一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法技术

本发明专利技术提供一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，温度场模型实验方法包括如下步骤：步骤1，实验准备：预制实验用的冻结管、顶管、限位管和箱体；步骤2，实验设备组装：完成顶管、测点的安装，组装成实验用的实验箱；步骤3，冻结模拟：设定限位盐水循环的温度和时间，维持冻结壁的壁厚；步骤4，实验数据处理：根据实验数据绘制每个方向温度测点上温度随时间变化的曲线图；本发明专利技术提供的实验方法可以模拟不同冻结温度下，管幕冻结温度场的发展变化规律与分布特点；通过对比不同限位盐水温度下，限位管对冻结壁弱化的影响效果；从而优选出合适的冻结温度、限位温度以及合适的冻结时间，为管幕冻结法的进一步推广运用提出指导意见。

【技术实现步骤摘要】
一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法
本专利技术属于隧道工程领域，具体涉及一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法。
技术介绍
管幕冻结施工以一定数量的顶管组成受力结构，通过顶管内安装冻结管的方式，对管幕周围含水地层进行冻结，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌作业。进而在管幕内部进行隧道开挖施工。该施工方法充分结合了人工冻结法和管幕法的优势，成为一种新的隧道施工方法。该方法是一种适用于富水地层浅埋隧道开挖的施工方法。但是该方法也有一定的风险，供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕范围和强度退化，在流水作用下冻土可快速消融；冻结不当会产生冻胀融沉，对环境有一定的影响，严重时具有一定的破坏力，融沉控制不当可导致结构差异沉降和长期沉降。目前该方法实际工程案例极少，缺少对施工过程中温度场分布及变化规律全面系统的研究，阻碍了该方法的进一步推广利用。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的富水砂层浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验箱来进行相似模型实验，以便形象直观的研究管幕冻结的温度场变化规律。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法以至少解决现有技术中存在的无法对管幕冻结法进行温度场相似模型实验的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，优选，所述温度场模型实验方法包括如下步骤：步骤1，实验准备：预制实验用的冻结管、顶管、限位管和箱体，准备实验用的相似材料和辅助设备；步骤2，实验设备组装：在步骤1的基础上完成顶管的安装，测点的安装，并将顶管连入冻结系统、限位系统、第一数据采集系统以及第二数据采集系统，组装成实验用的实验箱；步骤3，冻结模拟：将步骤2组装成的实验箱，根据冻结情况设定冻结盐水循环的温度和时间，设定限位盐水循环的温度和时间，维持冻结壁的壁厚；步骤4，实验数据处理：在步骤3所述的冻结模拟结束后，根据实验数据绘制每个方向温度测点上温度随时间变化的曲线图，并将水平、竖直和45°方向的曲线图组合到一起进行对比以及实验验证分析。如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，优选，所述步骤1具体还包括如下步骤：步骤11，箱体的制作：箱体采用钢板焊接，箱体的前侧板至后侧板上贯通开设有与顶管数量相对应的预留顶管孔，外径尺寸相适配，在箱体内壁均匀的铺设一层保温材料；在箱体内侧的四条竖直的棱处标刻刻度线，刻度线以10mm为单位；在箱体内按要求设置测点定位螺母，并在箱体的前侧板安装分流管支架，在箱体的后侧板上设置合流管支架；步骤12，顶管的制作：取一段钢管，截取五段，用来模拟现场的顶管，取紫铜管作为冻结管和限位管；在钢管内壁设置四根冻结管，其中钢管内壁最左侧和最右侧各上下设置两根冻结管，并用混凝土层包裹固定在钢管内壁；制成第一类顶管模型；在钢管内放置两根冻结管和两根限位管，其中钢管内壁最左侧和最右侧各设置一根冻结管，钢管内壁最上端和最下端各设置一根限位管，钢管内浇筑C30细石混凝土填充，制成第二类顶管模型；步骤13，顶管的组合方案的确定：确定第一种组合方案，取第一类顶管3根与第二类顶管2根共五根，顶管孔中从左至右依次为：第一类顶管、第二类顶管、第一类顶管、第二类顶管和第一类顶管；确定第二种组合方案，取第一类顶管2根与第二类顶管3共五根，顶管孔中从左至右依次为：第二类顶管、第一类顶管、第二类顶管、第一类顶管和第二类顶管。