一种管幕冻结施工温度场模型实验装置及实验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种管幕冻结施工温度场模型实验装置及实验方法，温度场模型实验装置包括：箱体、冻结系统、限位系统；箱体内填充有土体，土体内设置有顶管，顶管内设有冻结管和限位管，顶管外侧连接有测点固定线，测点固定线上连接有多个测点；冻结系统包括冷冻盐水进液管和冷冻盐水回液管，限位系统包括限位盐水进液管和限位盐水回液管，且均与冻结管和限位管连通；本发明专利技术提供的实验装置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】
一种管幕冻结施工温度场模型实验装置及实验方法
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装置及实验方法。
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。同时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装置及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装置，优选，所述温度场模型实验装置包括：箱体、冻结系统、限位系统、第一数据采集系统和第二数据采集系统；所述箱体内填充有土体，所述土体内设置有顶管，所述顶管内设有冻结管和限位管，所述顶管外侧连接有测点固定线，所述测点固定线上连接有多个测点；所述冻结系统包括冷冻盐水进液管和冷冻盐水回液管，所述冷冻盐水进液管与所述冻结管的前端连通，所述冻结管的后端与所述冷冻盐水回液管连通；所述限位系统包括限位盐水进液管和限位盐水回液管，所述限位盐水回液管与所述限位管的前端连通，所述限位管的后端与所述限位盐水回液管连通；所述第一数据采集系统包括TDS数据采集仪，所述TDS数据采集仪通过第一测线与所述箱体内的测点连接；所述第二数据采集系统包括CW数据采集仪，所述CW数据采集仪通过第二测线与所述箱体内的测点连接。如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述冻结系统还包括制冷机组、冷冻盐水分流器、冷冻盐水合流器和冻结软管；所述冷冻盐水分流器与冷冻盐水合流器均位于所述制冷机组与所述冻结管之间，所述冷冻盐水分流器的前端通过冻结软管与所述制冷机组的出液端导通；所述冷冻盐水分流器的后端通过冻结软管与多个所述冻结管的前端导通；所述冷冻盐水合流器的前端通过冻结软管与多个所述冻结管的后端相连，所述冷冻盐水合流器的后端通过冻结软管与所述制冷机组的回液端连通；所述限位系统还包括恒温加热器、限位盐水分流器、限位盐水合流器和限位软管；所述限位盐水分流器与限位盐水合流器均位于所述恒温加热器与所述限位管之间，所述限位盐水分流器的前端通过限位软管与所述恒温加热器的出液端导通；所述限位盐水分流器的后端通过限位软管与多个所述限位的前端导通；所述限位盐水合流器的前端通过限位软管与多个所述限位管的后端相连，所述限位盐水合流器的后端通过限位软管与所述恒温加热器的回液端连通；所述第一数据采集系统还包括热电偶串，所述热电偶串通过第一测线与所述TDS数据采集仪连接；所述第二数据采集系统还包括光纤探头，所述光纤探头通过第二测线与所述CW数据采集仪连接。如上所述一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述箱体呈长方体中空状，所述箱体顶部敞口；所述箱体的内壁表面均匀的铺设有复合硬质聚氨酯保温层，用于实验时减少箱体内部热量散失；所述箱体还适配设有箱盖，所述箱盖可适配盖设在所述箱体上，所述箱盖中心处的前后两侧设有两个箱体盖板预留孔，便于实验数据采集测线的引出。