【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道工程，特别涉及隧道施工环境模拟试验装置及试验方法。
技术介绍
1、中国西部地热异常区较多，随着西部交通工程基础设施建设的发展，大量的公路隧道、铁路隧道和引水隧洞等将穿越高地温地区，因此隧道施工时会出现高地温和高温水热等的异常状况。
2、高地温隧道在工程建设中将会出现以下几个不利影响：(1)增加耗电量。在高地温隧道里需要将隧道环境温度和湿度降低，因此需要增长通风时间或增加风机功率，从而导致耗电量增加。(2)影响施工人员健康。工人长时间在高温高湿环境工作会出现中暑、脱水、恶心等情况，严重时甚至出现晕倒现象。(3)影响施工机械性能。高温高湿环境造成施工机械效率降低，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，导致损坏机械。(4)影响结构安全性。高地温隧道内高地温和高温热水会使作用在隧道衬砌的荷载增加(附加荷载为温度荷载)，同时会加速使衬砌劣化，从而影响衬砌结构安全性。
3、高岩温与高温热水共同作用的隧道施工时，隧道内环境会更加恶劣，严重影响工人健康、机械性能和衬砌安全性。目前现有技术能模拟高岩温隧道，但是不能高温热水对隧道施工的影响，没法更充分的掌握隧道施工通风降温、除湿和改善隧道内环境的规律。因此，需要研制一种结构简单，且能模拟高岩温和高温热水共同作用的隧道施工通风环境试验装置。这对研究高岩温和高温热水共同作用的隧道散热量分布情况、高岩温和高温热水共同作用衬砌结构受力，得到不同围岩温度与热水工况下的附加荷载、高岩温和高温热水共同作用的隧道降温措施。
1、本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种隧道施工环境模拟试验装置及试验方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种隧道施工环境模拟试验装置，包括壳体、设置于所述壳体内的隧道模拟结构和围岩模拟结构，所述隧道模拟结构的长度方向与所述壳体的中轴线方向一致，所述围岩模拟结构环绕设置于所述隧道模拟结构的外周；
4、还包括岩温模拟系统、热水模拟系统、恒温恒湿通风模拟系统以及智能数据采集系统；
5、所述岩温模拟系统用于依次向围岩模拟结构、隧道模拟结构提供热量；
6、所述热水模拟系统用于向所述隧道模拟结构内提供热水；
7、所述恒温恒湿通风模拟系统用于向所述隧道模拟结构内提供不同温度和不同风速的风量；
8、所述智能数据采集系统用于采集围岩温度、围岩水压、隧道内风速、隧道内温度和湿度数据。
9、高地温隧道的施工过程中经常会遇到机械效率低，高温环境下耗电量高以及高地温和高温热水会使作用在隧道衬砌的荷载增加进而使衬砌劣化的技术缺陷，针对上述缺陷，如何进行应对，以及针对此类型的隧道模拟结构，如何合理的调整施工环境对于高地温隧道的施工指导具有重要意义，本专利技术的技术方案中，可以分别模拟高岩温隧道、高温热水隧道，还可以模拟高岩温与高温热水共同作用的隧道，因此本专利技术可以完成高地温隧道通风降温试验、高温热水隧道通风降温试验、高岩温与高温热水共同作用的隧道通风降温试验。这对研究高岩温和高温热水共同作用的隧道散热量分布情况、高岩温和高温热水共同作用衬砌结构受力，得到不同围岩温度与热水工况下的附加荷载、高岩温和高温热水共同作用的隧道降温措施具有指导意义。通过还原模拟实际的高地温隧道的施工环境，并进行涉及该隧道温度、湿度、通风等条件的优化实验，获得上述参数之间的变化、影响规律。并将其用于指导该类型的隧道施工过程。通过设计本专利技术的模拟试验装置，高度还原实际施工环境，再利用该装置进行试验的过程中，获取的实验数据具有更高的准确度，更具有参考价值。同时可以模拟隧道周围保温层的位置/厚度等，通过该实验装置研究高温的防治措施，这样更有利于解决实际问题。
10、作为本专利技术的优选技术方案，所述隧道模拟结构由内向外分别包括初支、保温层和二衬。具体的，所述隧道模拟结构是根据实际隧道的结构根据1：40的比例制作而成。其中，初支、二衬的制作材料包括石膏。
11、作为本专利技术的优选技术方案，所述围岩模拟结构设置于所述隧道模拟结构和所述壳体之间的空隙，所述围岩模拟结构由导热砂和铝粉组成，所述铝粉占所述导热砂重量比的8-10％。优选的，所述铝粉占所述导热砂的比例为9％。为了充分的还原实际的隧道模拟结构，在制备围岩模拟结构过程中，需要进行实际采样，了解实际的围岩特点。通过对采样的围岩进行性能研究，发现实际围岩的导热系数为2.54～2.94(w/(m·k))。因此，为了保证模拟实验的准确性，考虑了围岩模拟结构材料以及材料的比例等对结构的影响，并进行了匹配的设计。这进一步的保证了模拟试验装置的可行性。使试验中的围岩与实际围岩的力学性能保持一致。
12、作为本专利技术的优选技术方案，所述壳体包括第一端部和第二端部，所述第一端部与隧道模拟结构的第一掌子面对应，所述第二端部与隧道模拟结构的第二掌子面相对应。
13、所述第一端部与所述第二端部的间距为5-10m。
