CN111257543A - 一种寒区隧道线性含水带冻胀模型及其制备、试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程模型试验领域，具体的说是一种寒区隧道线性含水带冻胀模型及其制备、试验方法。包括冻胀围岩***、环境调控***以及冻胀力数据采集***；冻胀围岩***包括模拟围岩、二次衬砌以及冻胀围岩线性裂隙带，二次衬砌贯穿模拟围岩分布，冻胀围岩线性裂隙带为设置在模拟围岩上并可注水的条状孔，冻胀围岩线性裂隙带包括分布于模拟围岩内部的围岩线性含水带和分布于模拟围岩与二次衬砌之间的衬砌背后含水带；本发明可客观反映围岩不同存水结构对隧道冻胀力的影响，并通过模型试验模拟不同埋深和温度环境下不同线性含水带长度、位置、宽度等对隧道冻胀力的影响及分布规律，为寒区隧道冻胀灾害防治提供指导。

Description

一种寒区隧道线性含水带冻胀模型及其制备、试验方法

技术领域

本发明涉及隧道工程模型试验领域，具体的说是一种寒区隧道线性含水带冻胀模型及其制备、试验方法。

背景技术

我国是世界上冻土分布面积最大的三个国家之一，在冻土富水区域修建隧道容易产生较大的冻胀力进而引发冻害问题，如混凝土脱落、衬砌开裂、漏水、挂冰、剥落等，这些冻害现象对隧道结构及运营安全造成了严重影响，因此对隧道围岩冻胀破坏规律研究势在必行。

国内外很多学者对寒区隧道的变形和围岩的冻胀性，开展了现场测试和模型试验研究，发现隧道围岩内部缺陷位置的局部存水是引起围岩冻胀破坏的主要原因。而实际工程中，围岩缺陷多以溶洞、孔穴、裂隙等方式存在；在隧道施工中，支护衬砌背后一般不会产生大范围的空洞，但局部因支护拱架或锚砼与围岩不够密实，导致衬砌背后产生小空洞或扁平裂隙等是可能发生的。当这些区域充满地下水而受到冻结时，往往对衬砌和围岩产生冻胀作用，在围岩和衬砌之间就会产生附加的冻胀力。现有技术中的寒区隧道冻胀力室内试验模型均未综合考虑围岩各处存水对于隧道冻胀力的影响，导致得出的试验数据不能客观真实的反应围岩不同存水结构对于隧道冻胀力的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种寒区隧道线性含水带冻胀模型及其制备、试验方法，客观反映围岩不同存水结构对隧道冻胀力的影响，并通过模型试验模拟不同埋深和温度环境下不同线性含水带长度、位置、宽度等对隧道冻胀力的影响及分布规律，为寒区隧道冻胀灾害防治提供指导。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，包括冻胀围岩***、环境调控***以及冻胀力数据采集***；

冻胀围岩***包括模拟围岩、二次衬砌以及冻胀围岩线性裂隙带，二次衬砌贯穿模拟围岩分布，冻胀围岩线性裂隙带为设置在模拟围岩上并可注水的条状孔，冻胀围岩线性裂隙带包括分布于模拟围岩内部的围岩线性含水带和分布于模拟围岩与二次衬砌之间的衬砌背后含水带；

环境调控***包括制冷装置和双轴反力架装置；制冷装置包括围设在模拟围岩外周的空心夹层板，在空心夹层板的内腔中设有纵横交错分布的多块肋板，多块肋板将空心夹层板的内腔分隔为多个腔室，在肋板上开设有供制冷液体在相邻腔室中流通的通孔，在空心夹层板上还设有供制冷液体进入的输入阀和供制冷液体排出的输出阀；反力架装置包括套设在空心夹层板外周的框架结构，在框架结构上间隔设有用于通过空心夹层板向模拟围岩施加载荷的多个千斤顶；

冻胀力数据采集***包括分别设置在模拟围岩和二次衬砌之间并位于二次衬砌的拱顶、拱脚、边墙以及仰拱的多个感应器组，任意一个感应器组均包括压力传感器和温度传感器，所有压力传感器和温度传感器均与计算机相连。

