CN109741675A - 盾构隧道衬砌环模型制作装置、制作方法及衬砌环模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道衬砌环模型制作装置、制作方法及衬砌环模型，所述制作装置包括底板(14)、外模件和内模件，外模件和内模件同心嵌套设置于所述底板(14)上，外模件和内模件之间设有间隙，该间隙形成用于制作衬砌环模型的顶面敞开的圆环区域，该圆环区域内设置有分隔片(12)和金属环(11)，所述金属环(11)穿过分隔片(12)设置；所述内模件包括多个圆弧形内模板(3)，多个所述内模板(3)通过第一连接件连接，各所述内模板(3)与衬砌环模型的管片相匹配。与现有技术相比，采用本发明制作的盾构隧道衬砌环模型具有与原型隧道相同的环向接头构造，装置本身制作成本低廉，可重复拆装使用，能实现衬砌环模型的批量生产。

Description

盾构隧道衬砌环模型制作装置、制作方法及衬砌环模型

技术领域

本发明属于土木工程领域，尤其是涉及一种可模拟盾构隧道环向接头的盾构隧道衬砌环模型制作装置、制作方法及衬砌环模型。

背景技术

盾构隧道是地下空间开发中应用最为广泛的结构形式之一，国内外大量公路隧道和轨道交通隧道均采用盾构法施工。由于盾构隧道本身的复杂性和特殊性，在进行相关课题研究时，常常需要考虑一定长度的隧道结构，比如隧道不均匀沉降研究、隧道施工引起的地面塌陷、隧道的抗震性能研究等，此类课题不可能对原型隧道进行大量的重复性试验，只能采用模型试验的方法，因此盾构隧道衬砌环模型制作装置就显得尤为重要。盾构隧道模型可主要分为两种，一种是采用高分子材料的延性模型，如聚乙烯、尼龙、树脂等，一种是采用类混凝土材料的脆性模型，如精细混凝土、石膏等。延性模型的优势在于，高分子材料有极强的可塑性，加工性能好，工艺成熟，能实现对原型隧道构造特征的高精度模拟，但高分子材料本身与隧道混凝土材料有很大差异，延性模型一般仅能在狭窄的弹性变形范围内对原型隧道进行刚度模拟，而隧道的塑形变形、破坏模式等无法通过此种模型进行模拟。脆性模型的优势在于材料性能与原型隧道相似，可同时进行刚度和强度模拟，试验中可观察到模型的破坏情况，劣势在于材料可塑性、加工性差，很难对隧道原型的细部构造特征进行模拟，如管片分块、接头螺栓等，已有文献资料中，采用类混凝土材料的模型均对盾构隧道的不连续性进行了等效处理，即考虑了接头对隧道刚度的削减作用，将模型的衬砌厚度适当减小，或者在模型上局部切槽来模拟接缝对刚度的弱化效果，这样的模型可以在宏观上模拟隧道整体的结构特征，但无法体现盾构隧道不连续、接头多的特点，而接头正是盾构隧道最薄弱最容易发生破坏的部位。

因此需要研发一种全新的盾构隧道衬砌环模型制作装置，以类混凝土材料为基础，使衬砌环模型具有与原型隧道相同的接头构造特征，还要造价低廉，制作简便，能反复拆装使用，满足模型试验的大批量需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可模拟盾构隧道环向接头的盾构隧道衬砌环模型制作装置、制作方法及衬砌环模型。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种盾构隧道衬砌环模型制作装置，包括底板、外模件和内模件，所述外模件和内模件同心嵌套设置于所述底板上，所述外模件和内模件之间设有间隙，该间隙形成用于制作衬砌环模型的顶面敞开的圆环区域，该圆环区域内设置有分隔片和金属环，所述金属环穿过分隔片设置；

所述内模件包括多个圆弧形内模板，多个所述内模板通过第一连接件连接，各所述内模板与衬砌环模型的管片相匹配。

进一步地，所述第一连接件包括连接钢板和螺钉，各内模板端部设有用于穿过所述螺钉的螺钉孔，相邻内模板通过连接钢板和螺钉实现固定和定位，形成的外圆弧面为衬砌环模型内侧提供模板。

进一步地，所述螺钉孔设有多个。

进一步地，所述内模板上设有内模板插销孔，所述底板相应位置处设置有底板插销孔，内模板与底板通过插销互相固定和定位。

进一步地，所述内模板上设置有把手。

进一步地，所述外模件包括至少两个外模板，各外模板通过第二连接件互相固定和定位，形成的内圆弧面为衬砌环模型外侧提供模板。

进一步地，所述第二连接件包括螺丝和木条。

进一步地，所述分隔片夹持于相邻内模板之间。

本发明还提供一种利用所述的制作装置的盾构隧道衬砌环模型制作方法，包括如下步骤：

1)将所述制作装置的各部分拼接完整；

2)在顶面敞开的圆环区域内浇筑精细混凝土，获得预期的衬砌环模型。

本发明还提供一种利用所述的制作装置制作的衬砌环模型。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)通过本发明装置获得的衬砌环模型拥有与原型隧道相同的环向接头构造；