如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，所述箱体包括左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板；所述左侧板、右侧板、前侧板和后侧板的内壁两两相交的棱处，沿所述箱体的高度方向各开设有一条刻度线；用于方便控制箱体的填土深度；与所述前侧板的中心同一水平高度处，沿所述前侧板的宽度方向均匀设有顶管孔，五个所述顶管孔从左至右依次为第一顶管孔、第二顶管孔、第三顶管孔、第四顶管孔和第五顶管孔；五个所述顶管孔均沿与所述前侧板垂直的方向延伸贯通至所述后侧板的外表面；所述第一顶管孔、第三顶管孔和第五顶管孔内设有第一类顶管，所述第二顶管孔和第四顶管孔内设有第二类顶管；所述第一类顶管由冻结管和空心顶管a组成；所述空心顶管a中心轴所在的虚拟水平面与所述空心顶管a内壁的两个交线分别为左交线a和右交线a；所述左交线a的上下两侧沿所述空心顶管a长度方向各设有冻结管，所述右交线a的上下两侧与所述左交线a的相对位置处设有冻结管，所述冻结管的一端与所述空心顶管a的前端面齐平，所述冻结管的另一端与所述空心顶管a的后端齐平；左侧的两个所述冻结管与右侧的两个所述冻结管外侧均设有水泥层，用于将冻结管粘结在所述空心顶管内壁；所述第二类顶管包括冻结管、限位管和实心顶管；所述实心顶管由空心顶管b内浇筑混凝土组成，所述混凝土在所述空心顶管b内形成水泥柱；所述实心顶管的中轴线所在的虚拟水平面与空心顶管b内侧壁的交线分别为左交线b和右交线b，所述左交线b和所述右交线b处沿所述实心顶管的长度方向均设有冻结管；所述冻结管的前端面与所述实心顶管的前端面齐平，所述冻结管的后端面与所述实心顶管的后端面齐平；所述实心顶管的中轴线所在的虚拟竖直面与空心顶管b内侧壁的交线分别为上交线b和下交线b，所述上交线b和所述下交线b处沿所述实心顶管的长度方向均设有限位管；所述限位管的前端面与所述实心顶管的前端面齐平，所述限位管的后端面与所述实心顶管的后端面齐平；所述箱体前侧板外侧壁上设有冻结管分流器支架和限位管分流器支架，所述冻结管分流器支架位于五个所述顶管孔的上方，所述限位管分流器支架位于五个所述顶管孔的下方，所述冻结管分流器支架与所述限位管分流器支架均呈条形角铁状，所述冻结管分流器支架与所述限位管分流器支架均沿所述前侧板的宽度方向设置；所述后侧板与所述前侧板相对位置处设有冻结管合流器支架和限位管合流器支架；所述冻结管合流器支架和限位管合流器支架也均呈条形角铁状；所述箱体还包括钢内撑，所述钢内撑呈长方体薄板状，所述钢内撑的一端连接在所述前侧板的内表面，所述钢内撑的另一端延伸抵触至所述后侧板的内表面，所述钢内撑的上表面与所述前侧板和所述后侧板的上端面平齐；五个所述钢内撑分别对应的位于五个所述顶管孔的正上方。如上所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，优选，过所述箱体中心，且与所述左侧板和右侧板均垂直的虚拟平面为平面a，每个所述钢内撑上沿所述钢内撑厚度方向均开设有两个顶部测点定位孔，所述顶部测点定位孔位于所述平面a两侧，且沿所述平面a对称；沿所述顶部测点定位孔竖直向下的所述底板的内表面上对应的设有底部测点定位螺母；过所述箱体中心，且与所述前侧板和后侧板均垂直的虚拟平面为平面b，所述平面b与所述所左侧板的内壁的交线为交线c，所述平面b与所述右侧板内壁的交本文档来自技高网...