优选的，模拟围岩的形状为立方体，二次衬砌沿水平方向贯穿模拟围岩的中心分布。

优选的，空心夹层板的数量为四块，四块空心夹层板分别设置在二次衬砌周向所对应的模拟围岩的四个侧壁上。

优选的，空心夹层板包括间隔平行分布的两块基板，两块基板的外缘通过条状的密封板相连。

优选的，同一块空心夹层板中，在密封板和远离模拟围岩的一块基板外侧均设有保温层；保温层的材料为聚氨酯，保温层的厚度不低于3cm。

优选的，框架结构包括矩形框架以及固定在矩形框架上的两块水平载荷板和两块竖直载荷板，多个千斤顶的缸体端分别垂直固定在对应的水平载荷板或竖直载荷板上。

优选的，二次衬砌采用钢板焊接制作，在二次衬砌的中部设有供感应器组的脚线穿出的穿线孔。

一种寒区隧道线性含水带冻胀模型的制备方法，包括以下步骤：

1）、制作二次衬砌、制冷装置以及双轴反力架装置；

2）、将二次衬砌、制冷装置以及双轴反力架装置依次套装后立置于刚性水平板上；

3）、将***导火索和钢丝相互缠绕后组成长条状的含水带生成件，将部分含水带生成件对应衬砌背后含水带的形状绕设在二次衬砌的外周，剩余部分含水带生成件对应围岩线性含水带的形状固定在刚性水平板上；

4）、在二次衬砌和制冷装置之间填筑模拟围岩并压实，填筑一半后在二次衬砌外周并对应二次衬砌的拱顶、拱脚、边墙以及仰拱位置固定设置感应器组后继续填筑模拟围岩；

5）、模拟围岩填筑完成后转动90°使二次衬砌呈水平状态；

6）、点燃***导火索并拉出钢丝，冲洗火药残渣后，在模拟围岩内部形成围岩线性含水带，在模拟围岩和二次衬砌之间形成衬砌背后含水带。

一种寒区隧道线性含水带冻胀模型的试验方法，包括以下步骤：

1）、启动制冷装置，由输入阀向空心夹层板中通入常压低温的液氨，调控液氨输入输出量，使模拟围岩的温度保持在0℃以下15分钟；

2）、根据模拟隧道围岩的实际情况，通过千斤顶向模拟围岩施加垂直和水平荷载，向冻胀围岩线性裂隙带内注水，并在围岩外侧封堵出水口；

3）、根据模拟围岩实际情况，调整液氨输入输出量，降低或升高模拟围岩的温度，监测土压力计读数变化并记录，为冻胀力分析提供依据。

有益效果

本发明的寒区隧道线性含水带冻胀模型及试验方法，试验模拟不同埋深和温度环境下不同线性含水带长度、位置、宽度等对隧道冻胀力的影响及分布规律，为寒区隧道冻胀灾害防治提供指导。考虑到隧道围岩的平面应变受力状态，设计了模拟隧道埋深条件的双轴反力架加载***；利用空心夹层板构建低温制冷装置，通过调控液氨流量模拟隧道围岩低温环境。

本发明的寒区隧道线性含水带冻胀模型的制备方法，在围岩内部和衬砌背后的线性含水带构造中，利用***导火索燃烧后体积缩小的特点，实现预制了任意线型的含水裂隙的制作。

附图说明

图1为本发明的寒区隧道线性含水带冻胀模型的纵向剖面结构示意图；

图2为图1中的A-A向剖视图；

图3为本发明中的冻胀围岩***部分的结构示意图；

图4为本发明中的双轴反力架装置部分的结构示意图；

图5位本发明中冻胀力数据采集***中的感应器组的分布示意图；

图中标记：1、模拟围岩，2、衬砌背后含水带，3、二次衬砌，4、围岩线性含水带，5、双轴反力架装置，501、千斤顶，502、框架结构，502-1、竖直载荷板，502-2、矩形框架，502-3、水平载荷板，6、制冷装置，601、密封板，602、基板，603、保温层，604、肋板，605、通孔，606、输出阀，607、输入阀，7、温度传感器，8、压力传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，主要包括冻胀围岩***、环境调控***以及冻胀力数据采集***。

如图3所示，冻胀围岩***包括模拟围岩1、二次衬砌3以及冻胀围岩线性裂隙带。模拟围岩1为立方体结构，二次衬砌3采用钢板拼装焊接组成，并沿水平方向贯穿模拟围岩1的中心分布，模拟真实隧道中的围岩和衬砌结构。冻胀围岩线性裂隙带为设置在模拟围岩1上并可注水的条状孔，其两端均敞口并可通过盲头封闭，以便于向其内部注水，并与环境调控***配合以真实模拟含水带结构对于隧道冻胀力的影响。本发明中的冻胀围岩线性裂隙带包括分布于模拟围岩1内部的围岩线性含水带4和分布于模拟围岩1与二次衬砌3之间的衬砌背后含水带2。通过不同线性含水带长度、位置、宽度等对隧道冻胀力的影响及分布规律，客观反映真实状况，为寒区隧道冻胀灾害防治提供精确指导。