14、更优选的，所述壳体倾斜设置，所述壳体底部设置有支撑架，位于所述第二端部的支撑架高度低于第一端部的支撑架高度，所述支撑架所述壳体从所述第一端部向所述第二端部倾斜设置。方便岩温模拟系统中热水的收集与循环。
15、优选的，所述壳体的外部覆盖设置有隔热层，所述隔热层用于对围岩模拟结构形成保温以及隔热。
16、作为本专利技术的优选技术方案，所述岩温模拟系统包括多组加热盘管和加热箱，所述加热箱与多组所述加热盘管通过第一管道连通。
17、多组所述加热盘管沿所述隧道模拟结构的长度方向间隔设置，所述加热盘管贴合所述壳体内壁设置。
18、优选的，每组所述加热盘管内部为空腔，所述空腔内用于填充传热介质，所述加热箱能够通过所述第一管道向每组所述加热盘管输送传热介质。每组所述加热盘管沿所述隧道模拟结构的长度为0.6-1m。进一步优选的，所述加热盘管包括8-10组。
19、进一步的，每组所述加热盘管为“u”形结构。“u”形结构与所述壳体内壁的底部以及两个侧壁相贴合。每组所述加热盘管按照蛇形形状紧密的排布于所述壳体内壁。
20、更优选的，每组所述加热盘管分别设置有第一截止阀，通过控制所述第一截止阀的开合，能够实现对应的一组加热盘管的加热与否。
21、所述岩温模拟系统用于模拟整体高温隧道或者局部高低温隧道的情况。本专利技术的技术方案中，通过优化围岩组成，在围岩配比中增加铝粉来提升导热能力，在进行高地温试验时，衬砌和围岩边界的温差能够缩小至1-2℃，进一步的保证了装置对隧道衬砌的还原度。有效的降低实验前隧道温度场的不均匀带来的误差。
22、作为本专利技术的优选技术方案，所述热水模拟系统包括热水渗流子系统和热水涌出子系统，所述热水渗流子系统包括多组渗水盘管，多组所述渗水盘管沿所述隧道模拟结构的长度方向间隔设置。
23、优选的，每组所述渗水盘管包括多个并列设置的环状结构，每个所述环状本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，包括壳体(21)、设置于所述壳体(21)内的隧道模拟结构(10)和围岩模拟结构(20)，所述隧道模拟结构(10)的长度方向与所述壳体(21)的中轴线方向一致，所述围岩模拟结构(20)环绕设置于所述隧道模拟结构(10)的外周；
2.根据权利要求1所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述隧道模拟结构(10)由内向外分别包括初支(11)、保温层(12)和二衬(13)，所述隧道模拟结构(10)根据实际隧道的结构，按照1：40的比例制作而成。
3.根据权利要求1所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述围岩模拟结构(20)设置于所述隧道模拟结构(10)和所述壳体(21)之间的空隙，所述围岩模拟结构(20)由导热砂和铝粉组成，所述铝粉占所述导热砂重量比的8-10%。
4.根据权利要求3所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述壳体(21)包括第一端部(211)和第二端部(212)，所述第一端部(211)与隧道模拟结构(10)的第一掌子面对应，所述第二端部(212)与隧道模拟结构(10)的第二
5.根据权利要求1所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述岩温模拟系统(30)包括多组加热盘管(31)和加热箱(32)，所述加热箱(32)分别与多组所述加热盘管(31)通过第一管道(33)连通，多组所述加热盘管(31)沿所述隧道模拟结构(10)的长度方向间隔设置，相邻所述加热盘管(31)之间相互独立，所述加热盘管(31)贴合所述壳体(21)内壁设置，
6.根据权利要求5所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述热水模拟系统(40)包括热水渗流子系统(41)和热水涌出子系统(42)；所述热水渗流子系统(41)包括多组渗水盘管(411)，多组所述渗水盘管(411)沿所述隧道模拟结构(10)的长度方向间隔设置，每组所述渗水盘管(411)包括多个并列设置的环状结构，每个所述环状结构上沿周向间隔设置有若干个渗水孔(412)，渗水孔(412)用于向围岩的各个方向进行渗水；所述热水涌出子系统(42)包括多根涌水管(421)，每根所述涌水管(421)从所述壳体(21)外部贯通于所述围岩模拟结构(20)中；所述热水模拟系统(40)还包括水箱(43)，所述水箱(43)与所述渗水盘管(411)、所述涌水管(421)分别通过第二管道(44)连通，每组所述渗水盘管(411)对应设置有一根第二管道(44)，所述第二管道(44)上设置有三通阀(45)，通过所述三通阀(45)能够实现水箱(43)分别向所述渗水盘管(411)或向所述涌水管(421)中输送热水。
