本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)始發(fā)端頭多功能物理參數(shù)變化模擬裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著盾構(gòu)施工技術(shù)的日益成熟，盾構(gòu)因其具有優(yōu)秀的安全性、高效性和可靠性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、城市地鐵、市政公路隧道施工中，尤其是在穿越江河的水底隧道施工中盾構(gòu)技術(shù)更是被廣泛應(yīng)用。在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)始發(fā)端土體的穩(wěn)定性是不容忽視的問題，還可能會出現(xiàn)涌水、涌砂的危險情況。為了進(jìn)一步減少施工風(fēng)險，多采用凍結(jié)加固技術(shù)，當(dāng)凍結(jié)達(dá)到一定厚度時可以認(rèn)為達(dá)到了加固效果。這時需要停止冷凍，并對金屬凍結(jié)管進(jìn)行拔除，在這個期間凍土溫度會有一定上升，如果上升溫度超過了凍結(jié)加固的要求溫度，那么加固效果則大大降低，而且可能會帶來施工危險，造成盾構(gòu)機(jī)損失或施工人員受傷。盡管冷凍加固施工過程中會設(shè)置一定的測溫孔，但在冷凍帷幕內(nèi)側(cè)僅設(shè)置個別測溫孔，不能全面了解到整個冷凍帷幕的溫度及相關(guān)物理參數(shù)變化，給施工過程帶來一定的風(fēng)險。

現(xiàn)有技術(shù)中盾構(gòu)冷凍技術(shù)是一種日益成熟的了盾構(gòu)施工輔助手段，但是目前并沒有合適的模擬裝置或方法。目前尚未有合適的盾構(gòu)冷凍模擬裝置，實(shí)際施工過程中，由于工況復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)溫度的連續(xù)測量，更難以提供更多其他的物理參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種盾構(gòu)始發(fā)端頭多功能物理參數(shù)變化模擬裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種盾構(gòu)始發(fā)端頭多功能物理參數(shù)變化模擬裝置，包括土體單元、制冷單元、測溫單元、應(yīng)力應(yīng)變裝置和聲波測試裝置；土體單元包括實(shí)驗(yàn)箱和置于其內(nèi)的待測定的研究區(qū)土樣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件摻入水泥并壓實(shí)，制冷單元設(shè)置于土體單元內(nèi)部，測溫單元包括依次連接的溫度記錄儀、預(yù)埋式測溫線和測溫探頭，預(yù)埋式測溫線及測溫探頭埋設(shè)于土體單元內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變裝置布置于土體單元外壁，聲波測試裝置布置于土體單元內(nèi)，測溫單元、應(yīng)力應(yīng)變裝置和聲波測試裝置以不間斷的方式記錄檢測土體單元的各項(xiàng)物理參數(shù)及時間點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)箱為3.5*2.5*1.5m的pvc箱，測溫單元依次連接的12通道yd700r溫度記錄儀和12根jdc預(yù)埋式測溫線及測溫探頭，6根jdc預(yù)埋式測溫線長度為1-1.5m，埋設(shè)于土體淺層；另外6根jdc預(yù)埋式測溫線長度為2-2.5m，埋設(shè)于土體單元中部，測溫探頭分兩組分別布置在實(shí)驗(yàn)箱0.625m和1.25m橫截面處，以1s間隔連續(xù)記錄測溫探頭溫度。

制冷單元包括冷凍裝置和制冷管，制冷管埋入土體單元內(nèi)，冷凍裝置包括冷凍機(jī)、鹽水泵、鹽水箱、清水泵和冷卻水塔；制冷管一端連接冷凍機(jī)，另一端經(jīng)鹽水泵連接鹽水箱，冷卻水塔經(jīng)清水泵與冷凍機(jī)連接，冷凍機(jī)與鹽水箱連接，鹽水泵和清水泵的流量大于等于70m³/h，制冷管水平鋪設(shè)于土體單元中，且制冷管在土體單元內(nèi)的布置軌跡呈半圓形。

制冷管采用pvc管進(jìn)行預(yù)埋，每兩根為一個制冷管回路冷凍液從a管流入到埋設(shè)在土體內(nèi)部的制冷管，之后通過制冷管本身的彎管回流到b管，再通過b管回流到冷凍裝置重新降溫。

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)側(cè)面及底面中心各放置一個與儀表連接的全密封式微型壓力傳感器，全密封式微型壓力傳感器連接其相應(yīng)數(shù)字化儀表，以15min為間隔記錄壓力。

