護模擬的過程中，每間隔時間δt進行一次數(shù)據(jù)采集。

步驟七、關閉主力凍結循環(huán)和加強凍結循環(huán)，只保持限位凍結循環(huán)，進行強制解凍，直至凍結壁解凍，拆卸實驗設備；

步驟八、選取組合二，重復步驟三、步驟四、步驟五、步驟六和步驟七；

步驟九、選取組合三，重復步驟三、步驟四、步驟五、步驟六和步驟七；

步驟十、選取組合四，重復步驟三、步驟四、步驟五、步驟六和步驟七；

步驟十一、選取組合五，重復步驟三、步驟四、步驟五、步驟六和步驟七；

步驟十二、實驗數(shù)據(jù)處理。

實驗數(shù)據(jù)處理的具體內(nèi)容為：以組合一為例，將每一根熱電偶串上每個溫度測點的數(shù)據(jù)繪制成溫度隨時間變化的曲線圖，通過該曲線圖可以得出對應測點溫度隨時間的變化規(guī)律；將每個位移測點的數(shù)據(jù)繪制成位移隨時間變化的曲線圖，通過該曲線圖可以得出對應測點位移隨時間的變化規(guī)律，將3個測點曲線圖繪制到一起，通過對比得出，相同時刻，不同位置的凍脹分布規(guī)律；將通過每一個壓力盒測得的數(shù)據(jù)繪制成壓力隨時間變化的曲線圖，通過該曲線圖可以得出對應測點壓力隨時間的變化規(guī)律，將三個測點曲線圖繪制到一起，通過對比得出，相同時刻，不同位置的凍結壓力的分布規(guī)律；同樣地，繪制組合二、組合三、組合四以及組合五的相關曲線圖。

對比最終時刻五種方案的位移測試數(shù)據(jù)，得出凍脹最小的組合方案；對比五種方案的溫度分布情況，得出平均溫度最低的組合方案以及達到設計厚度用時最短的組合方案；為管幕凍結法的進一步推廣運用提出指導意見。

需要說明的是，關于該方法中涉及的各設備的描述可參見上述裝置中關于各對應設備的描述，此處不再一一贅述。

由技術常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特征的實施方案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。