隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统

摘要

本发明提供了一种隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统，属于隧道衬砌模拟试验领域，包括地应力场模拟单元、气动载荷模拟单元和温度场模拟单元；地应力场模拟单元用于在有损衬砌的顶部及侧部模拟施加地应力；气动载荷模拟单元的顶部设有通气开口，气动载荷模拟单元用于承托有损衬砌，并使有损衬砌覆盖于通气开口处，气动载荷模拟单元通过改变自身内腔的气压来模拟气动载荷变化；温度场模拟单元用于调节气动载荷模拟单元内部气体的温度，以模拟温度场变化。本发明提供的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统能实现在不同地应力场及不同气体温度场下，对有损衬砌连续气动加载，提高模拟试验的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于隧道衬砌模拟试验技术领域，更具体地说，是涉及一种隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统。

背景技术

随着我国高速铁路的发展，列车速度不断提高，气动荷载对有损衬砌的影响越来越大。我国的高铁隧道多采用复合衬砌结构，该类型隧道在建设使用过程中受多种因素的影响，会不可避免的出现衬砌开裂等病害形式。室内模型试验一直是土木工程领域重要的研究手段，对于模拟衬砌的一些力学性能起到重要作用，而在一般的隧道衬砌研究试验中，主要以地应力场的影响研究为主，缺乏一种能够在多场环境中模拟有损衬砌力学性状的装置，不利于全面可靠的评估自然环境对有损衬砌的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统，旨在解决现有的模拟试验装置中不能在多场环境中对有损衬砌进行模拟试验，导致模拟所得数据可靠性欠缺的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统，包括：

地应力场模拟单元，用于在有损衬砌的顶部及侧部模拟施加地应力；

气动载荷模拟单元，顶部设有通气开口，所述气动载荷模拟单元用于承托有损衬砌，并使有损衬砌覆盖于所述通气开口处，所述气动载荷模拟单元通过改变自身内腔的气压来模拟气动载荷变化；以及

温度场模拟单元，用于调节所述气动载荷模拟单元内部气体的温度，以模拟温度场变化。

作为本申请另一实施例，所述地应力场模拟单元包括：

第一支架；以及

顶撑构件，设有多个，多个所述顶撑构件分别连接于所述第一支架，多个所述顶撑构件用于分别从有损衬砌的顶部和侧部对有损衬砌施压。

作为本申请另一实施例，所述顶撑构件为液压千斤顶。

作为本申请另一实施例，所述气动载荷模拟单元包括：

第二支架；

密封箱，设于所述第二支架上部，所述通气开口设于所述密封箱顶部，所述密封箱用于承托有损衬砌，并使有损衬砌覆盖于所述通气开口处；以及

气压调节组件，与所述密封箱的内腔连通，并用于调节所述密封箱内腔的气压。

作为本申请另一实施例，所述气压调节组件包括：

通气管道，所述通气管道连通于所述密封箱的内腔；

活塞，滑动设于所述通气管道内；以及

活塞驱动机构，连接于所述活塞，并通过驱动所述活塞滑动改变所述密封箱内腔的气压。

作为本申请另一实施例，所述活塞驱动机构包括：

第一外壳，连接于所述通气管道；

驱动电机，固设于所述第一外壳内；以及

曲柄连杆结构，分别与所述活塞及所述驱动电机的输出轴连接。

作为本申请另一实施例，所述温度场模拟单元包括：

调温管件，设于所述气动载荷模拟单元的内腔中；

调温装置，设于所述气动载荷模拟单元之外，且连通于所述调温管件，所述调温装置用于对所述调温管件内的热交换介质进行温度调节。

作为本申请另一实施例，所述调温装置包括相互并联的加热器和制冷器，所述调温管件所流出的热交换介质的一路经过所述加热器的加热或经过所述制冷器的冷却后流入所述调温管件的进口。

作为本申请另一实施例，所述调温管件所流出的热交换介质还具有回流至所述调温管件进口的另一路，所述调温管件的出口处设有比例三通阀，所述调温管件的进口处设有混合器。

作为本申请另一实施例，所述混合器包括：

第二外壳；

隔板，将所述第二外壳的内腔分隔成垂直于上下方向分布的第一腔室和第二腔室，所述隔板的顶部与所述第二外壳的顶壁间隔设置，以形成连通所述第一腔室和所述第二腔室的溢流口，所述第二腔室的底部设有连通于所述调温管件进口的排液口；