應(yīng)力應(yīng)變裝置為電阻式應(yīng)變片，電阻式應(yīng)變片粘貼于實(shí)驗(yàn)箱外側(cè)面中心，在電阻式應(yīng)變片附近設(shè)置一個用于排除溫度影響的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，電阻式應(yīng)變片連接其相應(yīng)數(shù)字化儀表，以15min為間隔記錄應(yīng)變。

聲波測試裝置包括兩根聲測管、電纜及聲波測試儀，聲測管通過電纜連接聲波測試儀，2根聲測管分別豎向布置于土體單元內(nèi)部兩側(cè)，聲波測試儀以15min為間隔記錄聲波波速。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：能夠在尚未施工前，模擬盾構(gòu)冷凍過程中的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、透射波和反射波變化狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)測量，為冷凍施工參數(shù)設(shè)置提供了重要的參考數(shù)據(jù)，提高了冷凍施工的安全性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的盾構(gòu)始發(fā)端頭多功能物理參數(shù)變化模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是制冷單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是制冷管及測溫探頭布置位置示意圖；

圖4是制冷管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是聲波測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-土體單元，2-冷凍裝置，3-測溫探頭，4-溫度記錄儀，5-冷凍機(jī)，6-制冷管，7-鹽水泵，8-鹽水箱，9-清水泵，10-冷卻水塔，11-聲測管，12-聲波測試儀。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1-5所示，一種盾構(gòu)始發(fā)端頭多功能物理參數(shù)變化模擬裝置，包括土體單元、制冷單元、測溫單元、應(yīng)力應(yīng)變裝置和聲波測試裝置；土體單元包括實(shí)驗(yàn)箱和置于其內(nèi)的待測定的研究區(qū)土樣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件摻入水泥并壓實(shí)，制冷單元設(shè)置于土體單元內(nèi)部，測溫單元包括依次連接的溫度記錄儀、預(yù)埋式測溫線和測溫探頭，預(yù)埋式測溫線及測溫探頭埋設(shè)于土體單元內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變裝置布置于土體單元外壁，聲波測試裝置布置于土體單元內(nèi)，測溫單元、應(yīng)力應(yīng)變裝置和聲波測試裝置以不間斷的方式記錄檢測土體單元的各項(xiàng)物理參數(shù)及時間點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)箱為3.5*2.5*1.5m的pvc箱，測溫單元依次連接的12通道yd700r溫度記錄儀和12根jdc預(yù)埋式測溫線及測溫探頭，6根jdc預(yù)埋式測溫線長度為1-1.5m，埋設(shè)于土體淺層；另外6根jdc預(yù)埋式測溫線長度為2-2.5m，埋設(shè)于土體單元中部，測溫探頭分兩組分別布置在實(shí)驗(yàn)箱0.625m和1.25m橫截面處，以1s間隔連續(xù)記錄測溫探頭溫度。

制冷單元包括冷凍裝置和制冷管，制冷管埋入土體單元內(nèi)，冷凍裝置包括冷凍機(jī)、鹽水泵、鹽水箱、清水泵和冷卻水塔；制冷管一端連接冷凍機(jī)，另一端經(jīng)鹽水泵連接鹽水箱，冷卻水塔經(jīng)清水泵與冷凍機(jī)連接，冷凍機(jī)與鹽水箱連接，鹽水泵和清水泵的流量大于等于70m³/h，制冷管水平鋪設(shè)于土體單元中，且制冷管在土體單元內(nèi)的布置軌跡呈半圓形。

制冷管采用pvc管進(jìn)行預(yù)埋，每兩根為一個制冷管回路冷凍液從a管流入到埋設(shè)在土體內(nèi)部的制冷管，之后通過制冷管本身的彎管回流到b管，再通過b管回流到冷凍裝置重新降溫。這樣可以減小制冷管直徑，使裝置制冷效果更接近于真實(shí)情況。

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)側(cè)面及底面中心各放置一個與儀表連接的全密封式微型壓力傳感器，全密封式微型壓力傳感器連接其相應(yīng)數(shù)字化儀表，以15min為間隔記錄壓力。

應(yīng)力應(yīng)變裝置為電阻式應(yīng)變片，電阻式應(yīng)變片粘貼于實(shí)驗(yàn)箱外側(cè)面中心，在電阻式應(yīng)變片附近設(shè)置一個用于排除溫度影響的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，電阻式應(yīng)變片連接其相應(yīng)數(shù)字化儀表，以15min為間隔記錄應(yīng)變。

