CN107060829B - 用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构及其制作方法，其中用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构包括底座、竖直设在底座上截面呈隧道轮廓的模具，所述模具包括内模板和外模板，所述内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成，内模板和外模板之间形成的腔体间隔设有阻隔片，在内模板、外模板与阻隔片之间形成的若干个独立腔室内浇铸有石膏浆液，所述独立腔室内埋设有土压力传感器。本发明与传统整体浇筑的隧道衬砌模型相比，拼装式隧道衬砌模型可较好地模拟掌子面分部开挖、衬砌分段施作的实际施工过程；同时在衬砌分块内预埋微型土压力传感器，可方便地测量衬砌结构与围岩间的接触压力，避免传统外贴式传感器对模型试验结果产生的不利影响。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构及其制作方法。
背景技术：
随着我国高等级公路、铁路的迅猛发展，山岭隧道的建设规模与建设难度也空前增大。另一方面，由于岩土及隧道工程本身的复杂性，除理论分析、现场观测和数值模拟外，模型试验方法已越来越成为隧道工程相关领域研究的一种重要手段。
模型试验是按一定的几何、物理关系，用模型代替原型进行测试研究，并将研究结果用于原型的试验方法。从国内外公开的文献资料上看，在隧道工程相关的模型试验中，其衬砌结构模型通常是在特定尺寸的模具中，采用石膏浆液或水泥砂浆液一次性整体浇筑成型的。然而在工程实践中，山岭隧道通常采用掌子面分部开挖、衬砌结构分段施作的新奥法施工，因此整体浇筑式的隧道衬砌模型，是无法模拟实际施工过程的。
另一方面，开展模型试验过程中，需在衬砌结构模型的外表面，贴置应变片或微型土压力传感器，以量测衬砌结构的应力、围岩衬砌间的接触压力等物理量。但经相似比缩尺后的隧道模型，其几何尺寸较小，而各种外贴式测量传感器（及其引脚线）占据了相当的体积，这将对模型试验结果产生较大影响。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构及其制作方法，该用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构设计合理，与传统整体浇筑的隧道衬砌模型相比，其可较好地模拟掌子面分部开挖、衬砌分段施作的实际施工过程。
本发明用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构，其特征在于：包括底座、竖直设在底座上截面呈隧道轮廓的模具，所述模具包括内模板和外模板，所述内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成，内模板和外模板之间形成的腔体间隔设有阻隔片，在内模板、外模板与阻隔片之间形成的若干个独立腔室内浇铸有石膏浆液，所述独立腔室内埋设有土压力传感器。
进一步的，上述内模板的外表面，外模板的内表面均涂覆有脱模剂层，所述阻隔片的两侧面也涂覆有脱模剂层。
进一步的，上述阻隔片为呈“Ω”形的薄铝片。
进一步的，上述底座为PVC泡沫板。
进一步的，上述脱模剂为凡士林或黄油，所述圆弧形钢板为圆弧形镀锌钢板，所述石膏浆液为建筑石膏与水按2：1比例搅拌均匀形成的流塑态。
本发明用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构的制作方法，其特征在于：所述用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构包括底座、竖直设在底座上截面呈隧道轮廓的模具，所述模具包括内模板和外模板，所述内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成，内模板和外模板之间形成的腔体间隔设有阻隔片，在内模板、外模板与阻隔片之间形成的若干个独立腔室内浇铸有石膏浆液，所述独立腔室内埋设有土压力传感器；制作时，将隧道原型按设计几何相似比进行缩尺，进而根据缩尺后衬砌结构模型的内外轮廓尺寸，定制相应的模具，模具的内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成；模具的底座采用PVC泡沫板；模具的阻隔片采用弯曲成Ω形的薄铝片；在内模板外侧面和外模板内侧面涂抹脱模剂以便于后期脱模，在底座上刻画出衬砌结构模型内外轮廓线位置，将内模板和外模板嵌入底座中，在阻隔片两侧涂抹脱模剂，并将其按一定间距插入内外模板之间，使之形成若干独立腔室；接着在上述相互独立腔室中，注入按特定比例调配的石膏浆液，待其风干成型后，形成具有Ω形接头的拼装式衬砌结构分块；浇筑过程中，可在衬砌结构分块中预埋微型土压力传感器，以便后期开展模型试验过程中，测量特定位置处衬砌结构与围岩之间的接触压力；然后拆除底座，将风干成型的衬砌结构分块依次脱出模具；开展模型试验时，随着掌子面的分部开挖，将各衬砌结构分块依次拼装，以模拟实际施工过程，拼装过程中，应在各分块的拼装接缝处涂抹强力胶，以保证各分块之间可靠连接。