液温传感器，设于所述隔板顶部，且位于所述第一腔室内；

第一管道，连通于所述加热器或所述制冷器，并从所述第二外壳的底部伸入所述第一腔室中；以及

第二管道，连通于所述调温管件的出口，从所述第二外壳的顶部伸入所述第一腔室中，所述第二管道的底端低于所述第一管道的顶端。

本发明提供的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统，通过地应力场模拟单元在有损衬砌的顶部及侧部施加压力，以模拟隧道顶部所承受的地应力；由于隧道的温度场变化主要来源于地表之下，且气动载荷也是衬砌的下方对衬砌产生影响，因此，通过温度场调节单元调节气动载荷模拟单元中气体的温度达到模拟温度场变化的效果，同时气动载荷模拟单元内部的气压按照预设规律变化，也能够使有损衬砌底部通过通气开口直接受到气压变化的影响，进而能够模拟列车进出隧道时的气动载荷的变化。本发明的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统集成了地应力场、温度场和气动载荷三种参量的调节功能，能够实现在不同地应力场及不同气体温度场下，对有损衬砌连续气动加载，真实的模拟隧道有损衬砌在气动荷载作用下的力学性状，提高模拟试验的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统的结构示意图；

图2为图1中密封箱和调温管件的装配结构示意图；

图3为图1中活塞驱动结构的内部结构剖视图；

图4为本发明实施例二所采用的温度场模拟单元的工作原理示意图；

图5为图4中混合器的内部结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统的模块化示意图。

图中：100、地应力场模拟单元；110、第一支架；120、顶撑构件；200、气动载荷模拟单元；210、通气开口；220、第二支架；230、密封箱；240、通气管道；250、活塞；260、活塞驱动机构；261、第一外壳；262、驱动电机；263、第一连杆；264、第二连杆；265、第三连杆；300、温度场模拟单元；310、调温管件；320、加热器；330、制冷器；340、比例三通阀；350、混合器；351、第二外壳；352、隔板；353、液温传感器；354、第一管道；355、第二管道；356、第一腔室；357、第二腔室；358、溢流口；359、排液口；360、液泵；370、三通阀；380、气温传感器；400、有损衬砌；500、控制单元。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1，现对本发明提供的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统进行说明。所述隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统，包括地应力场模拟单元100、气动载荷模拟单元200和温度场模拟单元300；地应力场模拟单元100用于在有损衬砌400的顶部及侧部模拟施加地应力；气动载荷模拟单元200的顶部设有通气开口210，气动载荷模拟单元200用于承托有损衬砌400，并使有损衬砌400覆盖于通气开口210处，气动载荷模拟单元200通过改变自身内腔的气压来模拟气动载荷变化；温度场模拟单元300用于调节气动载荷模拟单元200内部气体的温度，以模拟温度场变化。

本发明提供的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统，与现有技术相比，通过地应力场模拟单元100在有损衬砌400的顶部及侧部施加压力，以模拟隧道顶部所承受的地应力；由于隧道的温度场变化主要来源于地表之下，且气动载荷也是衬砌的下方对衬砌产生影响，因此，通过温度场调节单元300调节气动载荷模拟单元中200气体的温度达到模拟温度场变化的效果，同时气动载荷模拟单元200内部的气压按照预设规律变化，也能够使有损衬砌400底部通过通气开口210直接受到气压变化的影响，进而能够模拟列车进出隧道时的气动载荷的变化。本发明的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统集成了地应力场、温度场和气动载荷三种参量的调节功能，能够实现在不同地应力场及不同气体温度场下，对有损衬砌连续气动加载，真实的模拟隧道有损衬砌400在气动荷载作用下的力学性状，探究重复气动荷载作用下，隧道有损衬砌400的力学性状，提高模拟试验的准确性。

