CN104464477B - 一种隧道教学实验模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道教学实验模型。用于教学上集中呈示现隧道施工中的各个工序的结构特性且为学生提供实验操作。具有一立于地面的模拟隧道甬道，甬道为由钢板围构而成为的隧道钢板模型；隧道模型外设置钢架，钢架由若干立柱构成的侧架及若干横梁固连构成；所述甬道沿纵向等分为三段，即代表隧道施工不同阶段的三个模型单元。本发明能全过程反映隧道超前地质预报、监控量侧等综合模拟情况，既呈现隧道施工中的各个工序，又适用于本专业本科生参观学习、实验操作的隧道实验模型。以本模型为依托开展让学生有切身感受的工程实际、参与施工过程的技能训练和创新思维锻炼实践，形成综合性的新型创新实验项目。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种能综合反映隧道超前地质预报、监控量测的实验模型，属于地下工程专业的本科实验教学领域。
背景技术
随着社会的发展，当代社会越来越需要的创新型人才。但当前中国高校教育形式单一，许多科目教育与工程实际联系不足，造成学生在学校只能掌握理论知识而无法顺利应用于工程实际，以至于学生到实际工作中发现问题、解决问题的能力较低，缺少创新性的思维。由于岩石和土体的不确定性所以隧道内部情况也比较复杂，单纯依靠理论上的教育并不能学生真正掌握这门学科。
如何让学生全面、深刻、灵活地掌握隧道工程的专业知识是本科专业教学的一个难题。在现代的教学往往通过组织学生实习来加强理论与实际的联系，但是通常都面临着实习时间短，形式过于单一,并且大多数都是以参观为主。如何让学生参与其中，使其切身感受工程实际，在学习理论知识的同时加强实际操作能力，以及培养学生发现问题、解决问题的能力仍是急需解决的一大问题。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种用于教学上集中呈示现隧道施工中的各个工序的结构特性且为学生提供实验操作的隧道教学实验模型。在充分搜集、整理国内外在隧道建设过程中进行的超前地质预报、监控量测等技术现状的基础上，设计出一种既呈现隧道施工中的各个工序，又适用于本专业本科生参观学习、实验操作的隧道实验模型。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种隧道教学实验模型，用于教学上集中呈示现隧道施工中的各个工序的结构特性且为学生提供实验操作，具有一立于地面的模拟隧道甬道100，甬道为由钢板围构而成为的隧道钢板模型；隧道模型外设置钢架200，钢架由若干立柱构成的侧架及若干横梁固连构成；所述甬道沿纵向等分为三段，即代表隧道施工不同阶段的三个模型单元；钢架与隧道钢板模型间设置有若干作为向隧道钢板模型施加变形荷载的千斤顶300传递加载模拟隧道围岩压力；承力板310用作向模型施加荷载时的反力支座，用于该模型的固定及加载；
所述三个模型单元分别为：
第一模型单元Ⅰ：该单元模拟已施作二次衬砌的隧道，有两层混凝土，其钢板与第一层混凝土110间环向五个部位埋设压力盒410，在第一层混凝土中环向五个部位埋设钢筋计420，模拟对围岩压力和初期支护内力进行监测；在第一层与第二层混凝土120间环向五个部位埋设层间压力盒430，在第二层混凝土中环向五个部位埋设埋入式混凝土应变计440，模拟初期支护与二次衬砌间压力和二次衬砌内力进行监测；
第二模型单元Ⅱ：该单元模型模拟已施作初期支护的隧道，有一层混凝土(110)，其钢板与混凝土间环向五个部位埋设压力盒，在混凝土中环向五个部位埋设钢筋计，模拟对围岩压力和初期支护内力进行监测；
第三模型单元Ⅲ：该单元模型模拟隧道刚开挖的状态，本单元在钢板上环向无个部位安装表面应变计，并在拱顶设挂钩用作拱顶下沉测点、左右边墙设水平收敛测点，模拟隧道开挖完成后，对拱顶下沉和水平收敛等位移参数进行监测。
采用如上的设计，本发明能全过程反映隧道超前地质预报、监控量侧等综合模拟情况，既呈现隧道施工中的各个工序，又适用于本专业本科生参观学习、 实验操作的隧道实验模型。以本模型为依托开展让学生有切身感受的工程实际、参与施工过程的技能训练和创新思维锻炼实践，形成综合性的新型创新实验项目。
附图说明
图1为本发明隧道甬道实施例的横截面尺寸图。
图2为隧道教学实验模型的俯视图。
图3为隧道甬道的侧向局部剖视图。
图4为图2的A-A剖视图。
图5为图2的B-B剖视图。
