本發(fā)明屬于隧道工程，具體涉及一種嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著在寒區(qū)建設(shè)的隧道越來(lái)越多，隧道凍害現(xiàn)象也愈發(fā)嚴(yán)重。這些凍害給隧道正常運(yùn)營(yíng)帶了重大安全隱患，大大縮短了隧道正常使用壽命，處理起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，給社會(huì)帶了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)有對(duì)寒區(qū)隧道的監(jiān)測(cè)方法多集中在對(duì)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，且還存在以下問(wèn)題：

2、1.交通工具以較高的速度在有限的隧道空間中運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生“活塞”效應(yīng)帶入外部冷空氣，對(duì)隧道洞內(nèi)空氣及圍巖溫度場(chǎng)有明顯的影響，常規(guī)方法只在洞口架設(shè)氣象站，無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)“活塞”效應(yīng)下的洞內(nèi)風(fēng)速。

3、2.科研單位多只是對(duì)隧道溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)而忽視了應(yīng)力場(chǎng)的重要性，溫度變化對(duì)隧道的破壞需要有實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)支撐。

4、3.圍巖以及混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)隧道溫度場(chǎng)仿真具有重要意義，目前大多采用在室內(nèi)測(cè)量圍巖樣品不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)然后取等效強(qiáng)度的方法，未考慮含水量等其他因素的影響，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的材料參數(shù)。

5、4.由于隧道內(nèi)存在沒(méi)有信號(hào)的情況，對(duì)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的監(jiān)測(cè)絕大多數(shù)為人工監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)人工讀取的方式，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可持續(xù)性，且數(shù)據(jù)采集成本較高。

6、因此，有必要針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其結(jié)合了寒區(qū)隧道研究現(xiàn)狀，綜合考慮了風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等因素，開(kāi)展了對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試，加裝熱導(dǎo)率探頭便于獲得圍巖熱導(dǎo)率，方便了科研人員研究熱-力耦合作用對(duì)寒區(qū)隧道的影響，為進(jìn)一步探究隧道工程脆弱性動(dòng)態(tài)演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和關(guān)鍵因素具有重要意義，從而可以解決背景技術(shù)中涉及的至少一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，隧道包括與圍巖抵接的初期支護(hù)和設(shè)置于所述初期支護(hù)內(nèi)側(cè)表面的二襯襯砌，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀和分別與所述數(shù)據(jù)采集儀通信連接的表面應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)溫束、熱導(dǎo)率探頭、風(fēng)速傳感器以及氣象傳感器，其中：

4、所述數(shù)據(jù)采集儀設(shè)置在隧道拱腰處；

5、所述表面應(yīng)變計(jì)設(shè)置在二襯襯砌表面；

6、所述溫度計(jì)設(shè)置在二襯襯砌內(nèi)側(cè)表面；

7、所述測(cè)溫束設(shè)置在初期支護(hù)與圍巖內(nèi)部；

8、所述熱導(dǎo)率探頭插入圍巖內(nèi)部；

9、所述風(fēng)速傳感器和所述氣象傳感器均設(shè)置在隧道內(nèi)左右兩側(cè)的二襯襯砌上。

10、優(yōu)選的，還包括設(shè)置在隧道的洞口拱腰處的數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)量為多個(gè)，且沿隧道的延伸方向設(shè)置，多個(gè)所述數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)數(shù)據(jù)連接線串聯(lián)，再與所述數(shù)據(jù)傳輸模塊連接。

11、優(yōu)選的，還包括封閉機(jī)箱，所述數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)傳輸模塊均設(shè)置在封閉機(jī)箱內(nèi)。

12、優(yōu)選的，所述測(cè)溫束、溫度計(jì)和表面應(yīng)變計(jì)分別在隧道監(jiān)測(cè)斷面的豎向中心線上呈左右對(duì)稱布局。

13、優(yōu)選的，所述圍巖上鉆設(shè)有70毫米深的熱導(dǎo)率測(cè)量孔，所述熱導(dǎo)率探頭插入所述熱導(dǎo)率測(cè)量孔內(nèi)。

14、優(yōu)選的，所述圍巖上鉆設(shè)有溫度測(cè)量孔，所述測(cè)溫束插入溫度測(cè)量孔內(nèi)，所述溫度測(cè)量孔的深度為隧址區(qū)的最大凍深+0.5米。

15、優(yōu)選的，所述溫度計(jì)通過(guò)測(cè)試桿件設(shè)置在二襯襯砌內(nèi)側(cè)表面，所述測(cè)試桿件采用低導(dǎo)熱性的pvc管。

16、優(yōu)選的，分別與所述測(cè)溫束和所述熱導(dǎo)率探頭連接的測(cè)量電纜線均沿初期支護(hù)的表面向下設(shè)置。

17、優(yōu)選的，所述隧道監(jiān)測(cè)斷面在隧道洞口段布置密集，相鄰距離為10～50米；在隧道中間部分布置稀疏，相鄰監(jiān)測(cè)斷面距離為100～500米。

18、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集儀的型號(hào)為jtm-mc30，所述數(shù)據(jù)傳輸模塊的型號(hào)為jtm-mcm30。

19、本發(fā)明還提供了一種基于所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試方法，該方法包括如下步驟：

20、步驟一，采集數(shù)據(jù)；

21、數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)纜線與表面應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)溫束、熱導(dǎo)率探頭、風(fēng)速傳感器以及氣象傳感器連接，采集并存儲(chǔ)各傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中，數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)光纖與數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云端；