需要说明的是，气动载荷模拟单元200内部的气压是按照列车驶入及驶出隧道时所产生的气压变化规律而进行变化的。温度场调节单元300通过与气动载荷模拟单元中200内部的气体发生热交换和热对流，进而能够达到升高或降低气体温度的目的。有损衬砌的力学性状变化主要为裂缝的扩展、破坏。

本申请中，地应力场模拟单元100、气动载荷模拟单元200和温度场模拟单元300均与控制单元500通讯连接，以精确控制各个单元的参数变化。

作为本发明提供的隧道衬砌在列车气动荷载作用下力学性状的模型试验系统的一种具体实施方式，请参阅图1，地应力场模拟单元100包括第一支架110和顶撑构件120；顶撑构件120设有多个，多个顶撑构件120分别连接于第一支架110，多个顶撑构件120用于分别从有损衬砌400的顶部和侧部对有损衬砌400施压。顶撑构件120的分布按照模拟需要进行设置，可从多个不同的角度及位置对有损衬砌400施加压力，进而能够使地应力场的变化更加符合实际情况，增加模拟结果的准确性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，为了保证顶撑力度，顶撑构件120为液压千斤顶。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图1至图3，气动载荷模拟单元200包括第二支架220、密封箱230和气压调节组件；密封箱230设于第二支架220上部，通气开口210设于密封箱230顶部，密封箱230用于承托有损衬砌400，并使有损衬砌400覆盖于通气开口210处；气压调节组件与密封箱230的内腔连通，并用于调节密封箱230内腔的气压。第二支架220能对密封箱230提供可靠支撑，保证有损衬砌400和密封箱230之间相对位置的稳定性；密封箱230本身能够起到支撑有损衬砌的作用，还能够提供使气压变化的腔体，这就使得气动载荷模拟单元200整体结构简单紧凑，占用空间小，试验效果好。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，气压调节组件包括通气管道240、活塞250和活塞驱动机构260；通气管道240连通于密封箱230的内腔；活塞250滑动设于通气管道240内；活塞驱动机构260连接于活塞250，并通过驱动活塞250滑动改变密封箱230内腔的气压。气压调节组件通过活塞式的结构，结构简单，活塞运动致使通气风道内空气体积改变，进而改变气体压力，可见只要控制活塞250的移动就能灵活调节密封箱230内的气压，整个过程中不需要抽出或充入气体，操作方便，能耗也比较低。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图3，活塞驱动机构260包括第一外壳261、驱动电机262和曲柄连杆结构；第一外壳261连接于通气管道240；驱动电机262固设于第一外壳261内；曲柄连杆结构分别与活塞250及驱动电机262的输出轴连接。活塞驱动机构260通过电机控制，整体结构简单，能够有效控制活塞250移动，活塞移动的连续性和灵活性好，且不易发生故障，便于精确且连续的模拟气压变化的各种情况。

具体地，请参阅图1及图3，曲柄连杆结构包括第一连杆263、第二连杆264和第三连杆264，第一连杆263的一端连接于驱动电机262的输出轴，第二连杆264的一端与第一连杆263的另一端转动连接，第三连杆265伸入通气管道240中，一端连接于活塞250，另一端转动连接于第二连杆264的另一端。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1、图2、图4及图5，温度场模拟单元300包括调温管件310和调温装置；调温管件310设于气动载荷模拟单元200的内腔中；调温装置设于气动载荷模拟单元200之外，且连通于调温管件310，调温装置用于对调温管件310内的热交换介质进行温度调节。温度场模拟单元300将其温度变化的核心部件设置于气动载荷模拟单元200的内腔中，结构设置合理，调温装置自身产生的热量不会对气动载荷模拟单元200内的气温产生影响，不仅便于安装和接线，也有利于精确控制气温的变化。

需要说明的是，气动载荷模拟单元200的内腔中设有气温传感器380，气温传感器380实时感测气动载荷模拟单元200内腔中的气体温度，通过温度数据判断后续温度如何变化，进而能够控制调温装置进行温度调节。

具体地，气温传感器380可根据需求设置多个，以便在气动载荷模拟单元200内腔中的不同位置感测气温，进而根据不同位置的温度变化综合判断所需要的温度变化趋势，便于更加精确的模拟温度场的变化。