【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装置，其特征在于，所述温度场模型实验装置包括：箱体、冻结系统、限位系统、第一数据采集系统和第二数据采集系统；所述箱体内填充有土体，所述土体内设置有顶管，所述顶管内设有冻结管和限位管，所述顶管外侧连接有测点固定线，所述测点固定线上连接有多个测点；所述冻结系统包括冷冻盐水进液管和冷冻盐水回液管，所述冷冻盐水进液管与所述冻结管的前端连通，所述冻结管的后端与所述冷冻盐水回液管连通；所述限位系统包括限位盐水进液管和限位盐水回液管，所述限位盐水回液管与所述限位管的前端连通，所述限位管的后端与所述限位盐水回液管连通；所述第一数据采集系统包括TDS数据采集仪，所述TDS数据采集仪通过第一测线与所述箱体内的测点连接；所述第二数据采集系统包括CW数据采集仪，所述CW数据采集仪通过第二测线与所述箱体内的测点连接。

【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装置，其特征在于，所述温度场模型实验装置包括：箱体、冻结系统、限位系统、第一数据采集系统和第二数据采集系统；所述箱体内填充有土体，所述土体内设置有顶管，所述顶管内设有冻结管和限位管，所述顶管外侧连接有测点固定线，所述测点固定线上连接有多个测点；所述冻结系统包括冷冻盐水进液管和冷冻盐水回液管，所述冷冻盐水进液管与所述冻结管的前端连通，所述冻结管的后端与所述冷冻盐水回液管连通；所述限位系统包括限位盐水进液管和限位盐水回液管，所述限位盐水回液管与所述限位管的前端连通，所述限位管的后端与所述限位盐水回液管连通；所述第一数据采集系统包括TDS数据采集仪，所述TDS数据采集仪通过第一测线与所述箱体内的测点连接；所述第二数据采集系统包括CW数据采集仪，所述CW数据采集仪通过第二测线与所述箱体内的测点连接。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装置，其特征在于，所述冻结系统还包括制冷机组、冷冻盐水分流器、冷冻盐水合流器和冻结软管；所述冷冻盐水分流器与冷冻盐水合流器均位于所述制冷机组与所述冻结管之间，所述冷冻盐水分流器的前端通过冻结软管与所述制冷机组的出液端导通；所述冷冻盐水分流器的后端通过冻结软管与多个所述冻结管的前端导通；所述冷冻盐水合流器的前端通过冻结软管与多个所述冻结管的后端相连，所述冷冻盐水合流器的后端通过冻结软管与所述制冷机组的回液端连通；所述限位系统还包括恒温加热器、限位盐水分流器、限位盐水合流器和限位软管；所述限位盐水分流器与限位盐水合流器均位于所述恒温加热器与所述限位管之间，所述限位盐水分流器的前端通过限位软管与所述恒温加热器的出液端导通；所述限位盐水分流器的后端通过限位软管与多个所述限位的前端导通；所述限位盐水合流器的前端通过限位软管与多个所述限位管的后端相连，所述限位盐水合流器的后端通过限位软管与所述恒温加热器的回液端连通；所述第一数据采集系统还包括热电偶串，所述热电偶串通过第一测线与所述TDS数据采集仪连接；所述第二数据采集系统还包括光纤探头，所述光纤探头通过第二测线与所述CW数据采集仪连接。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装置，其特征在于，所述箱体呈长方体中空状，所述箱体顶部敞口；所述箱体的内壁表面均匀的铺设有复合硬质聚氨酯保温层，用于实验时减少箱体内部热量散失；所述箱体还适配设有箱盖，所述箱盖可适配盖设在所述箱体上，所述箱盖中心处的前后两侧设有两个箱体盖板预留孔，便于实验数据采集测线的引出。4.