图6为图2的C-C剖视图。
图7为图2的D-D剖视图。
具体实施方式
1模型的建立
1)根据实验场地情况，为了便于学生真实的参与实验，隧道模型宽、高均采用3m(见图1)，沿纵向按3m一个单元制作，共计9m(见图2)，隧道模型采用10mm和5mm钢板制作，并在其施作两层混凝土以模拟隧道的衬砌结构，见图3。
2)第1个单元模型模拟已施作二次衬砌后的隧道，两层混凝土厚度见图3所示。该单元在钢板与第一层混凝土间环向5个部位埋设压力盒，在第一层混凝土中环向5个部位埋设钢筋计；在第一层与第二层混凝土间环向5个部位埋设压力盒，在第二层混凝土中环向5个部位埋设埋入式混凝土应变计，见图4。
3)第2个单元模型模拟已施作初期支护后的隧道，初期支护厚度见图3所示，该单元在钢板与第一层混凝土间环向5个部位埋设压力盒，在第一层混凝土中环 向5个部位埋设钢筋计，见图5。
4)第3个单元模型模拟刚开挖的状态，该单元在钢板上环向5个部位安装表面应变计，并在拱顶设挂钩130用作拱顶下沉测点、左右边墙设水平收敛测点，见图6所示。
5)在第3个单元端头用钢板封堵用于模拟隧道掌子面，在其上绘画模拟掌子面地层的节理、裂隙等，见图7。
6)隧道模型外设置钢架，作为向隧道钢板模型施加变形荷载时的反力支座，每个模型单元采用5个2t的千斤顶通过1m长的承力板向模型施加荷载，千斤顶及承力板布置见图2～5所示。隧道钢板模型置于带滑槽的底座上。
2模型材料及性能要求
隧道模型所需材料见表1所示。
表1 计算主要材料参数
注：1、考虑反力，可将提供反力的钢架固定；
2、在满足本科实验教学的前提下，可以对方案进行改善、优化。
本发明是一个综合性的实验模型，能够以此系统为基础开展学生切身感受工程实际、参与施工过程的技能训练和创新思维锻炼实践，锻炼大学本科学生的动手和操作能力，以及培养发现和解决问题的能力。
Claims (4)
1.一种隧道教学实验模型，用于教学上集中呈示现隧道施工中的各个工序的结构特性且为学生提供实验操作，其特征在于，具有一立于地面的模拟隧道甬道(100)，甬道为由钢板围构而成为的隧道钢板模型；隧道钢板模型外设置钢架(200)，钢架由若干立柱构成的侧架及若干横梁固连构成；所述甬道沿纵向等分为三段，即代表隧道施工不同阶段的三个模型单元；钢架与隧道钢板模型间设置有若干作为向隧道钢板模型施加变形荷载的千斤顶(300)传递加载模拟隧道围岩压力；承力板(310)用作向隧道钢板施加荷载时的反力支座，用于隧道钢板的固定及加载；
所述三个模型单元分别为：
第一模型单元Ⅰ：该单元模拟已施作二次衬砌的隧道，有两层混凝土，其钢板与第一层混凝土(110)间环向五个部位埋设压力盒(410)，在第一层混凝土中环向五个部位埋设钢筋计(420)，模拟对围岩压力和初期支护内力进行监测；在第一层与第二层混凝土(120)间环向五个部位埋设层间压力盒(430)，在第二层混凝土中环向五个部位埋设埋入式混凝土应变计(440)，模拟初期支护与二次衬砌间压力和二次衬砌内力进行监测；
第二模型单元Ⅱ：该单元模型模拟已施作初期支护的隧道，有一层混凝土(110)，其钢板与混凝土间环向五个部位埋设压力盒，在混凝土中环向五个部位埋设钢筋计，模拟对围岩压力和初期支护内力进行监测；
第三模型单元Ⅲ：该单元模型模拟隧道刚开挖的状态，本单元在 钢板上环向五个部位安装表面应变计，并在拱顶设挂钩用作拱顶下沉测点、左右边墙设水平收敛测点，模拟隧道开挖完成后，对拱顶下沉和水平收敛位移参数进行监测；
每个模型单元采用五个千斤顶通过承力板向模型施加荷载，用于该模型的固定及加载；
在第三模型单元端头用钢板封堵以模拟隧道掌子面，在其上绘画模拟掌子面地层的节理、裂隙，模拟对隧道开挖后的掌子面进行素描。
2.根据权利要求1所述之隧道教学实验模型，其特征在于，所述三个模型单元分别对应开挖完成、初期支护施作完成和二次衬砌施作完成后的状态，模型单元内面模拟掌子面围岩的节理、层理、裂隙、破碎层。
3.根据权利要求2所述之隧道教学实验模型，其特征在于，每个模型单元采用5个2t的千斤顶通过1m长的承力板向模型施加荷载。
4.根据权利要求1所述之隧道教学实验模型，其特征在于，隧道断面拟定：实验模型宽、高均3m，纵向3m一单元，共3个单元；隧道钢板模型采用10mm和5mm钢板制作，并在内部浇筑混凝土来模拟隧道的初期支护和二次衬砌结构。
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