[0001] 本发明涉及隧道工程模拟试验技术领域，具体涉及一种模拟地下热水渗出隧道温湿度场演化的试验装置及方法。

[0002] 在地形起伏大、地质构造复杂、高地温问题突出的地区，隧道工程面临严峻的高温环境考验。在沿线高地温区段分布广泛的地区，还伴有较多热泉出露，地下热水渗流路径也复杂多变。隧道施工揭露地下热水时，渗水位置处围岩温度会受高温热水影响而出现一个异常高温区，进而改变隧道洞内温度场分布。此外，渗入隧道洞内的高温热水不断蒸发，进一步引发洞内温湿度场的演化。埋深较大的区域，隧道洞身岩体温度可能超过50℃，超前探孔内最高地温可能达到80℃以上。

[0003] 然而，隧道施工作业要求环境温度不超过28℃，相对湿度不超过80％。对于高地温隧道而言，热水渗出后洞内温湿度环境急剧恶化。如何模拟热水渗出引起的围岩异常高温区，探究不同渗水位置处洞内温湿度场的演化、分布特征，进一步优化通风参数设计，确保环境温度不超过28℃、相对湿度不超过80％是目前高地温热水隧道亟待解决的关键问题。

[0052] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

[0053] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“纵向”、“横向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0054] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设置”等应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0055] 还应注意到，虽然在方法描述中涉及了步骤顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行，不应被理解为对步骤顺序的限制。

[0056] 具体实施方式中，将隧道模型1的长度方向定义为纵向，将与隧道模型1的长度方向垂直的方向定义为横向。

[0057] 本发明提供了一种模拟地下热水渗出隧道温湿度场演化的试验装置，可真实的模拟高温地下水排放型隧道，及其受热环境和渗水过程，探究渗出热水蒸发引起的隧道洞内温湿度场演化过程，配合通风装置，可以获得将隧道环境温湿度控制在规范允许范围内的通风条件，为隧道运营提供参考。

[0058] 如图1，所述试验装置主要包括隧道模型1、分区加热装置2、热水渗出模拟装置3、温湿度监测装置4和通风装置5。

[0059] 隧道模型1由水泥、沙子等配制成的相似材料，模拟隧道衬砌结构，如图2，隧道模型1的核心部分为环向封闭的支护结构模型11，底部由底座6支撑。支护结构模型11内的底部具有水沟12，水沟12在隧道模型1内的底部两侧纵向对称布置。

[0060] 分区加热装置2覆盖在隧道模型1的外壁，主要覆盖在隧道模型1的顶部和两侧，用于模拟高温围岩。分区加热装置2包括多个纵向、环向分割的弧片状加热单元，各个加热单元独立控制加热温度，可以指定某一个或多个加热单元启动，以预定温度加热隧道模型1的特定区域。

[0061] 热水渗出模拟装置3位于隧道模型1的内侧，喷洒热水至隧道模型1内表面，用于模拟衬砌内表面热水渗出。热水渗出模拟装置3具有热成像仪333和激光测温仪334，用于获得隧道模型1的内壁温度场分布。

[0062] 具体的，如图3，热水渗出模拟装置3包括环向驱动组件31、纵向驱动组件32和热水喷出组件33。环向驱动组件31呈拱形并位于隧道模型1内的纵向两侧，纵向驱动组件32连接在两侧环向驱动组件31顶部之间，热水喷出组件33安装在纵向驱动组件32上并能沿纵向驱动组件32纵向移动，纵向驱动组件32能沿环向驱动组件31环向平移。

[0063] 进一步地，如图4，环向驱动组件31包括环向导杆311、环向滑块312、牵拉绳索313、卷扬机314和纵向连接杆315。环向滑块312套设于环向导杆311上，受牵拉绳索313及卷扬机314牵引，能沿环向导杆311环向移动；纵向连接杆315两端与两侧的环向滑块312连接，随环向滑块312移动。