22、步驟二，數(shù)據(jù)處理；

23、監(jiān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)繪制傳感器檢測(cè)內(nèi)容隨時(shí)間的變化曲線；根據(jù)測(cè)溫束的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)繪制圍巖凍結(jié)深度變化曲線；根據(jù)測(cè)溫束統(tǒng)計(jì)隧道圍巖的凍融情況；

24、步驟三，分析數(shù)據(jù)；

25、通過(guò)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)據(jù)，研究溫度波動(dòng)對(duì)圍巖凍融范圍以及凍脹附加應(yīng)力變化的影響，研究?jī)鋈谘h(huán)下襯砌結(jié)構(gòu)凍脹附加應(yīng)力不利位置；

26、通過(guò)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究“活塞”效應(yīng)對(duì)隧道力學(xué)響應(yīng)的影響；

27、通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，研究在凍融循環(huán)下，隧道工程脆弱性動(dòng)態(tài)演變規(guī)律；

28、借助熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，進(jìn)行寒區(qū)隧道數(shù)值模擬，對(duì)凍融循環(huán)引起的隧道結(jié)構(gòu)變形與力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析，并借助已有的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模型的正確性。

29、本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)，其有益效果在于：

30、1、對(duì)寒區(qū)隧道凍融情況，在圍巖以及襯砌中設(shè)置溫度計(jì)，以監(jiān)測(cè)隧道圍巖和襯砌不同深度的溫度，同時(shí)確定凍融圈范圍；

31、2、針對(duì)寒區(qū)隧道內(nèi)環(huán)境溫濕度變化以及通車后“活塞風(fēng)”的影響，采用微型4要素氣象傳感器和風(fēng)速傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后與數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)；

32、3、該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)圍巖襯砌溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，采用測(cè)溫束及表面應(yīng)變計(jì)對(duì)凍融圈范圍、凍脹力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為研究熱-力耦合作用對(duì)寒區(qū)隧道的影響以及隧道工程脆弱性動(dòng)態(tài)演變提供數(shù)據(jù)支撐。

技術(shù)特征：

1.一種嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，隧道包括與圍巖抵接的初期支護(hù)和設(shè)置于所述初期支護(hù)內(nèi)側(cè)表面的二襯襯砌，其特征在于，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀和分別與所述數(shù)據(jù)采集儀通信連接的表面應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)溫束、熱導(dǎo)率探頭、風(fēng)速傳感器以及氣象傳感器，其中：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，還包括設(shè)置在隧道的洞口拱腰處的數(shù)據(jù)傳輸模塊，所述數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)量為多個(gè)，且沿隧道的延伸方向設(shè)置，多個(gè)所述數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)數(shù)據(jù)連接線串聯(lián)，再與所述數(shù)據(jù)傳輸模塊連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，還包括封閉機(jī)箱，所述數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)傳輸模塊均設(shè)置在封閉機(jī)箱內(nèi)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，所述測(cè)溫束、溫度計(jì)和表面應(yīng)變計(jì)分別在隧道監(jiān)測(cè)斷面的豎向中心線上呈左右對(duì)稱布局。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，所述圍巖上鉆設(shè)有70毫米深的熱導(dǎo)率測(cè)量孔，所述熱導(dǎo)率探頭插入所述熱導(dǎo)率測(cè)量孔內(nèi)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，所述圍巖上鉆設(shè)有溫度測(cè)量孔，所述測(cè)溫束插入溫度測(cè)量孔內(nèi)，所述溫度測(cè)量孔的深度為隧址區(qū)的最大凍深+0.5米。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，所述溫度計(jì)通過(guò)測(cè)試桿件設(shè)置在二襯襯砌內(nèi)側(cè)表面，所述測(cè)試桿件采用低導(dǎo)熱性的pvc管。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，分別與所述測(cè)溫束和所述熱導(dǎo)率探頭連接的測(cè)量電纜線均沿初期支護(hù)的表面向下設(shè)置。

9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置，其特征在于，所述隧道監(jiān)測(cè)斷面在隧道洞口段布置密集，相鄰距離為10～50米；在隧道中間部分布置稀疏，相鄰監(jiān)測(cè)斷面距離為100～500米。

10.一種基于權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試裝置的嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種嚴(yán)寒地區(qū)隧道溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合測(cè)試方法及裝置，屬于隧道工程領(lǐng)域。隧道包括初期支護(hù)和二襯襯砌，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀和分別與數(shù)據(jù)采集儀通信連接的表面應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)溫束、熱導(dǎo)率探頭、風(fēng)速傳感器以及氣象傳感器，數(shù)據(jù)采集儀設(shè)置在隧道拱腰處；表面應(yīng)變計(jì)設(shè)置在二襯襯砌表面；溫度計(jì)設(shè)置在二襯襯砌內(nèi)側(cè)表面；測(cè)溫束設(shè)置在初期支護(hù)與圍巖內(nèi)部；熱導(dǎo)率探頭插入圍巖內(nèi)部；風(fēng)速傳感器和氣象傳感器均設(shè)置在隧道內(nèi)左右兩側(cè)的二襯襯砌上。本發(fā)明可以監(jiān)測(cè)圍巖襯砌溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，采用測(cè)溫束及表面應(yīng)變計(jì)對(duì)凍融圈范圍、凍脹力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為研究熱?力耦合作用對(duì)寒區(qū)隧道的影響以及隧道工程脆弱性動(dòng)態(tài)演變提供數(shù)據(jù)支撐。

技術(shù)研發(fā)人員：程紅戰(zhàn),匡臻榮,陳仁朋,徐羿,許俊為
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19