如权利要求2所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，其特征在于，所述箱体包括左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板；所述左侧板、右侧板、前侧板和后侧板的内壁两两相交的棱处，沿所述箱体的高度方向各开设有一条刻度线；用于方便控制箱体的填土深度；与所述前侧板的中心同一水平高度处，沿所述前侧板的宽度方向均匀设有顶管孔，五个所述顶管孔从左至右依次为第一顶管孔、第二顶管孔、第三顶管孔、第四顶管孔和第五顶管孔；五个所述顶管孔均沿与所述前侧板垂直的方向延伸贯通至所述后侧板的外表面；所述第一顶管孔、第三顶管孔和第五顶管孔内设有第一类顶管，所述第二顶管孔和第四顶管孔内设有第二类顶管；所述第一类顶管由冻结管和空心顶管a组成；所述空心顶管a中心轴所在的虚拟水平面与所述空心顶管a内壁的两个交线分别为左交线a和右交线a；所述左交线a的上下两侧沿所述空心顶管a长度方向各设有冻结管，所述右交线a的上下两侧与所述左交线a的相对位置处设有冻结管，所述冻结管的一端与所述空心顶管a的前端面齐平，所述冻结管的另一端与所述空心顶管a的后端齐平；左侧的两个所述冻结管与右侧的两个所述冻结管外侧均设有水泥层，用于将冻结管粘结在所述空心顶管内壁；所述第二类顶管包括冻结管、限位管和实心顶管；所述实心顶管由空心顶管b内浇筑混凝土组成，所述混凝土在所述空心顶管b内形成水泥柱；所述实心顶管的中轴线所在的虚拟水平面与空心顶管b内侧壁的交线分别为左交线b和右交线b，所述左交线b和所述右交线b处沿所述实心顶管的长度方向均设有冻结管；所述冻结管的前端面与所述实心顶管的前端面齐平，所述冻结管的后端面与所述实心顶管的后端面齐平；所述实心顶管的中轴线所在的虚拟竖直面与空心顶管b内侧壁的交线分别为上交线b和下交线b，所述上交线b和所述下交线b处沿所述实心顶管的长度方向均设有限位管；所述限位管的前端面与所述实心顶管的前端面齐平，所述限位管的后端面与所述实心顶管的后端面齐平；所述箱体前侧板外侧壁上设有冻结管分流器支架和限位管分流器支架，所述冻结管分流器支架位于五个所述顶管孔的上方，所述限位管分流器支架位于五个所述顶管孔的下方，所述冻结管分流器支架与所述限位管分流器支架均呈条形角铁状，所述冻结管分流器支架与所述限位管分流器支架均沿所述前侧板的宽度方向设置；所述后侧板与所述前侧板相对位置处设有冻结管合流器支架和限位管合流器支架；所述冻结管合流器支架和限位管合流器支架也均呈条形角铁状；所述箱体还包括钢内撑，所述钢内撑呈长方体薄板状，所述钢内撑的一端连接在所述前侧板的内表面，所述钢内撑的另一端延伸抵触至所述后侧板的内表面，所述钢内撑的上表面与所述前侧板和所述后侧板的上端面平齐；五个所述钢内撑分别对应的位于五个所述顶管孔的正上方。5.如权利要求4所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，其特征在于，过所述箱体中心，且与所述左侧板和右侧板均垂直的虚拟平面为平面a，每个所述钢内撑上沿所述钢内撑厚度方向均开设有两个顶部测点定位孔，所述顶部测点定位孔位于所述平面a两侧，且沿所述平面a对称；沿所述顶部测点定位孔竖直向下的所述底板的内表面上对应的设有底部测点定位螺母；过所述箱体中心，且与所述前侧板和后侧板均垂直的虚拟平面为平面b，所述平面b与所述所左侧板的内壁的交线为交线c，所述平面b与所述右侧板内壁的交线为交线d，所述交线c和交线d处各设有若干个水平测点定位螺母，所述平面b绕所述箱体的与前侧板和后侧板垂直的中心轴顺时针旋转45°的虚拟平面为平面c，所述平面c与所述左侧板的交线为交线e，所述平面c与所述有侧面的交线为交线f，所述交线e和所述交线f处各设有若干个45°测点定位螺母。6.如权利要求4所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，其特征在于，所述冷冻盐水分流器连接在所述冻结管分流器支架上；所述冷冻盐水合流器设置在所述冻结管合流器支架上；所述限位盐水分流器连接在所述限位管分流器支架上；所述限位盐水合流器连接在所述限位管合流器支架上；所述第一测线和第二测线由箱体内经过所述盖板上的盖板预留孔穿出并延伸至第一数据采集系统和第二数据采集系统。7.如权利要求4所述的所述的一种浅埋隧道管幕冻结施工温度场模型实验装置，其特征在于，所述冻结管分流器支架，限位管分流器支架，冻结管合流器支架以及限位管合流器支架的下端还设有斜撑，所述斜撑的一端连接在所述箱体的外表面，所述斜撑的...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣传新，程桦，蔡海兵，段寅，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，
类型：发明
国别省市：安徽,34