环境调控***包括制冷装置6和双轴反力架装置5。

结合图1及图2所示，制冷装置6包括分别设置在模拟围岩1上下左右的四块空心夹层板。空心夹层板一方面用于产生低温，模拟隧道环境温度；另一方面，还用于双轴反力架装置5朝向模拟围岩1施加水平和竖直方向的载荷的载体。任意一块空心夹层板均包括与模拟围岩1侧壁的形状大小相对应并平行间隔分布的两块钢板制作的基板602，两块基板602的外缘通过长条状并由钢板制作的密封板601密封焊接固定。在密封板601上设有供制冷液体进出空心夹层板内腔的输入阀607和输出阀606。为了能够实现空心夹层板的载荷载体功能，在空心夹层板内腔中设有纵横交错分布的多条肋板604。多块肋板604将空心夹层板的内腔分隔为多个腔室，在肋板604上还贯穿开设有供制冷液体在相邻腔室中流通的通孔605，以对模拟围岩1进行均匀的温度控制。

本实施例中，同一块空心夹层板上，在密封板601和远离模拟围岩1的一块基板602外侧均设有保温层603，以降低试验中的热量损耗。保温层603的材料为聚氨酯，保温层603的厚度不低于3cm。

结合图1级图4所示，反力架装置包括套设在空心夹层板外周的框架结构502，在框架结构502上间隔设有用于通过空心夹层板向模拟围岩1施加载荷的多个千斤顶501。其中的框架结构502包括由四根角钢焊接组成的矩形框架502-2以及固定在矩形框架502-2上的两块水平载荷板502-3和两块竖直载荷板502-1。在任意一块水平载荷板502-3或竖直载荷板502-1上均设有四个千斤顶501。千斤顶501的缸体端分别垂直固定在对应的水平载荷板502-3或竖直载荷板502-1上；千斤顶501的压头分别作用于对应位置的空心夹层板上。

如图5所示，冻胀力数据采集***包括分别设置在模拟围岩1和二次衬砌3之间并位于二次衬砌3的拱顶、拱脚、边墙以及仰拱的多个感应器组，任意一个感应器组均包括压力传感器8和温度传感器7，所有压力传感器8和温度传感器7均与计算机相连，通过计算机记录传感器组所测的压力和温度信息。在二次衬砌3的中部设有供感应器组的脚线穿出以连接至计算机的穿线孔。

上述寒区隧道线性含水带冻胀模型的制备方法包括以下步骤：

1）、制作二次衬砌3、制冷装置6中的四块空心夹层板以及双轴反力架装置5；

2）、将二次衬砌3、制冷装置6以及双轴反力架装置5依次套装后立置于刚性水平板上，四块空心夹层板和二次衬砌3之间即形成模拟围岩1的填筑空间；

3）、选择民用***导火索和等长的钢丝，将***导火索和钢丝相互缠绕呈麻花状后组成长条状的含水带生成件，将部分含水带生成件对应衬砌背后含水带2的形状绕设在二次衬砌3的外周，剩余部分含水带生成件对应围岩线性含水带4的形状固定在刚性水平板上；

4）、在二次衬砌3和制冷装置6之间填筑模拟围岩1并压实，填筑一半后在二次衬砌3外周并对应二次衬砌3的拱顶、拱脚、边墙以及仰拱位置固定设置感应器组后继续填筑模拟围岩1；

5）、模拟围岩1填筑完成后转动90°使二次衬砌3呈水平状态；

6）、点燃***导火索并拉出钢丝，采用高压水冲洗火药残渣后，在模拟围岩1内部形成围岩线性含水带4，在模拟围岩1和二次衬砌3之间形成衬砌背后含水带2，完成本发明模型的制作。

上述寒区隧道线性含水带冻胀模型的试验方法，包括以下步骤：

1）、冻胀力数据采集***的安装与调试，模型制作完成后，将压力传感器8和温度传感器7的脚线连接到读数器和控制计算机上，检验测试元件安装成活率，初步调试测试***的工作稳定性；

2）、制冷***调试，制冷装置6通过输入阀607和输出阀606与常压低温液氨储罐连接，利用液氨在低温制冷装置6内的流动实现模拟围岩1的冻结，冻结温度由二次衬砌3与围岩之间的温度传感器7获取；

3）、启动制冷装置6，由输入阀607向空心夹层板中通入常压低温的液氨，调控液氨输入输出量，使模拟围岩1的温度保持在0℃以下15分钟；

4）、根据模拟隧道围岩的实际情况，通过千斤顶501向模拟围岩1施加垂直和水平荷载，向冻胀围岩线性裂隙带内注水，并在围岩外侧封堵出水口；

5）、根据模拟围岩1实际情况，调整液氨输入输出量，降低或升高模拟围岩1的温度，监测土压力计读数变化并记录，为冻胀力分析提供依据。

Claims (9)

1.一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，其特征在于：包括冻胀围岩***、环境调控***以及冻胀力数据采集***；