聲波測試裝置包括兩根聲測管、電纜及聲波測試儀，聲測管通過電纜連接聲波測試儀，2根聲測管分別豎向布置于土體單元內(nèi)部兩側(cè)，聲波測試儀以15min為間隔記錄聲波波速。

實(shí)施例

如圖1所示，本發(fā)明提供一種盾構(gòu)始發(fā)端頭多功能物理參數(shù)變化模擬裝置，包括土體單元、制冷單元和測溫單元、應(yīng)力應(yīng)變裝置和聲波測試裝置。其中，土體單元包括實(shí)驗(yàn)箱和設(shè)置于所述實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的待測定的研究區(qū)土樣，可以選用3.5*2.5*1.5mpvc箱。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件摻入水泥并壓實(shí)。測溫單元包括依次連接的12通道yd700r溫度記錄儀和jdc預(yù)埋式測溫線及測溫探頭，測溫線及探頭包括12組，jdc預(yù)埋式測溫線包括12根，其中6根長度為1-1.5m，埋設(shè)于土體淺層；另外6根長度為2-2.5m，埋設(shè)于土體單元中部，12通道yd700r溫度記錄儀可以1s間隔連續(xù)記錄探頭溫度。實(shí)際的排布方式亦可以根據(jù)實(shí)際的工況需求進(jìn)行排布，探頭分別埋設(shè)于土體單元內(nèi)，用于以不間斷的方式記錄檢測到的土體的溫度及時間點(diǎn)。

在箱內(nèi)側(cè)面及底面中心各放置一個全密封式微型壓力傳感器，在箱外側(cè)面中心粘貼電阻式應(yīng)變片，為了排除溫度影響，在附近位置設(shè)置一個溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。兩種傳感器分別連接相應(yīng)數(shù)字化儀表，以15min為間隔記錄壓力及應(yīng)變。

聲波測試裝置包括兩根聲測管、電纜及聲波測試儀。所述聲測預(yù)先管垂直布置于土體單元兩側(cè)，通過電纜連接聲波測試儀。所述聲波測試儀以15min為間隔記錄聲波波速，從而進(jìn)一步推導(dǎo)出土體密度及結(jié)構(gòu)變化。

制冷單元包括冷凍機(jī)、制冷管、鹽水泵、清水泵和冷卻水塔；所述制冷管水平的橫截面呈半圓形布置于土體單元中，預(yù)埋的制冷管使用外徑30mmpvc管，每兩根為一個制冷管回路，與冷凍機(jī)及水泵間的管路仍使用與冷凍機(jī)匹配的無縫鋼管。這一部分循環(huán)制冷液，對土體進(jìn)行制冷。本實(shí)施例采用w-yslgf300ⅱ型冷凍機(jī)、is125-100～200型nbl-50型冷卻水塔。這一部分提供制冷，并提供制冷液在管路中循環(huán)的動力。

本發(fā)明提供的盾構(gòu)始發(fā)端頭多功能物理參數(shù)變化模擬裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對盾構(gòu)中整個冷凍帷幕溫度回升及期間相關(guān)物理參數(shù)變化的研究，為確定冷凍帷幕是否達(dá)到施工要求提供技術(shù)參考依據(jù)。

傳統(tǒng)的溫度測量，一般一個工區(qū)只有兩個測溫點(diǎn)，且在盾構(gòu)端頭附近，一天只能得到幾個時間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，不連續(xù)，且不同測溫點(diǎn)的測溫時間不統(tǒng)一。這個模擬裝置，不僅能夠測得兩個不同深度（這個取決于溫度傳感器的埋入位置，這里設(shè)計(jì)的是兩個深度，共12個點(diǎn)，實(shí)際上可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)），而且溫度測量是不間斷的，采樣間隔僅為1s，可以得到連續(xù)的數(shù)據(jù)體。本裝置不僅測量了制冷過程的溫度變化，同時還能連續(xù)測量溫度回升時整個土體的溫度變化。

另外，本裝置可以得到每個測溫點(diǎn)的連續(xù)溫度變化，并且可以得到多個采樣點(diǎn)壓力、應(yīng)變及波速隨時間變化的數(shù)據(jù)，之后可以根據(jù)研究重點(diǎn)的不同，對單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，或者采用對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行插值等分析方法。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。