一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及隧道運(yùn)營環(huán)境安全技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)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(fēng)方式對寒區(qū)隧道溫度場的影響規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)對圍巖及隧道內(nèi)溫度場的測量。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，伴隨我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路、公路建設(shè)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(jīng)濟(jì)政策的進(jìn)一步落實(shí)，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(shù)要求更高，而氣候條件卻更加惡劣。
[0003]根據(jù)國內(nèi)外研究報(bào)導(dǎo)，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?shù)醣?、邊墻掛冰和水溝凍死等，影響行車安?冰凍引發(fā)各種凍脹，反復(fù)冰融變化造成襯砌混凝土表面風(fēng)化嚴(yán)重，拱頂開裂，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定構(gòu)成潛在威脅。例如，迄今為止，在我國東北和西北修建的多個(gè)隧道中，由于凍害的原因，有很多隧道將近半年的時(shí)間不能使用，有些完全報(bào)廢。日本道路工團(tuán)和日本鐵道綜合技術(shù)研究所最近的統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(yán)重凍害的就達(dá)104座，為消除側(cè)墻壁冰和拱部冰柱，作為整治措施之一，在較多隧道設(shè)置了電加熱裝置，投入的整治費(fèi)用十分驚人。因此，隧道抗防凍問題已成為國內(nèi)外面臨的重大技術(shù)難題。
[0004]對于高寒隧道的抗防凍問題，國內(nèi)外已進(jìn)行大量研究和實(shí)驗(yàn)。其研究主要集中在凍脹的分類及產(chǎn)生機(jī)理、凍脹力對襯砌結(jié)構(gòu)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(fēng)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(dǎo)意義。
[0005]在寒區(qū)隧道研究方面，由于工程實(shí)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(yuǎn)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(shè)的基礎(chǔ)上分別給出了彈性理論和粘彈性理論圍巖凍脹力解析計(jì)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(biāo)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?yàn)經(jīng)濟(jì)易行，國內(nèi)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(yàn)。例如，渠孟飛(2015)等建立室內(nèi)模型對寒區(qū)隧道襯砌凍脹力進(jìn)行研究，仇文革、孫兵(2010)對寒區(qū)破碎巖體隧道凍脹力進(jìn)行室內(nèi)對比試驗(yàn)。
[0006]通過對一些資料調(diào)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(yàn)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(yàn)這一方面的研究尚為不足。【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)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(yàn)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(yàn)這一方面的研究尚為不足的問題，本實(shí)用新型提供了一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置。
[0008]為解決上述問題，本實(shí)用新型提供的一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置通過以下技術(shù)要點(diǎn)來解決問題:一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置，包括隧道模擬構(gòu)件，所述隧道模擬構(gòu)件包括擋土圍墻、填充于擋土圍墻中的人工填土及設(shè)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(jìn)行冷卻，被冷卻的空氣由管道和/或風(fēng)機(jī)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(diǎn)位于隧道內(nèi)，所述第二測溫儀的測溫點(diǎn)位于人工填土中。
[0010]具體的，以上隧道模擬構(gòu)件為模擬真實(shí)隧道形狀和結(jié)構(gòu)制成的縮小模型，為便于在隧道模擬構(gòu)件上開設(shè)隧道，隧道模擬構(gòu)件里的隧道可設(shè)置為單洞隧道。所述人工填土用于模擬真實(shí)隧道的圍巖，擋土圍墻可用于模擬真實(shí)隧道圍巖表面的土質(zhì)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(shí)環(huán)境中的低溫空氣，通過設(shè)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(shí)時(shí)記錄各測量點(diǎn)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(fēng)流傳熱機(jī)理的實(shí)驗(yàn)平臺，可以研究不同入口寒冷風(fēng)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(shí)驗(yàn)平臺支持。
[0011]為減小本試驗(yàn)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(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)氣體吸入端與冰柜的制冷室相連，冰柜的壓縮機(jī)電機(jī)采用變頻器控制轉(zhuǎn)速，同時(shí)風(fēng)機(jī)的電源上也串聯(lián)有變頻器，以方便的模擬不同風(fēng)速、風(fēng)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(jìn)一步的技術(shù)方案為:
[0014]由于真實(shí)環(huán)境下的隧道所在位置，應(yīng)當(dāng)視作進(jìn)入隧道的空氣溫度與隧道圍巖外側(cè)的空氣溫度值相等，為減小或避免隧道模擬構(gòu)件外側(cè)與實(shí)驗(yàn)所在環(huán)境之間的傳熱，還包括設(shè)置于擋土圍墻內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)的隔熱板，所述隔熱板用于實(shí)現(xiàn)隧道模擬構(gòu)件與外界隔熱。作為與本方案等同的另一種技術(shù)方案，可在隧道模擬構(gòu)件的外側(cè)設(shè)置一個(gè)夾套，所述夾套與隧道模擬構(gòu)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(nèi)風(fēng)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(jìn)一步的，在間隙的冷卻空氣引入端設(shè)置導(dǎo)流板，以使得冷卻空氣在流經(jīng)間隙時(shí)，各點(diǎn)的速度分布較為均勻，以較為真實(shí)的反應(yīng)自然環(huán)境下真實(shí)隧道圍巖外側(cè)的空氣流流向。
[0015]為使得本試驗(yàn)裝置獲得的溫度場數(shù)據(jù)更為具體，所述第二測溫儀至少有兩個(gè)，且各個(gè)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(nèi)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(yīng)降低，故伴隨隧道的深度變化，隧道內(nèi)各點(diǎn)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(yàn)裝置反應(yīng)的隧道溫度場數(shù)據(jù)更為具體，所述第一測溫儀至少有兩個(gè)，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(gè)第二測溫儀，且測溫儀組的組數(shù)與第一測溫儀的個(gè)數(shù)相等，各個(gè)第一測溫儀分布于隧道的不同深度位置，隧道內(nèi)每個(gè)第一測溫儀所在位置的人工填土中均設(shè)置有一組測溫儀組，且各組測溫儀組中，各個(gè)第二測溫儀與隧道的間距不等。
[0017]為便于通過設(shè)置較少的測溫點(diǎn)，近似繪制出整個(gè)隧道模擬構(gòu)件各點(diǎn)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(gè)第二測溫儀分別與隧道的間距可構(gòu)成等差數(shù)列。本技術(shù)方案技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)，基于隨著隧道深度的增加，隧道內(nèi)各點(diǎn)的溫度線性變化，在隧道同一深度的人工填土中，各點(diǎn)的溫度也是隨著距離的變化而產(chǎn)生線性變化。
[0018]為使得本試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)測溫點(diǎn)數(shù)據(jù)自動記錄和輸出隧道模擬構(gòu)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(shù)據(jù)采集器，所述第一測溫儀及第二測溫儀的溫度數(shù)據(jù)輸出端均與數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)輸入端相連，所述數(shù)據(jù)采集器用于記錄隧道模擬構(gòu)件中通入冷卻空氣后，各測溫點(diǎn)隨時(shí)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(shí)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(fēng)流傳熱機(jī)理的實(shí)驗(yàn)平臺，可以研究不同入口寒冷風(fēng)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(shí)驗(yàn)平臺支持。。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型所述的一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)透視圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型所述的一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置一個(gè)具體實(shí)施例中，截面垂直于隧道中心線的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0024]圖3為本實(shí)用新型所述的一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置一個(gè)具體實(shí)施例中，截面平行于隧道中心線的結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0025]圖中標(biāo)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(fēng)機(jī)，7、第一測溫儀，8、第二測溫儀，9、數(shù)據(jù)采集器。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本實(shí)用新型提供了一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)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(fēng)方式對寒區(qū)隧道溫度場的影響規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)對圍巖及隧道內(nèi)溫度場的測量。
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但是本實(shí)用新型不僅限于以下實(shí)施例:
[0028]實(shí)施例1:
[0029]如圖1至圖3所示，一種寒區(qū)隧道圍巖與風(fēng)流傳熱的試驗(yàn)裝置，包括隧道模擬構(gòu)件，所述隧道模擬構(gòu)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(shè)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(jìn)行冷卻，被冷卻的空氣由管道和/或風(fēng)機(jī)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(diǎn)位于隧道I內(nèi)，所述第二測溫儀8的測溫點(diǎn)位于人工填土4中。
[0031]具體的，以上隧道模擬構(gòu)件為模擬真實(shí)隧道I形狀和結(jié)構(gòu)制成的縮小模型，為便于在隧道模擬構(gòu)件上開設(shè)隧道I，隧道模擬構(gòu)件里的隧道I可設(shè)置為單洞隧道I。所述人工填土4用于模擬真實(shí)隧道I的圍巖，擋土圍墻5可用于模擬真實(shí)隧道I圍巖表面