7.根据权利要求1所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述恒温恒湿通风模拟系统(50)包括离心风机(51)和恒温恒湿箱体(52)，所述离心风机(51)的进风口与所述恒温恒湿箱体(52)通过第一风管(53)连通，所述离心风机(51)的出风口与所述壳体(21)的第二端部(212)通过第二风管(54)连通，所述壳体(21)的第一端部(211)与所述恒温恒湿箱体(52)通过第三风管(55)连通。
8.根据权利要求2-7任一项所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述智能数据采集系统(60)包括温度传感器(61)、风速传感器(62)、温湿度传感器(63)、水压传感器(64)、渗流传感器(65)、应力传感器(66)和应变片(67)；其中，所述温度传感器(61)设置于围岩模拟结构(20)中，所述温度传感器(61)用于监测并采集围岩的温度变化；所述风速传感器(62)设置于所述隧道模拟结构(10)中，所述风速传感器(62)用于监测并采集所述隧道模拟结构(10)中的风速变化；所述温湿度传感器(63)设置于所述隧道模拟结构(10)中，所述温湿度传感器(63)用于监测并采集隧道模拟结构(10)中的温度、湿度变化；所述水压传感器(64)设置于所述二衬(13)和初衬之间，所述水压传感器(64)用于监测并采集二衬(13)所受的水压变化数据；所述渗流传感器(65)设置于加热盘管(31)以及涌水管(421)中，用于监测并采集水量变量数据；所述应力传感器(66)设置于所述初衬外侧，所述应变片(67)设置于所述二衬(13)内侧，所述应力传感器(66)用于监测并采集初衬的受力情况；所述应变片(67)用于监测二衬(13)的受力情况。
9.根据权利要求8所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述智能数据采集系统(60)还包括采集主板，所述温度传感器(61)、风速传感器(62)、温湿度传感器(6...
【技术特征摘要】
1.一种隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，包括壳体(21)、设置于所述壳体(21)内的隧道模拟结构(10)和围岩模拟结构(20)，所述隧道模拟结构(10)的长度方向与所述壳体(21)的中轴线方向一致，所述围岩模拟结构(20)环绕设置于所述隧道模拟结构(10)的外周；
2.根据权利要求1所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述隧道模拟结构(10)由内向外分别包括初支(11)、保温层(12)和二衬(13)，所述隧道模拟结构(10)根据实际隧道的结构，按照1：40的比例制作而成。
3.根据权利要求1所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述围岩模拟结构(20)设置于所述隧道模拟结构(10)和所述壳体(21)之间的空隙，所述围岩模拟结构(20)由导热砂和铝粉组成，所述铝粉占所述导热砂重量比的8-10%。
4.根据权利要求3所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述壳体(21)包括第一端部(211)和第二端部(212)，所述第一端部(211)与隧道模拟结构(10)的第一掌子面对应，所述第二端部(212)与隧道模拟结构(10)的第二掌子面相对应，所述第一端部(211)与所述第二端部(212)的间距为5-10m。
5.根据权利要求1所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述岩温模拟系统(30)包括多组加热盘管(31)和加热箱(32)，所述加热箱(32)分别与多组所述加热盘管(31)通过第一管道(33)连通，多组所述加热盘管(31)沿所述隧道模拟结构(10)的长度方向间隔设置，相邻所述加热盘管(31)之间相互独立，所述加热盘管(31)贴合所述壳体(21)内壁设置，
6.根据权利要求5所述的隧道施工环境模拟试验装置，其特征在于，所述热水模拟系统(40)包括热水渗流子系统(41)和热水涌出子系统(42)；所述热水渗流子系统(41)包括多组渗水盘管(411)，多组所述渗水盘管(411)沿所述隧道模拟结构(10)的长度方向间隔设置，每组所述渗水盘管(411)包括多个并列设置的环状结构，每个所述环状结构上沿周向间隔设置有若干个渗水孔(412)，渗水孔(412)用于向围岩的各个方向进行渗水；所述热水涌出子系统(42)包括多根涌水管(421)，每根所述涌水管(421)从所述壳体(21)外部贯通于所述围岩模拟结构(20)中；所述热水模拟系统(40)还包括水箱(43)，所述水箱(43)与所述渗水盘管(411)、所述涌水...
【专利技术属性】
技术研发人员：于丽，路明，周振宇，王明年，李奎，霍建勋，唐永红，王雪，刘媛，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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