CN111983193A - 一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置，属于隧道工程技术领域。一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置，包括：地层模拟***、隧道结构模拟***、高地温模拟***以及数据采集***；地层模拟***与隧道结构模拟***之间设有围岩模拟层，高地温模拟***向地层模拟***提供热量，热量经过围岩模拟层传递给隧道结构模拟***，数据采集***用于采集围岩模拟层和隧道结构模拟***中的热量数据。本发明可以模拟高地温地层和高地温隧道，从而可以对高地温隧道进行围岩热力学特性及热量传递试验，同时通过沙浴加热方式对围岩模拟层进行均匀稳定加热，保证围岩温度场严格满足轴对称条件，提高试验的精确度和科学性。

Description

一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置。

背景技术

西部地区海拔较高，高温水热活动带丰富，地热异常区也比较多，随着西部交通工程基础设施建设的发展尤其是川藏铁路的建设，穿越高地温地区的隧道工程必将大量涌现。

高地温对隧道工程建设的不利影响主要表现在以下几个方面：(1)影响混凝土力学性能。高温使混凝土早期强度得到提升，但是会导致内部结构不密实，造成衬砌结构力学性能降低，且围岩与隧道运营空间的温度差也会加剧衬砌结构劣化，危害衬砌结构长期使用安全。(2)影响衬砌结构和围岩的黏结。由于存在温差，初支喷射混凝土与二衬接触部位会产生较大的温度应力，破坏初支和围岩的黏结。施作二衬时，初支混凝土已经吸收了围岩传来的温度，同样对初支和二衬的黏结造成影响。(3)影响施工人员健康。气温高会导致施工人员流汗量增加，甚至会导致中暑、脱水等情况发生。这对施工人员的身体健康，工作状态及其不利。(4)影响施工机械性能。高温环境造成施工机械散热不理想，影响施工机械的使用性能和寿命。严重时会超过机械的极限温度，损坏机械。

高地温环境对隧道施工和运营都会带来极大的不利影响，很可能导致隧道结构破坏，造成生命和财产损失。因此，对高地温环境下修建隧道的基础课题，如：地下水运动携热和围岩传热特性、隧道隔热层型式与参数优化、地下水对隧道隔热的影响，高地温隧道通风优化等开展***研究具有十分重大的现实意义与应用价值，这就要求研制一种结构简单，且能同时模拟高地温隧道水热环境的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置，以模拟高地温环境来对高地温隧道进行***实验和研究。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置，包括：地层模拟***、隧道结构模拟***、高地温模拟***以及数据采集***；

地层模拟***包括地温产生筒、以及分别设置在地温产生筒底端和顶端的隔热底座和隔热顶盖；地温产生筒设有隔热外层和导热内层，隔热外层和导热内层之间设有填充层；

隧道结构模拟***放置在地温产生筒内，并且隧道结构模拟***与导热内层之间设有围岩模拟层；

高地温模拟***包括电源以及与电源电连接的电阻丝格栅，电阻丝格栅埋设在填充层中；

数据采集***分别与围岩模拟层以及隧道结构模拟***连接。

本发明通过电阻丝格栅产生热量，热量依次从填充层(由细沙或其它颗粒型材质填充而成)、导热内层传递至围岩模拟层，用以模拟高地温地层，热量从围岩模拟层传递至隧道结构模拟***中，用以模拟高地温隧道，从而可以对高地温隧道进行围岩热力学特性及热量传递试验，填充层中的电阻丝格栅通过沙浴的方式对围岩模拟层进行加热，保证围岩温度场严格满足轴对称条件，提高试验的精确度和科学性。

进一步地，上述隧道结构模拟***包括从外到内依次设置的初期支护和二次衬砌；隧道结构模拟***还包括隔热层，隔热层设置在初期支护与二次衬砌之间或者设置在二次衬砌的内侧。

本发明将隔热层设置在初期支护与二次衬砌之间或者将隔热层设置在二次衬砌的内侧，通过改变隔热层的位置、隔热层的材料或者隔热层的厚度，可以开展隧道隔热层布置型式及材料优化试验。

