一种地铁联络通道冻结模拟试验系统技术方案

本发明专利技术实施例提供了一种地铁联络通道冻结模拟试验系统，包括：模型箱体，包括进水室、填土室和出水室，用于模拟地铁联络通道的环境；制冷循环模块，包括冷浴机和设置在模拟箱体上的冻结管组，用于向模拟箱体提供低温环境，以模拟冻结施工时的低温环境；渗流模块，包括水箱、加热器以及循环管路，用于向模型箱体注水，以模拟地铁联络通道的渗流回液；以及监测模块，包括传感器组和采集器，用于对模拟的地铁联络通道的环境数据进行实时监测。地铁联络通道的环境数据进行实时监测。地铁联络通道的环境数据进行实时监测。

【技术实现步骤摘要】
一种地铁联络通道冻结模拟试验系统


[0001]本专利技术涉及城市轨道交通建造
，尤其涉及一种地铁联络通道冻结模拟试验系统

技术介绍

[0002]近年来，我国地铁的建设与运营里程呈爆发式增长。例如，截止到2020年底，北京地铁的总运营里程已达到727km。根据规划，到2050年北京地铁运营线路将超过1000km。北京地区以往的市政轨道暗挖工程多以降水施工为主，日降水量可达25
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60万立方，年降水量可达数亿立方，造成地下水资源的极大浪费，因此自2017年开始禁止工程建设抽取地下水。作为不降水施工的典型方法，人工冻结法在矿井、隧道、基坑等地下工程领域得到广泛推广。人工冻结法是指在复杂水文地质条件下掘进各类地下工程时，在其四周建造起临时冻结壁，用以隔绝冻结壁内、外地下水的联系并抵抗水土压力，保证含水土体在掘进施工中的稳定性，其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土性质亟待实现加固地层的目的。
[0003]人工冻土的强度是评价冻结壁稳定性的重要理论基础，其受冻结壁温度和厚度的影响显著。与天津地区软土、华东地区黏土与砂质粉土、华南地区红壤土相比，北京位于太行山、燕山和华北平原结合部，主要坐落于永定河冲洪积扇上，地下水赋存状态复杂。地铁沿线广泛分布砂卵石地层，渗流性极强，冻结温度场受地下水渗流作用影响明显，在冻结过程中具有一定的特殊性，无法直接借鉴其他城市冻结施工的研究成果。地下水渗流是影响冻结温度场的核心因素，地层中地下水的流动会源源不断地补充冻结区域的热量，导致冻结温度场分布和发展规律与静水条件存在较大差异，冻结壁平均温度和厚度不及预期，严重制约冻结工程的安全推进。
[0004]人工冻结法加固地层过程中，伴随热交换的持续进行，地层温度不断降低，当温度达到冰点时，受孔隙水原位冻结和未冻区水分迁移引起的分凝冻结影响，土体体积显著增加，从而造成地表不均匀变形；冻结施工结束后，随着地层温度的升高，冻结土体逐渐消融，叠加上覆荷载作用下发生的土颗粒挤密和重排列过程，地层出现明显的融沉现象。考虑到城市地铁联络通道周边错综复杂的环境，若不能有效控制冻胀融沉量，将对上部结构或建筑物的基础以及相邻的市政管网设施带来不良影响，造成巨大的经济损失和社会影响。
[0005]鉴于此，渗流条件下砂卵石地层联络通道冻结壁形成规律及周围环境效应有待深入研究。目前此类问题的研究方法主要包括数值模拟、现场试验和模型试验。数值模拟的模型简化、参数选取和边界条件对计算结果具有重要影响，考虑到联络通道冻结工程的复杂性，其计算结果对实际工程的指导作用有待商榷；现场试验可信度高，能反应现场实际情况，但试验过程中经费和精力消耗极大，且不具备重复试验的可能性；模型试验经费可控，且可信度较高，是研究复杂工程问题的重要手段。但现有冻结法相关的模型试验研究主要考虑静水或低速渗流条件下的地层冻结，且大部分模拟的对象是黏土、砂土等细颗粒土，模拟黏土和砂土组合地层的人工冻结，而砂卵石地层渗流性极强，冻结温度场及变形场受渗流作用影响显著，在冻结过程中具有一定的特殊性，无法直接借鉴细粒土冻结的研究成果。
此外，大部分模型试验的冻结管采用单管、单排管或多排管布置方式，此类布管方式主要模拟地铁车站地板或基坑冻结等实际工程，而联络通道为直墙拱顶结构，其冻结管布置方案与上述布管方案存在较大差异，试验方案的测试结果能否反应联络通道冻结温度场和变形场的发展规律也没有确切结论。