具体地，图中未示出，调温管件310包括多个相互串联的盘管件，每个盘管件分别位于密封箱230内不同的高度，用以同时对不同层面的气体进行温度调节，以提高温度调节的速度和灵活程度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1、图2、图4及图5，调温装置包括相互并联的加热器320和制冷器330，调温管件310所流出的热交换介质的一路经过加热器320的加热或经过制冷器330的冷却后流入调温管件310的进口，流动动力源为液泵360，三通阀370用于控制热交换介质流向加热器320或制冷器330。经过热交换的热交换介质从调温管件310中流出后，根据需要进行加热或冷却，温度调节可控性强，且整体结构简单，调温装置本身及调温装置与调温管件310之间的连接结构均能设计的比较紧凑，避免热交换介质在流动过程中出现过多的热损耗，不仅能够精确可控制热交换介质的温度，还有利于降低加热器320和制冷器330的运行能耗。

其中，加热器320为电加热器，制冷器330为压缩机制冷器。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4，调温管件310所流出的热交换介质还具有回流至调温管件310进口的另一路，流动动力源为液泵360，调温管件310的出口处设有比例三通阀340，调温管件310的进口处设有混合器350。

本实施方式中，一部分流出的热交换介质不经加热或冷却，其与另一部分经过加热或冷却的热交换介质在混合器350中进行混合，使得热交换介质自身的温度变化曲线更加平缓，连续性更好，避免出现温度突变的情况；同时，加热器320或制冷器330因作用于相对较少的热交换介质，自身的能耗也能够降低，有利于节能。比例三通阀340用于根据需求调节两路热交换介质的流量，使得对于热交换介质的温度调节更加精确。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5，混合器350包括第二外壳351、隔板352、液温传感器353、第一管道354以及第二管道355；隔板352将第二外壳351的内腔分隔成垂直于上下方向分布的第一腔室356和第二腔室357，隔板352的顶部与第二外壳351的顶壁间隔设置，以形成连通第一腔室356和第二腔室357的溢流口358，第二腔室357的底部设有连通于调温管件310进口的排液口359；液温传感器353设于隔板352顶部，且位于第一腔室356内；第一管道354连通于加热器320或制冷器330，并从第二外壳351的底部伸入第一腔室356中；第二管道355连通于调温管件310的出口，从第二外壳351的顶部伸入第一腔室356中，第二管道355的底端低于第一管道356的顶端。

本实施方式中，第一管道354和第二管道355相对设置，液体在对冲力的作用下能够进行一定程度的混合，同时，由于溢流口358位于第一腔室356上端，使得两路液体能够在第一腔室356中停留足够长的时间，有利于不同温度的热交换介质充分混合；混合后的液体在流入溢流口358的时候还会经液温传感器353进行温度检测，如果流出的液体温度不合适，就需要通过比例三通阀340、加热器320和制冷器330共同作用，来调节两路热交换介质的流量和温度；经溢流口358流出的液体最终经排液口359进入到调温管件310中。

第一管道354和第二管道355的设置方式，使得两路液体能够更加充分的在第一腔室356中混合，避免热量分散不均匀的热交换介质进入调温管件310中；且混合器350不需要有很大的液体容量，不会影响热交换介质流动的连续性。

请参阅图6，本申请中，控制单元500控制顶撑构件120(液压千斤顶)对有损衬砌400施加压力；控制单元500通过驱动电机262控制活塞250的移动，进而调节密封箱230内的气压；控制单元500获取气温传感器380和液温传感器353的感测数据，通过控制比例三通阀340、三通阀370、加热器320、制冷器330和液泵360，来控制热交换介质在前述循环回路中的流向和流速，进而能够通过控制热交换介质的温度来调节气温(即通过气温传感器380获取热交换介质的调整目标，各个部件根据这一目标数值先进行一定的调整，随后通过液温传感器353判断热交换介质的温度是否达到调整目标数值，不达标的话，各个构件的运行状态还需要进一步进行调整，最终达到目标数值)。

本申请的结构简单紧凑，能够同时对有损衬砌400模拟施加地应力、改变温度场及气动载荷，进而能够真实的模拟隧道有损衬砌在气动荷载作用下的力学性状，探究重复气动荷载作用下，隧道有损衬砌的力学性状，提高模拟试验的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。