[0064] 进一步地，如图5，纵向驱动组件32包括滚轮321、皮带322和连接件323。皮带322套设在滚轮321外表面并随滚轮321转动而运动。连接件323的底端与滚轮321的轴承连接，顶端与环向滑块312的下端连接，使纵向驱动组件32随环向滑块312共同运动。

[0065] 进一步地，如图6，热水喷出组件33包括纵向滑块331、喷头332、热成像仪333和激光测温仪334。纵向滑块331上设置有纵向通孔，纵向连接杆315穿过纵向滑块331的纵向通孔，纵向滑块331的底部与皮带322连接，能随皮带322在纵向连接杆315上移动。喷头332、热成像仪333和激光测温仪334固定在纵向滑块331的顶部。

[0066] 上述结构中，卷扬机314和滚轮321均配置有驱动装置。启动卷扬机314后，卷扬机314牵引牵拉绳索313带动环向滑块312在环向导杆311上环向移动，纵向连接杆315和纵向驱动组件32也随之作环向平移。启动滚轮321后，滚轮321转动带动皮带322传动，从而带动纵向滑块331沿纵向连接杆315纵向移动。基于上述两种运动，可将喷头332移动到隧道模型
1内壁的任意位置。

[0067] 温湿度监测装置4设置在隧道模型1内，用于测量隧道模型1内的温湿度场。温湿度监测装置4具体包括温度传感器和湿度传感器。

[0068] 通风装置5位于隧道模型1内的顶部，配置有电机，可控制其通风参数。

[0069] 另外，隧道模型1的纵向一侧设置有热水箱7，从热水箱7接出的进水管34连接到喷头332，热水箱7内的水可以经过进水管34通过喷头332喷洒到隧道衬砌内侧。隧道模型1内的水沟12的一端也接入热水箱7，喷洒到隧道内的热水可通过水沟12返回到热水箱7内。

[0070] 本发明还提供了一种模拟地下热水渗出隧道温湿度场演化的试验方法，所述方法基于上述试验装置实施，具体包括以下步骤：

[0071] S1：组装试验装置；

[0072] S2：打开分区加热装置2，调控各加热单元至预定的围岩温度，打开温湿度监测装置4及通风装置5，通过温湿度监测装置4测量洞内初始温湿度场；

[0073] S3：利用环向驱动组件31和纵向驱动组件32将纵向滑块331沿隧道衬砌内表面移动，热成像仪333和激光测温仪334对衬砌内壁的温度进行测试，并得到初始的衬砌内表面温度场分布；

[0074] S4：改变分区加热装置2预定位置处的加热单元至预定的热水温度值，随后重复S3，通过热成像仪333和激光测温仪334对衬砌内壁的温度进行测试，绘制衬砌内壁温度场等值线图，并与S3中的衬砌内表面初始温度场对比，进而得到高温热水作用下衬砌内表面温度场演化特征，当衬砌内表面温度高于初始值时，则判定该区域受热水渗出影响，最终得到热水引起的衬砌结构异常高温区分布范围；

[0075] S5：利用环向驱动组件31及纵向驱动组件32将纵向滑块331移动至衬砌结构异常高温区附近，打开喷头332，通过进水管34抽取热水箱7内的高温热水，将热水喷洒至衬砌内表面模拟热水渗出；

[0076] S6：此时通过温湿度监测装置4测量热水渗入隧道后由于蒸发所引起的洞内温湿度场演化特征；

[0077] S7：判断隧道内环境温度是否超过28℃，相对湿度是否超过80％，若洞内环境温湿度不满足要求，则不断改变通风装置5的通风参数，重复S2‑S6直至得到最优的通风参数，指导现场隧道施工。

[0078] 本试验装置解决了隧道防排水系统失效后，热水在失效位置处渗入隧道环境内，热水不断蒸发从而引起隧道温湿度环境恶化，危害隧道施工作业环境这个难题。试验装置可设置不同热水温度，不同渗水位置，从而模拟真实的隧道现场热水渗出情况，进而分析热水渗出引起的洞内温湿度场演化过程，通过调节试验装置内的通风系统确定最优通风参数进而指导现场施工。

[0079] 以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。