如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，优选，所述步骤2具体包括如下步骤：步骤21，水平测点和45°测点安装：将制作好的顶管按照第一种组合方案设置，通过箱体的前侧板上的顶管孔推进安装至箱体中；在箱体的底部测点定位螺母、水平测点定位螺母、45°测点定位螺母和顶管之间拉上直线，并用胶带和扎丝对底部测点、水平测点和45°测点进行定位和安装；步骤22，箱体填土：测点安装完成后，按照实际工程的地层情况，进行箱体内的填土工作，每层填土厚度可以通过刻度线进行控制；步骤23，竖向测点安装：箱体填土完成一半时，进行钢内撑的安装，钢内撑安装完成后，在顶部测点定位孔和顶管之间拉上直线，用胶带和扎丝对顶管上方竖向测点进行定位与安装；之后继续完成剩余填土工作，最后盖上盖板；将所有测点通过2根测线从盖板预留孔中引出，与数据采集系统相连；步骤24，顶管连入系统：在箱体前侧板处的顶管孔处，沿顶管预留切割线将外露的顶管切除，将所有顶管的冻结管与冻结系统分流器上的端头相连；将第二类顶管内所有限位管与限位系统分流器上的端头相连，将冻结管分流器和限位管分流器放置在箱体前侧板外的两个分流器支架上；箱体后侧板的连接以及安装方式与前侧板一致；将冻结系统、冻结系统进液管、冻结系统回液管与冻结系统分流器相连和冻结系统合流器相连；将恒温加热器、恒温加热器进液管、恒温加热器回液管与限位系统分流器和限位系统合流器相连。如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，优选，所述步骤3具体包括如下步骤：步骤31，冻结模拟前的实验设备调试：检查第一数据采集系统和第二数据采集系统的测线连接情况，检查制冷箱体的运转情况；步骤32，冻结模拟：开启冻结系统，使系统内的制冷剂温度下降到温度设计值T1，打开低温盐水进液管阀门和低温盐水电子流量计，开启冻结盐水循环；通过调整进液管阀门使低温盐水流量达到设计值w1，当冻结系统循环开启时间达到时间设计值t1时，开启限位系统，使限位系统内的恒温加热器温度上升到温度设计值T2，打开限位盐水进液管阀门和限位盐水电子流量计，开启限位盐水循环，通过调整限位盐水阀门使限位盐水流量达到设计值w2，保持冻结系统盐水循环以及限位系统盐水循环开启时间t2后，对冻结壁的形成情况进行判断，当冻结壁厚度达到设计值时，关闭限位系统，并将冻结系统温度调节至设计温度T3，进入维护冻结阶段；当冻结壁的厚度大于设计值时，继续开启限位循环系统，并保持该循环盐水流量为w3直至冻结壁厚度达到设计值；在整个冻结过程中，每间隔时间Δt进行一次数据采集；步骤33，冻土层解冻：关闭冻结循环，只保持限位循环，进行强制解冻，直至冻结壁解冻，拆卸实验设备；步骤34，选取顶管的第二种组合方案，重复以上所有步骤。如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，优选，所述步骤4具体包括如下步骤：步骤41，绘制温度随时间的变化规律曲线图：取第一种组合方案的顶管的实验数据，将每一根热电偶串上每个温度测点的数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点温度随时间的变化规律；将竖向测点沿水平方向的温度数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出管幕冻结壁的厚度随时间变化的发展规律；步骤42、曲线图的对比以及分析：将水平、竖直、和45°3个方向测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置的温度分布规律；将第一数据采集系统和第二数据采集系统的数据进行对比分析，以验证试验数据的可靠性；对比三种不同冻结温度下，管幕冻结温度场的发展变化规律与分布特点；对比三种不同限位盐水温度下，限位管对冻结壁弱化的影响效果；从而优选出合适的冻结温度、限位温度以及合适的冻结时间。如上所述的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，其特征在于，所述温度场模型实验方法包括如下步骤：步骤1，实验准备：预制实验用的冻结管、顶管、限位管和箱体，准备实验用的相似材料和辅助设备；步骤2，实验设备组装：在步骤1的基础上完成顶管的安装，测点的安装，并将顶管连入冻结系统、限位系统、第一数据采集系统以及第二数据采集系统，组装成实验用的实验箱；步骤3，冻结模拟：将步骤2组装成的实验箱，根据冻结情况设定冻结盐水循环的温度和时间，设定限位盐水循环的温度和时间，维持冻结壁的壁厚；步骤4，实验数据处理：在步骤3所述的冻结模拟结束后，根据实验数据绘制每个方向温度测点上温度随时间变化的曲线图，并将水平、竖直和45°方向的曲线图组合到一起进行对比以及实验验证分析。