进一步地，上述数据采集***包括分别与数据采集计算器通信连接的热通量板、多个第一温度传感器和多个第二温度传感器；热通量板设置在导热内层的内侧，围岩模拟层设置在热通量板与隧道结构模拟***之间；第一温度传感器埋设在围岩模拟层中，第二温度传感器设置在初期支护、二次衬砌以及隔热层上。

进一步地，上述还包括渗流模拟***；渗流模拟***包括：输水装置以及水管组件，水管组件与围岩模拟层连通。

本发明通过输水装置和水管组件提供水流，水流通过渗入的方式进入围岩模拟层中，从而模拟地下水的运动，用于模拟地下水运动对围岩温度场及隧道隔热影响试验。

进一步地，上述水管组件包括主管、多根径向送水管以及多根竖向渗流管；主管与输水装置连通；所有径向水管位于同一平面并设置在隔热底座内，所有径向送水管形成分布圆，所有径向送水管沿分布圆的径向间隔排列，径向送水管的一端靠近分布圆圆心并与主管连通，径向送水管的另一端分别与竖向渗流管连通；竖向渗流管的侧壁设有多个小孔，竖向渗流管靠近导热内层。

本发明输水装置将水流输送至主管，主管将水流输送至径向送水管和竖向渗流管，水流在竖向渗流管渗流至围岩模拟层中，通过径向送水管的排列形式，流入竖向渗流管的水流流量和速度均匀、一致，保证渗水的均匀性，同时，竖向渗流管从靠近导热内层的位置向隧道结构模拟***渗流，远距离的渗流使得靠近隧道结构模拟***的渗流与实际地下水渗流更加接近，提高试验的准确性。

进一步地，上述输水装置设有调节水温的温控***，主管设有流量控制器。

本发明的温控***用于控制水流的温度，避免水流造成热量的损失，同时，还可以模拟地下水运动携热对围岩温度场及隧道隔热影响试验。

进一步地，上述初期支护设有连通其内外侧的透水孔，初期支护与二次衬砌之间设有透水层。

本发明的透水孔和透水层可以将渗流导引至初期支护与二次衬砌之间的位置，匹配地下水在实际隧道的初期支护与二次衬砌之间渗流的状态，通过试验可以深入研究地下水渗流对隧道隔热的影响等基础科学问题。

进一步地，上述数据采集***还包括埋设与围岩模拟层内的多个流速传感器和多个流量传感器，流速传感器和流量传感器分别与数据采集计算器通信连接；多个第一温度传感器、多个流速传感器和多个流量传感器分别沿围岩模拟层的径向均匀间隔设置，并且三种传感器环向间隔60°设置。

本发明的第一传感器、流速传感器和流量传感器均埋设在围岩模拟层中，能够降低边界效应的影响，各传感器均匀间隔布置，避免由隧道结构模拟***制作不均带来的误差。

进一步地，上述地层模拟***还包括设置在地温产生筒内的网筛，网筛与隔热底座连接，隧道结构模拟***置于网筛内并与网筛接触。

本发明的网筛用于将隧道结构模拟***与围岩模拟层隔离，不影响围岩模拟层和隧道结构模拟***之间热量或介质的传递，还能避免围岩模拟层在靠近隧道结构模拟***的位置垮塌，便于更换不同类型的隧道，如更换隔热层在初期支护与二次衬砌之间的隧道，或更换隔热层在二次衬砌内侧的隧道，或者更换不同材质隔热层的隧道。

进一步地，上述高地温模拟***还包括与电阻丝格栅连接的温度控制器。

本发明的温度控制器用于控制电阻丝格栅产生的热量，从而可以对不同地温隧道进行围岩热力学特性及热量传递试验。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明可以模拟高地温地层和高地温隧道，从而可以对高地温隧道进行围岩热力学特性及热量传递试验，同时通过沙浴加热方式对围岩模拟层进行均匀稳定加热，保证围岩温度场严格满足轴对称条件，提高试验的精确度和科学性。

