[发明专利]人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，涉及一种隧道联络通道人工地层冻结法施工引起环境效应的模型试验方法及其装置。

背景技术

人工冻结技术是采用人工制冷的方法，降低地下工程周围土体的温度使土体的含水土层形成冻结体，以抵抗地压并隔绝与地下水联系的一种土木工程特殊施工技术。这种施工方法通常不受支护范围和支护深度的限制，能有效防止涌水以及城市挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形，基本不影响城市的正常运行。伴随着我国人口数量高峰的来临，东部沿海广大经济发达的软粘土地区城市(如上海、杭州、广州、天津、宁波等地区)的“城市病”(人口众多、房屋密集、街道狭窄、车辆拥挤)越来越严重，而开发地下空间、建设立体交通网络是解决交通拥挤状况的重要途径，其中地下步行街、越江隧道建设、地铁建设就是其中的重要组成部分。在软粘土地区地下空间的开发过程中，冻结法施工作为一种较好的地层加固方法发挥了重要作用，其主要运用于施工难度很大的地下商业街逃生通道、隧道联络通道及地下泵房建设等。

在工程实践中发现冻结法施工对地铁隧道及其周围土体存在较大影响，存在着一些主要问题：冻结时软粘土中的孔隙水由液相转变为固相，体积增大，导致土体冻结后发生地面隆起及对地铁隧道管壁产生冻胀力，隧道管片受冻胀力作用而破损，产生安全隐患；冻结施工结束后，在施工区域有大量的残余冻土存在，在其融化过程中孔隙水由固相转变为液相，体积变小，导致隧道轴线变形进而引起地面沉降与地表建筑物开裂；在地铁运营期间，由于冻胀力作用使冻融土体结构受损，导致其在地铁行车振动荷载作用下土体变形较大，存在土体后期变形引起隧道结构受损与行车安全隐患。因此，研究冻结法施工对周围工程环境效应的影响是非常必要和具有重大意义的。

目前，在人工冻结法施工研究领域，尚无相关环境效应的模型试验装置和方法。要么单纯的室内研究东融特性，其规模无法采用和人工地层冻结法类似的冻结方式，要么是现场测试系统，即使有相关模型试验系统，也只是对温度场的简单模拟，即重点在冻结法施工过程，没有考虑到周围环境效应问题。与本发明相似的产品主要是各种冻结法现场施工方法和监测，或者室内冻融特性测试等，如上海隧道工程股份有限公司杨国祥等人的发明专利“软土层水平冻结法连接通道的施工方法”（专利公开号：CN1614152A）、上海隧道工程股份有限公司吴惠明等人的发明专利“地铁盾构区间隧道联络通道的施工方法”（专利公开号：CN1916362A）、黑龙江省水利科学研究院钟华等人的专利“冻土力学模型试验装置”（专利公开号：CN101551373A）及刘建坤等人的发明专利“能施加动荷载的土冻融试验系统”（专利公开号：CN101699284A）。此类装置和方法要么是对现场冻结法施工方法的补充，要么是对纯粹的土体冻融特性的研究，并未涉及到人工冻结法对隧道周围环境效应的影响方面的研究，尤其是针对隧道周围饱和软粘土在冻结法施工的冻融作用后期的变形机理和特性，更是涉及甚少。目前尚无既能在完全模拟人工低层冻结法的冻结方式、又能研究其对周围土体的环境影响的公开技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道联络通道常用的人工地层冻结法施工引起的周围土体环境效应的模型试验方法及其装置，探讨人工地层冻结法对隧道周围软粘土冻融特性的影响及变形机理的研究。通过对冻结法冻结过程的模拟，监测隧道周围软粘土的温度场变化，应力场变化特点以及冻胀融沉位移变化量等来探讨冻结法对周围环境效应的影响。另外，相比昂贵的冻结现场试验，缩尺模拟在冻结法中的应用得以验证。

本发明的解决方案是：人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验装置包括以下组成部分：模型箱、模型土体、冻结支架系统、冻结循环系统、测量设备、数据采集设备和水压控制设备。模型箱底部安放和固定冻结管支架系统，箱内铺填研究区域的模型土体，冻结循环系统的箱内冻结管系统部分由冻结管支架系统支撑于模型土体的中间部位；并在模型箱的模拟材料区域内设置测量设备进行参数测量；数据采集设备与测量设备相连，实时采集和处理测量设备量测到的各参数；水压控制设备与模型箱相连，为模型箱提供水压以及冻结过程的水分补给。

所述的模型箱由建筑钢板焊成并刷防锈漆，密封不漏水，外墙四围采用聚乙烯泡沫材料保温；所述的模型土体为研究区域的原状土体，根据相应的模型比设计厚度分层铺设各土层，模型箱内壁与试验用土模型接触的部位设有的隔热层。