本发明优点在于：与传统整体浇筑的隧道衬砌模型相比，拼装式隧道衬砌模型可较好地模拟掌子面分部开挖、衬砌分段施作的实际施工过程；同时在衬砌分块内预埋微型土压力传感器，可方便地测量衬砌结构与围岩间的接触压力，避免传统外贴式传感器对模型试验结果产生的不利影响。
附图说明：
图1为拼装式衬砌结构模型的浇筑装置的俯视图；
图2为预埋微型土压力传感器的单个衬砌结构分块的侧视图；
图3为部分拼装完成的隧道衬砌结构模型的俯视图；
图中：1-内模板，2-外模板，3-底座，4-阻隔片，5-独立的腔室，6-衬砌结构分块，7-微型土压力传感器，8-拼装接缝。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构包括底座3、竖直设在底座上截面呈隧道轮廓的模具，所述模具包括内模板1和外模板2，所述内模板1和外模板2均由若干段圆弧形钢板拼接而成，内模板和外模板之间形成的腔体间隔设有阻隔片4，在内模板、外模板与阻隔片之间形成的若干个独立腔室5内浇铸有石膏浆液，所述独立腔室内埋设有微型土压力传感器7。
进一步的，为了便于脱模，上述内模板的外表面，外模板的内表面均涂覆有脱模剂层，所述阻隔片的两侧面也涂覆有脱模剂层。
进一步的，为了设计合理，上述阻隔片4为呈“Ω”形的薄铝片。
进一步的，为了制作方便，上述底座为PVC泡沫板。
进一步的，上述脱模剂为凡士林或黄油，所述圆弧形钢板为圆弧形镀锌钢板，所述石膏浆液为建筑石膏与水按2：1比例搅拌均匀形成的流塑态。
本发明用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构的制作方法，所述用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构包括底座、竖直设在底座上截面呈隧道轮廓的模具，所述模具包括内模板和外模板，所述内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成，内模板和外模板之间形成的腔体间隔设有阻隔片，在内模板、外模板与阻隔片之间形成的若干个独立腔室内浇铸有石膏浆液，所述独立腔室内埋设有土压力传感器；制作时，将隧道原型按设计几何相似比进行缩尺，进而根据缩尺后衬砌结构模型的内外轮廓尺寸，定制相应的模具，模具的内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成；模具的底座采用PVC泡沫板；模具的阻隔片采用弯曲成Ω形的薄铝片；在内模板外侧面和外模板内侧面涂抹脱模剂以便于后期脱模，在底座上刻画出衬砌结构模型内外轮廓线位置，将内模板和外模板嵌入底座中，在阻隔片两侧涂抹脱模剂，并将其按一定间距插入内外模板之间，使之形成若干独立腔室；接着在上述相互独立腔室中，注入按特定比例调配的石膏浆液，待其风干成型后，形成具有Ω形接头的拼装式衬砌结构分块；浇筑过程中，可在衬砌结构分块中预埋微型土压力传感器，以便后期开展模型试验过程中，测量特定位置处衬砌结构与围岩之间的接触压力；然后拆除底座，将风干成型的衬砌结构分块依次脱出模具；开展模型试验时，随着掌子面的分部开挖，将各衬砌结构分块依次拼装，以模拟实际施工过程，拼装过程中，应在各分块的拼装接缝处涂抹强力胶，以保证各分块之间可靠连接。
具体制作实施例（如图1-3）：
1）以四车道公路隧道为原型，根据其开挖轮廓线和初期衬砌厚度，按1：20的几何相似比进行缩尺。缩尺后衬砌模型的平面尺寸为：宽度186cm，高度112cm，厚度2cm。
2）根据缩尺后衬砌模型的几何尺寸，定制相应的模具。内模板1左半部分和右半部分，均由4段半径分别为92cm、51cm、15cm、220cm的圆弧形镀锌钢板（厚度3mm）组成，上述8段圆弧形镀锌钢板通过焊接形成内模板1。
3）外模板2左半部分和右半部分，均由4段半径分别为94cm、53cm、17cm、222cm的圆弧形镀锌钢板（厚度3mm）组成，上述8段圆弧形镀锌钢板通过焊接形成内模板2。
4）将长度6cm的铝片（厚度2mm）弯曲成Ω形作为阻隔片。