(2)本发明还可以进行隧道隔热层布置型式及材料优化试验、地下水运动携热对围岩温度场及隧道隔热影响试验等。

(3)本发明的试验装置经济、实用，可进行的试验多，试验精度高，具有较高的可操作性型。

附图说明

图1为本发明的高地温围岩隧道结构模拟试验装置的结构示意图；

图2为本发明的地温产生筒的内部结构示意图；

图3为图2的A部放大图；

图4为本发明的网晒的结构示意图；

图5为本发明的隧道结构模拟***的结构示意图；

图6为图5的B部放大图；

图7为本发明的初期支护的结构示意图；

图8为本发明的水管组件的结构示意图；

图9为本发明的竖向渗流管的结构示意图。

图中：11-地温产生筒；12-隔热底座；13-隔热顶盖；14-隔热外层；15-导热内层；16-填充层；17-网筛；20-隧道结构模拟***；21-初期支护；22-透水层；23-二次衬砌；24-隔热层；31-电阻丝格栅；40-围岩模拟层；51-热通量板；52-第一温度传感器；52-第二温度传感器；53-第二温度传感器；54-流速传感器；55-流量传感器；60-水管组件；61-主管；62-径向送水管；63-竖向渗流管；64-环形送水管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置，包括：地层模拟***、隧道结构模拟***20、高地温模拟***、数据采集***以及渗流模拟***。隧道结构模拟***20设置在地层模拟***内，通过高地温模拟***提供热量，热量从地层模拟***传递至隧道结构模拟***20，渗流***模拟地下水流情况，通过数据采集***对温度、流量、流速等进行采集，从而可以完成围岩热力学特性及热量传递试验、隧道隔热层布置型式及材料优化试验、地下水运动携热对围岩温度场及隧道隔热影响试验等。

请参照图1至图4，地层模拟***包括地温产生筒11，分别设置在地温产生筒11的底端和顶端的隔热底座12和隔热顶盖13。地温产生筒11包括由隔热材料制成的隔热外层14和由导热材料制成的导热内层15，隔热外层14避免热量散发到地温产生筒11的外侧，导热内层15用于将热量导向地温产生筒11的内侧。隔热外层14和导热内层15之间具有间隙，在此间隙中设有填充层16。隔热底座12和隔热顶盖13均由隔热材料制成，隔热顶盖13与地温产生筒11之间可拆卸连接，在本实施例中，隔热顶盖13直接盖在地温产生筒11的顶部。

地温产生筒11的内部设有呈筒形的并与地温产生筒11同轴设置的网筛17，隧道结构模拟***20设置在网筛17中，并且网筛17与隧道结构模拟***20接触。网筛17与导热内层15之间设有围岩模拟层40，用于模拟隧道的围岩。热量从导热内层15传递至围岩模拟层40再传递至隧道结构模拟***20中，网筛17的存在不会阻止热量的传递，还可以形成放置空间，便于更换不同类型的隧道结构模拟***20。

在本实施例中，隔热顶盖13可以设置与隧道结构模拟***20相对应的通风孔，用于进行高地温隧道通风优化试验；填充层16和围岩模拟层40是由河沙填充而成，使得可以通过沙浴的方式对围岩模拟层进行加热，可以对隧道结构模拟***20进行稳定均匀加热，保证围岩温度场严格满足轴对称条件，提高试验的精确度和科学性。在本发明的其他实施例中，填充层16和围岩模拟层40还可以由材料性质与实际围岩材料相似的颗粒材料填充而成，例如岩石碎屑等。

请参照图5至图7，隧道结构模拟***20从外到内包括依次设置的初期支护21、透水层22、隔热层24以及二次衬砌23。初期支护21与网筛17接触，确保热量的有效、稳定传递，初期支护21的侧壁设有多个透水孔(如图7所示)，透水孔的两端分别与初期支护21内外两侧连通，用于将模拟的地下水导流至初期支护21的内侧，模拟地下水的运动，用于模拟地下水运动对围岩温度场及隧道隔热影响试验。透水层22采用土工布。

本实施例中设置的透水孔和透水层22，可以模拟地下水运动对围岩温度场及隧道隔热影响试验，若不需要模拟地下水运动对围岩温度场及隧道隔热影响试验，则不需要设置透水孔和透水层22。由于隧道结构模拟***可以从网筛17中拿出，从而可以更换不同类型的隧道，如更换隔热层在初期支护与二次衬砌23之间的隧道，或更换隔热层24在二次衬砌23内侧的隧道，或者更换不同材质隔热层24的隧道，或者更换不需要进行模拟地下水运动对围岩温度场及隧道隔热影响试验的隧道。