【技术特征摘要】
1.一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，其特征在于，所述温度场模型实验方法包括如下步骤：步骤1，实验准备：预制实验用的冻结管、顶管、限位管和箱体，准备实验用的相似材料和辅助设备；步骤2，实验设备组装：在步骤1的基础上完成顶管的安装，测点的安装，并将顶管连入冻结系统、限位系统、第一数据采集系统以及第二数据采集系统，组装成实验用的实验箱；步骤3，冻结模拟：将步骤2组装成的实验箱，根据冻结情况设定冻结盐水循环的温度和时间，设定限位盐水循环的温度和时间，维持冻结壁的壁厚；步骤4，实验数据处理：在步骤3所述的冻结模拟结束后，根据实验数据绘制每个方向温度测点上温度随时间变化的曲线图，并将水平、竖直和45°方向的曲线图组合到一起进行对比以及实验验证分析。2.如权利要求1所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，其特征在于，所述步骤1具体还包括如下步骤：步骤11，箱体的制作：箱体采用钢板焊接，箱体的前侧板至后侧板上贯通开设有与顶管数量相对应的预留顶管孔，外径尺寸相适配，在箱体内壁均匀的铺设一层保温材料；在箱体内侧的四条竖直的棱处标刻刻度线，刻度线以10mm为单位；在箱体内按要求设置测点定位螺母，并在箱体的前侧板安装分流管支架，在箱体的后侧板上设置合流管支架；步骤12，顶管的制作：取一段钢管，截取五段，用来模拟现场的顶管，取紫铜管作为冻结管和限位管；在钢管内壁设置四根冻结管，其中钢管内壁最左侧和最右侧各上下设置两根冻结管，并用混凝土层包裹固定在钢管内壁；制成第一类顶管模型；在钢管内放置两根冻结管和两根限位管，其中钢管内壁最左侧和最右侧各设置一根冻结管，钢管内壁最上端和最下端各设置一根限位管，钢管内浇筑C30细石混凝土填充，制成第二类顶管模型；步骤13，顶管的组合方案的确定：确定第一种组合方案，取第一类顶管3根与第二类顶管2根共五根，顶管孔中从左至右依次为：第一类顶管、第二类顶管、第一类顶管、第二类顶管和第一类顶管；确定第二种组合方案，取第一类顶管2根与第二类顶管3共五根，顶管孔中从左至右依次为：第二类顶管、第一类顶管、第二类顶管、第一类顶管和第二类顶管。3.如权利要求1所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：步骤21，水平测点和45°测点安装：将制作好的顶管按照第一种组合方案设置，通过箱体的前侧板上的顶管孔推进安装至箱体中；在箱体的底部测点定位螺母、水平测点定位螺母、45°测点定位螺母和顶管之间拉上直线，并用胶带和扎丝对底部测点、水平测点和45°测点进行定位和安装；步骤22，箱体填土：测点安装完成后，按照实际工程的地层情况，进行箱体内的填土工作，每层填土厚度可以通过刻度线进行控制；步骤23，竖向测点安装：箱体填土完成一半时，进行钢内撑的安装，钢内撑安装完成后，在顶部测点定位孔和顶管之间拉上直线，用胶带和扎丝对顶管上方竖向测点进行定位与安装；之后继续完成剩余填土工作，最后盖上盖板；将所有测点通过2根测线从盖板预留孔中引出，与数据采集系统相连；步骤24，顶管连入系统：在箱体前侧板处的顶管孔处，沿顶管预留切割线将外露的顶管切除，将所有顶管的冻结管与冻结系统分流器上的端头相连；将第二类顶管内所有限位管与限位系统分流器上的端头相连，将冻结管分流器和限位管分流器放置在箱体前侧板外的两个分流器支架上；箱体后侧板的连接以及安装方式与前侧板一致；将冻结系统、冻结系统进液管、冻结系统回液管与冻结系统分流器相连和冻结系统合流器相连；将恒温加热器、恒温加热器进液管、恒温加热器回液管与限位系统分流器和限位系统合流器相连。4.如权利要求1所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：步骤31，冻...

【专利技术属性】
技术研发人员：段寅，程桦，荣传新，蔡海兵，姚直书，王彬，解德柱，武汉，丁行龙，
申请(专利权)人：安徽理工大学，淮南联合大学安徽广播电视大学淮南分校淮南职工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34