5）在内模板1外侧面、外模板2内侧面和阻隔片4两侧均匀涂抹脱模剂（凡士林或黄油），以便于后期脱模。
6）采用5cm厚度的PVC泡沫板作为模具底座，在底座3上刻画出用于安放内外模板的嵌固槽，将内模板1和外模板2嵌入底座3中。将16枚阻隔片4按一定间距插入内外模板之间，使之形成16个独立腔室5。
6）将建筑石膏与水按2：1比例搅拌均匀形成流塑态的石膏浆液，并依次注入上述各独立腔室5中。同时可在拱顶和边墙的腔室内预埋微型土压力传感器7，已便于后期测量拱顶与边墙处的接触压力。
7）待石膏浆液完全风干成型后，先拆除底座3，再通过人力振动推曳等方式，将风干成型的衬砌结构分块6依次脱出模具。
8）开展模型试验时，根据掌子面的分部开挖情况，将各衬砌结构分块6依次拼装，并在拼装接缝处8涂抹强力胶。应用本专利所述的拼装式衬砌结构模型，可模拟掌子面分部开挖、衬砌分段施作的实际施工过程；并可通过微型土压力传感器7，方便地测量特定位置处衬砌结构与围岩间的接触压力。
本发明优点在于：与传统整体浇筑的隧道衬砌模型相比，拼装式隧道衬砌模型可较好地模拟掌子面分部开挖、衬砌分段施作的实际施工过程；同时在衬砌分块内预埋微型土压力传感器，可方便地测量衬砌结构与围岩间的接触压力，避免传统外贴式传感器对模型试验结果产生的不利影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构，其特征在于：包括底座、竖直设在底座上截面呈隧道轮廓的模具，所述模具包括内模板和外模板，所述内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成，内模板和外模板之间形成的腔体间隔设有阻隔片，在内模板、外模板与阻隔片之间形成的若干个独立腔室内浇铸有石膏浆液，待石膏浆液风干成型后，形成衬砌结构分块，所述独立腔室内埋设有土压力传感器。
2.根据权利要求1所述的用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构，其特征在于：所述内模板的外表面，外模板的内表面均涂覆有脱模剂层，所述阻隔片的两侧面也涂覆有脱模剂层。
3.根据权利要求1所述的用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构，其特征在于：所述阻隔片为呈“Ω”形的薄铝片。
4.根据权利要求1所述的用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构，其特征在于：所述底座为PVC泡沫板。
5.根据权利要求1所述的用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构，其特征在于：所述脱模剂为凡士林或黄油，所述圆弧形钢板为圆弧形镀锌钢板，所述石膏浆液为建筑石膏与水按2：1比例搅拌均匀形成的流塑态。
6.一种用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构的制作方法，其特征在于：所述用于隧道模型试验的拼装式衬砌结构包括底座、竖直设在底座上截面呈隧道轮廓的模具，所述模具包括内模板和外模板，所述内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成，内模板和外模板之间形成的腔体间隔设有阻隔片，在内模板、外模板与阻隔片之间形成的若干个独立腔室内浇铸有石膏浆液，所述独立腔室内埋设有土压力传感器；制作时，将隧道原型按设计几何相似比进行缩尺，进而根据缩尺后衬砌结构模型的内外轮廓尺寸，定制相应的模具，模具的内模板和外模板均由若干段圆弧形钢板拼接而成；模具的底座采用PVC泡沫板；模具的阻隔片采用弯曲成Ω形的薄铝片；在内模板外侧面和外模板内侧面涂抹脱模剂以便于后期脱模，在底座上刻画出衬砌结构模型内外轮廓线位置，将内模板和外模板嵌入底座中，在阻隔片两侧涂抹脱模剂，并将其按一定间距插入内外模板之间，使之形成若干独立腔室；接着在上述相互独立腔室中，注入按特定比例调配的石膏浆液，待其风干成型后，形成具有Ω形接头的拼装式衬砌结构分块；浇筑过程中，可在衬砌结构分块中预埋微型土压力传感器，以便后期开展模型试验过程中，测量特定位置处衬砌结构与围岩之间的接触压力；然后拆除底座，将风干成型的衬砌结构分块依次脱出模具；开展模型试验时，随着掌子面的分部开挖，将各衬砌结构分块依次拼装，以模拟实际施工过程，拼装过程中，应在各分块的拼装接缝处涂抹强力胶，以保证各分块之间可靠连接。
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