[发明专利]一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置在审

专利信息
申请号: 201810085478.7 申请日: 2018-01-29
公开(公告)号: CN108181446A 公开(公告)日: 2018-06-19
发明(设计)人: 郑尚峰;张慧玲;范胜利;朱勇 申请(专利权)人: 中铁二院工程集团有限责任公司
主分类号: G01N33/24 分类号: G01N33/24
代理公司: 成都惠迪专利事务所(普通合伙) 51215 代理人: 王建国
地址: 610031*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 隧道衬砌结构 冻融循环 局部积水 冻土区 试验箱 外壁 背后 环境模拟箱 环境模拟 监测装置 检测装置 模拟材料 模拟系统 模拟装置 隧道衬砌 衬砌 围岩 积水 试验箱侧壁 补给管路 补给装置 长期稳定 试验数据 竖立放置 送风装置 隧道结构 主机设置 运营期 填装 元器件 粘贴 埋设 隧道 悬挂 试验 施工 保证 安全
【说明书】:

一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置,以为冻土区隧道的设计、施工和运营期的长期稳定提供更加可靠的试验数据,从而更好地保证冻土区隧道结构的安全和经济性。包括主体试验箱、环境模拟箱、检测装置和冻融循环模拟系统;所述环境模拟箱设置于主体试验箱内,隧道衬砌结构模型竖立放置于环境模拟箱内,隧道衬砌结构模型外壁上设置衬砌背后局部积水模拟装置,衬砌背后局部积水模拟装置通过积水补给管路与悬挂于主体试验箱外壁上的积水补给装置相连接;所述环境模拟箱内于隧道衬砌结构模型外填装围岩模拟材料;所述检测装置的元器件埋设于围岩模拟材料内,粘贴于隧道衬砌结构模型的内、外壁上;所述冻融循环模拟系统的主机设置于主体试验箱外,其送风装置设置于主体试验箱侧壁的上部。

技术领域

发明涉及交通隧道设计与建造工程技术领域,特别涉及一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置。

背景技术

随着“一带一路”战略的兴起,冻土区隧道数量越来越多,运营期隧道冻害问题也越发普遍。冻土区隧道运营期冻害问题主要表现形式为隧道衬砌冻胀开裂、渗水挂冰、水沟冻结等。衬砌冻胀开裂会造成隧道耐久性、安全性严重降低,服役时间急剧减少;渗水挂冰、水沟冻结问题使隧道内积冰严重,净空减小,无法行车。目前国内外研究成果认为衬砌背后局部积水反复地冻融循环过程是造成运营期隧道冻害问题的主要因素之一。

人们对隧道衬砌背后不同积水位置、积水量值及反复冻融循环作用条件下隧道衬砌结构受力特征、破坏模式缺乏深入了解,隧道衬砌背后积水补给作用机制尚不明确。通过建立隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置进行隧道衬砌背后局部积水冻融循环条件下隧道结构受力特性模型试验,以分析得出隧道衬砌结构在不同积水位置、积水量值以及冻融循环次数条件下隧道衬砌结构的受力特征、破坏模式以及隧道衬砌背后积水补给机制,对完善冻土区隧道结构设计体系;优化冻土区隧道结构防排水、保温形式;为冻土区隧道结构问题提供试验数据,具有十分重要的意义。

现有国内外学者研究冻土区隧道结构方面研究,主要采用的方法有理论推导、数值模拟、室内试验等。其中,理论推导、数值模拟研究方法主要针对于围岩冻胀机理、冻胀本构模型、冻土区围岩温度场分布规律等内容的研究,针对隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用方面研究还不系统、全面。理论推导研究手段往往假设条件限定过多,且相关变量的改变会导致推导结果无法显式表达,结果也过于理想化,对实际施工指导意义有限;数值模拟虽然相对减少了计算量,节约计算时间,但模拟过程是基于理论,存在模拟结果无法与实际情况相匹配的不足。室内模型试验是将隧道现场进行缩尺真实模拟,具有与实际情况吻合度高,成本低的特点,是研究冻土区隧道结构较为理想的研究方法。

现有的冻土区隧道结构冻胀作用模拟系统主要是固定含水率围岩条件下冻胀作用模拟系统,通过调整围岩材料含水率,实现不同围岩等级、含水率条件下冻胀作用对于隧道结构的影响,其仅考虑了特定围岩含水率由未冻到冻结单一冻胀过程对于隧道结构的影响。现有方法和系统通常用于常年冻土区公路隧道和铁路隧道,无法考虑季节性冻土区隧道受到反复冻胀循环作用影响下隧道衬砌裂缝发展变化的循环过程,且相比于围岩整体冻胀量值,衬砌背后局部积水位置冻胀作用量值较大,冻胀荷载分布不均匀,更易使衬砌结构产生应力集中现象,造成隧道衬砌局部位置开裂,衬砌破坏形式也与实际隧道破坏形式较为吻合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种冻土区隧道衬砌背后局部积水冻融循环作用模拟、监测装置,以更好地模拟不同水文地质条件和包括季节性冻土区、常年冻土区的不同围岩级别,实现在不同水文地质条件下隧道衬砌背后不同积水位置、积水量值以及反复冻融循环作用时,隧道衬砌受力特征、破坏模式的模拟,为冻土区隧道的设计、施工和运营期的长期稳定提供更加可靠的试验数据,从而更好地保证冻土区隧道结构的安全和经济性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方法如下:

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