高地温模拟***包括电源、电阻丝格栅31以及温度控制器。电阻丝格栅31与电源连接并埋设在填充层16内，电阻丝格栅31产生的热量传递给填充层16，填充层16通过沙浴的方式将热量传递给导热内层15和围岩模拟层40，传热更均匀。温度控制器与电阻丝格栅31电连接，通过温度控制器来控制电阻丝格栅31产生的热量，从而可以模拟不同温度的地温。

数据采集***包括分别与数据采集计算器通信连接的热通量板51、多个第一温度传感器52、多个第二温度传感器53、多个流速传感器54以及多个流量传感器55。热通量板51位于导热内层15的内侧并埋设在围岩模拟层40中。多个第一温度传感器52、多个流速传感器54以及多个流量传感器55均埋设在围岩模拟层40中，具体埋设位置为围岩模拟层40在竖直方向上的中部位置，多个第一温度传感器52呈一字型间隔排列，并沿围岩模拟层40的径向设置，多个流速传感器54也呈一字型间隔排列，并沿围岩模拟层40的径向设置，多个流量传感器55也呈一字型间隔排列，并沿围岩模拟层40的径向设置，同时此三种传感器环向间隔60°设置。第二温度传感器53设置在初期支护21、二次衬砌23以及隔热层24上，并且第二温度传感器53沿隧道结构模拟***20环向均匀间隔布置，避免隧道结构模拟***20制作不均带来的误差。

请参照图8和图9，渗流模拟***包括输水装置和水管组件60。输水装置设有调节水温的温控***。水管组件60包括主管61、多根径向送水管62以及多根竖向渗流管63，径向送水管62和竖向渗流管63一一对应连通。主管61与输水装置连通并设有流量控制器。径向送水管62均埋设在隔热底座12中，所有径向送水管62位于同一平面并沿隔热底座12的径向设置，使得所有径向送水管62形成分布圆，即所有径向送水管62沿分布圆的径向间隔排列，径向送水管62的一端靠近分布圆圆心并与主管61连通，径向送水管62的另一端分别与相对应的竖向渗流管63连通。竖向渗流管63的侧壁设有多个小孔，竖向渗流管63靠近导热内层15，使得水流可以从围岩模拟层40的外侧向内侧渗透。

在本发明的其他实施例中，水管组件60还包括环形送水管64，径向送水管62与竖向渗流管63连通的位置还与环形送水管64连通。

(1)围岩热力学特性及热量传递试验

根据实验需要制作隧道结构模拟***20，把制作好的隧道结构模拟***20放置在网筛17内，凭借隧道结构模拟***20与隔热底座12之间的摩擦力固定。在网筛17和热通量板51之间填充围岩材料(可分层填入，以满足围岩材料的均匀性，并且便于埋设相应的传感器)，形成围岩模拟层40，均匀密实后盖上隔热顶盖13。设定沙浴温度后对围岩模拟层40均匀加热，数据采集***自动采集记录试验过程中的测试数据，可用于分析围岩热力学特性及热量传递规律。

(2)隧道隔热层布置型式及材料优化试验

根据实验需要，可分别把隔热层24设置在初期支护21与二次衬砌23之间或二次衬砌23的内侧，然后将隧道结构模拟***20放入网筛17中，并填充围岩材料(可分层填入，以满足围岩材料的均匀性，并且便于埋设相应的传感器)和设定沙浴温度。根据数据采集***记录的数据对具体工况下隔热层24的布置形式进行优化。隔热层24可采用不同材料制作，通过该装置进行试验优化隔热层材料。

(3)地下水运动携热对围岩温度场及隧道隔热影响试验

根据实验需要，将隧道结构模拟***20放入网筛17中，并填充围岩材料(可分层填入，以满足围岩材料的均匀性，并且便于埋设相应的传感器)和设定沙浴温度。通过温控***和流量控制器分别控制水流温度和流量。针对水流温度，水流速度两个变量设计工况进行试验，可深入研究地下水渗流对围岩温度场及隧道隔热影响试验。