技术实现思路

[0006]本专利技术的实施例提供了一种地铁联络通道冻结模拟试验系统，以克服现有技术的缺陷。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0008]一方面，本专利技术提供一种地铁联络通道冻结模拟试验系统，包括：
[0009]模型箱体，包括进水室、填土室和出水室，用于模拟地铁联络通道的环境；
[0010]制冷循环模块，包括冷浴机和设置在模拟箱体上的冻结管组，用于向模拟箱体提供低温环境，以模拟冻结施工时的低温环境；
[0011]渗流模块，包括水箱、加热器以及循环管路，用于向模型箱体注水，以模拟地铁联络通道的渗流回液；以及
[0012]监测模块，包括传感器组和采集器，用于对模拟的地铁联络通道的环境数据进行实时监测。
[0013]可选地，模型箱体的一侧壁上设置有与进水室连通的渗流进液管，模型箱体的另一侧壁上设置有与出水室连通的渗流出液管。
[0014]可选地，冻结管组包括设置在模拟箱体内的多个冻结管以及分别设置在多个冻结管两端的进液干管和出液干管，用于形成冷冻液循环回路；制冷模块还包括防冻管，用于分别连接冷浴机和进液干管、冷浴机和出液干管，用于形成防冻液循环回路。
[0015]可选地，渗流模块还包括：动力泵，设置在循环管路上；压力表，设置在循环管路上，用于监测压力；以及流量计，设置在循环管路上，用于监测流量。
[0016]可选地，传感器包括温度传感器、应力传感器以及形变传感器，采集器包括Campbell CR6系列和多台通道扩展板。
[0017]可选地，该系统的设计方法包括如下步骤：
[0018]通过量纲分析，得出模型试验影响因素的相似准则；
[0019]根据地铁联络通道的环境，确定地铁联络通道冻结模拟试验系统的相似比，相似比包括几何相似比、材料相似比、时间相似比、盐水流量相似比、地下水流速相似比、荷载相似比；
[0020]根据第一预定数据，设计模型箱体，第一预定数据包括几何相似比、材料强度及刚度条件、控制初始水头差；
[0021]根据第二预定数据，设计制冷循环模块，第二预定数据包括盐水流量相似比、预定联络通道布管结构和预定能耗需求；
[0022]根据第三预定数据，设计渗流模块，第三预定数据包括地下水流速相似比、水温相似比和预定试验流速；
[0023]根据地铁联络通道冻结模拟试验系统的预定测试规律、拟测试对象以及测试精度要求，设计监测模块。
[0024]可选地，模型试验影响因素包括温度场、渗流场和应力场。
[0025]可选地，模拟箱体的设计方法还包括：
[0026]在模拟箱体两侧分别设置进水室和出水室，用于减小地下水对试验土体的直接冲刷作用；
[0027]进水室和出水室内侧均设置二层250目钢丝滤网，用于防止细颗粒土的流失与进入系统的管路；
[0028]将出水室分隔为四个独立的空腔，分别连接渗流出液管，用于减小储水室水头差引起的各地层不同初始流速；
[0029]填土时设置四层定制的铜隔板，用于尽量减小地下水受重力作用下渗，隔板与冻结管之间采用防水胶止水。
[0030]可选地，制冷循环模块的设计方法还包括：
[0031]根据能耗需求选择指定功率的冷浴机；
[0032]将实际冻结工程的布管方案按照合理相似比设计冻结管组，且选用与现场冻结管相同的材料制成冻结管组；
[0033]在每根冻结管两侧设置电磁阀，控制每根冻结管的开闭。
[0034]可选地，渗流模块的设计方法还包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地铁联络通道冻结模拟试验系统，其特征在于，包括：模型箱体，包括进水室、填土室和出水室，用于模拟地铁联络通道的环境；制冷循环模块，包括冷浴机和设置在所述模拟箱体上的冻结管组，用于向所述模拟箱体提供低温环境，以模拟冻结施工时的低温环境；渗流模块，包括水箱、加热器以及循环管路，用于向所述模型箱体注水，以模拟所述地铁联络通道的渗流回液；以及监测模块，包括传感器组和采集器，用于对模拟的所述地铁联络通道的环境数据进行实时监测。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模型箱体的一侧壁上设置有与所述进水室连通的渗流进液管，所述模型箱体的另一侧壁上设置有与所述出水室连通的渗流出液管。3.根据权利要求2所示的系统，其特征在于，所述冻结管组包括设置在所述模拟箱体内的多个冻结管以及分别设置在所述多个冻结管两端的进液干管和出液干管，用于形成冷冻液循环回路；所述制冷模块还包括防冻管，用于分别连接所述冷浴机和所述进液干管、所述冷浴机和所述出液干管，用于形成防冻液循环回路。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述渗流模块还包括：动力泵，设置在所述循环管路上；压力表，设置在所述循环管路上，用于监测压力；以及流量计，设置在所述循环管路上，用于监测流量。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、应力传感器以及形变传感器，所述采集器包括Campbell CR6系列和多台通道扩展板。6.根据权利要求1
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5所述的系统，其特征在于，该系统的设计方法包括如下步骤：通过量纲分析，得出模型试验影响因素的相似准则；根据所述地铁联络通道的环境，确定所述地铁联络通道冻结模拟试验系统的相似比，所述相似比包括几何相似比、材料相似比、时间相似比、盐水流量相似比、地下水流速相似比、荷载相似比；根据第一预...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈宇鹏，刘欣，张志成，汤天笑，赵晓林，刘越，耿爽，张旺，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：