冻胀围岩***包括模拟围岩（1）、二次衬砌（3）以及冻胀围岩线性裂隙带，二次衬砌（3）贯穿模拟围岩（1）分布，冻胀围岩线性裂隙带为设置在模拟围岩（1）上并可注水的条状孔，冻胀围岩线性裂隙带包括分布于模拟围岩（1）内部的围岩线性含水带（4）和分布于模拟围岩（1）与二次衬砌（3）之间的衬砌背后含水带（2）；

环境调控***包括制冷装置（6）和双轴反力架装置（5）；制冷装置（6）包括围设在模拟围岩（1）外周的空心夹层板，在空心夹层板的内腔中设有纵横交错分布的多块肋板（604），多块肋板（604）将空心夹层板的内腔分隔为多个腔室，在肋板（604）上开设有供制冷液体在相邻腔室中流通的通孔（605），在空心夹层板上还设有供制冷液体进入的输入阀（607）和供制冷液体排出的输出阀（606）；反力架装置包括套设在空心夹层板外周的框架结构（502），在框架结构（502）上间隔设有用于通过空心夹层板向模拟围岩（1）施加载荷的多个千斤顶（501）；

冻胀力数据采集***包括分别设置在模拟围岩（1）和二次衬砌（3）之间并位于二次衬砌（3）的拱顶、拱脚、边墙以及仰拱的多个感应器组，任意一个感应器组均包括压力传感器（8）和温度传感器（7），所有压力传感器（8）和温度传感器（7）均与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，其特征在：模拟围岩（1）的形状为立方体，二次衬砌（3）沿水平方向贯穿模拟围岩（1）的中心分布。

3.根据权利要求2所述的一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，其特征在：空心夹层板的数量为四块，四块空心夹层板分别设置在二次衬砌（3）周向所对应的模拟围岩（1）的四个侧壁上。

4.根据权利要求3所述的一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，其特征在：空心夹层板包括间隔平行分布的两块基板（602），两块基板（602）的外缘通过条状的密封板（601）相连。

5.根据权利要求4所述的一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，其特征在：同一块空心夹层板中，在密封板（601）和远离模拟围岩（1）的一块基板（602）外侧均设有保温层（603）；保温层（603）的材料为聚氨酯，保温层（603）的厚度不低于3cm。

6.根据权利要求2所述的一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，其特征在：框架结构（502）包括矩形框架（502-2）以及固定在矩形框架（502-2）上的两块水平载荷板（502-3）和两块竖直载荷板（502-1），多个千斤顶（501）的缸体端分别垂直固定在对应的水平载荷板（502-3）或竖直载荷板（502-1）上。

7.根据权利要求2所述的一种寒区隧道线性含水带冻胀模型，其特征在：二次衬砌（3）采用钢板焊接制作，在二次衬砌（3）的中部设有供感应器组的脚线穿出的穿线孔。

8.一种如权利要求1所述的寒区隧道线性含水带冻胀模型的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、制作二次衬砌（3）、制冷装置（6）以及双轴反力架装置（5）；

2）、将二次衬砌（3）、制冷装置（6）以及双轴反力架装置（5）依次套装后立置于刚性水平板上；

3）、将***导火索和钢丝相互缠绕后组成长条状的含水带生成件，将部分含水带生成件对应衬砌背后含水带（2）的形状绕设在二次衬砌（3）的外周，剩余部分含水带生成件对应围岩线性含水带（4）的形状固定在刚性水平板上；

4）、在二次衬砌（3）和制冷装置（6）之间填筑模拟围岩（1）并压实，填筑一半后在二次衬砌（3）外周并对应二次衬砌（3）的拱顶、拱脚、边墙以及仰拱位置固定设置感应器组后继续填筑模拟围岩（1）；

5）、模拟围岩（1）填筑完成后转动90°使二次衬砌（3）呈水平状态；

6）、点燃***导火索并拉出钢丝，冲洗火药残渣后，在模拟围岩（1）内部形成围岩线性含水带（4），在模拟围岩（1）和二次衬砌（3）之间形成衬砌背后含水带（2）。

9.一种如权利要求1所述的寒区隧道线性含水带冻胀模型的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、启动制冷装置（6），由输入阀（607）向空心夹层板中通入常压低温的液氨，调控液氨输入输出量，使模拟围岩（1）的温度保持在0℃以下15分钟；

2）、根据模拟隧道围岩的实际情况，通过千斤顶（501）向模拟围岩（1）施加垂直和水平荷载，向冻胀围岩线性裂隙带内注水，并在围岩外侧封堵出水口；

3）、根据模拟围岩（1）实际情况，调整液氨输入输出量，降低或升高模拟围岩（1）的温度，监测土压力计读数变化并记录，为冻胀力分析提供依据。

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