(4)高地温隧道通风优化试验

根据实验需要，在顶盖开孔上部安装通风装置，将隧道结构模拟***20放入网筛17中，并填充围岩材料(可分层填入，以满足围岩材料的均匀性，并且便于埋设相应的传感器)和设定沙浴温度。在保证其他条件不变的情况下调节送风量和风速，根据数据采集***记录的试验数据对高地温隧道的通风进行优化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，包括：地层模拟***、隧道结构模拟***(20)、高地温模拟***以及数据采集***；

所述地层模拟***包括地温产生筒(11)、以及分别设置在所述地温产生筒(11)底端和顶端的隔热底座(12)和隔热顶盖(13)；所述地温产生筒(11)设有隔热外层(14)和导热内层(15)，所述隔热外层(14)和所述导热内层(15)之间设有填充层(16)；

所述隧道结构模拟***(20)放置在所述地温产生筒(11)内，并且所述隧道结构模拟***(20)与所述导热内层(15)之间设有围岩模拟层(40)；

所述高地温模拟***包括电源以及与所述电源电连接的电阻丝格栅(31)，所述电阻丝格栅(31)埋设在所述填充层(16)中；

所述数据采集***分别与所述围岩模拟层(40)以及所述隧道结构模拟***(20)连接。

2.根据权利要求1所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述隧道结构模拟***(20)包括从外到内依次设置的初期支护(21)和二次衬砌(23)；所述隧道结构模拟***(20)还包括隔热层(24)，所述隔热层(24)设置在所述初期支护(21)与所述二次衬砌(23)之间或者设置在所述二次衬砌(23)的内侧。

3.根据权利要求2所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集***包括分别与数据采集计算器通信连接的热通量板(51)、多个第一温度传感器(52)和多个第二温度传感器(53)；所述热通量板(51)设置在所述导热内层(15)的内侧，所述围岩模拟层(40)设置在所述热通量板(51)与所述隧道结构模拟***(20)之间；所述第一温度传感器(52)埋设在所述围岩模拟层(40)中，所述第二温度传感器(53)设置在所述初期支护(21)、二次衬砌(23)以及隔热层(24)上。

4.根据权利要求3所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，还包括渗流模拟***；所述渗流模拟***包括：输水装置以及水管组件(60)，所述水管组件(60)与所述围岩模拟层(40)连通。

5.根据权利要求4所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述水管组件(60)包括主管(61)、多根径向送水管(62)以及多根竖向渗流管(63)；所述主管(61)与所述输水装置连通；所有径向水管(62)位于同一平面并设置在所述隔热底座(12)内，所有径向送水管(62)形成分布圆，所有径向送水管(62)沿所述分布圆的径向间隔排列，所述径向送水管(62)的一端靠近分布圆圆心并与所述主管(61)连通，所述径向送水管(62)的另一端分别与所述竖向渗流管(63)连通；所述竖向渗流管(63)的侧壁设有多个小孔，所述竖向渗流管(63)靠近所述导热内层(15)。

6.根据权利要求5所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述输水装置设有调节水温的温控***，所述主管(61)设有流量控制器。

7.根据权利要求6所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述初期支护(21)设有连通其内外侧的透水孔，所述初期支护(21)与所述二次衬砌(23)之间设有透水层(22)。

8.根据权利要求7所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集***还包括埋设与所述围岩模拟层(40)内的多个流速传感器(54)和多个流量传感器(55)，所述流速传感器(54)和所述流量传感器分别与数据采集计算器通信连接；多个第一温度传感器(52)、多个流速传感器(54)和多个流量传感器(55)分别沿所述围岩模拟层(40)的径向均匀间隔设置，并且三种传感器环向间隔60°设置。

9.根据权利要求1所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述地层模拟***还包括设置在所述地温产生筒(11)内的网筛(17)，所述网筛(17)与所述隔热底座(12)连接，所述隧道结构模拟***(20)置于所述网筛(17)内并与所述网筛(17)接触。

10.根据权利要求1至9任一项所述的高地温围岩隧道结构模拟试验装置，其特征在于，所述高地温模拟***还包括与所述电阻丝格栅(31)连接的温度控制器。

Images