(2)本发明装置不同部分之间采用多种方式互相固定和定位，装置整体稳定性可靠性高，得到的衬砌环模型高度标准化；

(3)本发明装置拆装方便，可重复使用，满足大量重复性试验的需求；

(4)本发明可以以精细混凝土作为模型主要材料，与原型隧道具有类似的材料性质。

附图说明

图1为本发明设计实例的衬砌环模型正视图；

图2为图1所示设计实例的1-1剖面图；

图3为本发明设计实例的底板设计图；

图4为本发明设计实例的外模板设计图；

图5为本发明设计实例的内模板设计图(未显示把手、插销孔、连接钢板)；

图6为本发明设计实例的内模板及连接钢板示意图(未显示把手、插销孔)；

图7为本发明设计实例的内模板与底板插销连接示意图(未显示把手)；

图8为本发明设计实例的内模板侧面把手示意图(未显示插销孔)；

图9为本发明设计实例的分隔片平面设计图；

图10为本发明设计实例的内模板夹持分隔片并穿过金属环示意图；

图11为本发明设计实例的制作装置安装完成效果图；

图中标号：1、纵缝，2、预埋金属环，3、内模板，4、连接钢板，5、螺钉，6、插销，7、内模板插销孔，8、底板插销孔，9、把手，10、夹持区，11、金属环，12、分隔片；

图中标注单位均为mm。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2-11所示，本发明提供一种盾构隧道衬砌环模型制作装置，包括底板14、外模件和内模件，外模件和内模件同心嵌套设置于底板14上，外模件和内模件之间设有间隙，该间隙形成用于制作衬砌环模型的顶面敞开的圆环区域，该圆环区域内设置有分隔片12和金属环11，金属环11穿过分隔片12设置；内模件包括多个圆弧形内模板3，多个内模板3通过第一连接件连接，各内模板3与衬砌环模型的管片相匹配，内模板每个分块对应的圆心角与相应衬砌环管片对应的圆心角相同，即内模件中各内模板3的分块方式与衬砌环模型管片分块方式相同。

在某些实施例中，第一连接件包括连接钢板4和螺钉5，各内模板3端部设有用于穿过螺钉5的螺钉孔，相邻内模板3通过连接钢板4和螺钉5实现固定和定位，形成的完整、稳定的外圆弧面为衬砌环模型内侧提供模板。螺钉孔可设置多个，方便进行内模板的稳定固定和位置调整。

内模板3上设有内模板插销孔7，底板14相应位置处设置有底板插销孔8，内模板3与底板14通过插销6互相固定和定位。内模板3上设置有把手9，方便人工拆装操作。

外模件包括至少两个外模板13，各外模板13通过第二连接件互相固定和定位，形成的完整、稳定的内圆弧面为衬砌环模型外侧提供模板。本某些实施例中，外模板13设有两个，每个外模板13均具有半圆内弧面，形成的外模件整个呈方形。第二连接件包括螺丝和木条。外模板13和底板14相应位置处设置有螺丝孔，外模板13与底板4通过螺丝互相固定和定位。

分隔片12夹持于相邻内模板3之间，如图9所示，分隔片12通过夹持区10与内模板3连接，因此夹持分隔片的位置与衬砌环纵缝的位置相同。分隔片12上打孔，用于穿过金属环，在模型制作过程中，分隔片对金属环有架立和定位的作用。

利用上述制作装置进行盾构隧道衬砌环模型制作的过程包括如下步骤：

1)将制作装置的各部分拼接完整，如图11所示；

2)在顶面敞开的圆环区域内浇筑精细混凝土，获得预期的衬砌环模型，如图1所示。

实施例

本实施例的目标衬砌环模型外径580mm，内径525mm，厚度27.5mm，宽度100mm，采用精细混凝土制作，衬砌环由1个封顶管片，2个邻接管片，5个标准管片组成，封顶管片对应圆心角16°，其余管片对应圆心角均为49°，管片相互连接处共形成8个纵缝，每个纵缝均由3根环向螺栓连接。

衬砌环模型外径580mm，因此选用800mm见方，厚20mm的硬木板作为底板，底板上表面抛光，并粘贴一层防水薄膜，该表面为整个装置的操作面。

外模板外围800mm见方，中央580mm直径的圆形范围掏空，因为衬砌环模型的宽度为100mm，外模板的高度同样是100mm。外模板以木材为主体，内部中空，表面覆盖防水薄膜。外模板分为对称两部分加工，加工过程中须保证两部分的对接面接触严密，且拼装完成后外模板内侧是一个完整标准的圆弧面。外模板和底板对应位置处共有8个螺丝孔，拼装过程中通过上述螺丝孔对外模板和底板进行固定和定位。外模板固定在底板上之后，在其上表面通过两根木条将两者再次固定。

内模板整体外径525mm，内径505mm，高10mm，不锈钢材质，分块制作，分块方式与衬砌环管片完全相同，1块16°圆心角，7块49°圆心角。内模板之间由连接钢板相互固定，连接钢板为矩形厚钢板，钢板略弯曲，曲率与内模板相同，在内模板共8个接缝处各设置一块连接钢板，钢板通过螺钉与内模板相互拧紧，通过连接钢板的固定和定位作用，内模板的外侧形成一个完整标准的圆弧面。每块内模板的内侧面均设置有插销孔，底板相应位置同样设置插销孔，内模板和底板通过8个插销相互固定和定位。每块内模板的内侧面均设置有把手，方便模型制作过程中内模板的拆装。

8块内模板共形成8个接缝，每个接缝中夹持1个分隔片，分隔片采用0.5mm厚的铝片制作，衬砌环模型纵断面100mm长27.5mm宽，分隔片需要将衬砌环模型完全断开，还要有足够的面积夹持在内模板接缝中，因此分隔片设计为100mm长37.5mm宽。衬砌环环向接头有3个环向螺栓，模型中采用3个预埋金属环模拟环向螺栓，预埋金属环断面直径1.5mm。根据衬砌环纵缝断面环向螺栓的位置，直接按照模型几何相似比所持可得到分隔片打孔的位置，每个分隔片打3个1.5mm直径的孔，每个孔均穿过一个金属环。在模型制作过程中，分隔片对金属环有架立和定位的作用，分隔片和金属环均位于内模板和外模板之间的圆环区域内。

整个衬砌环模型的制作过程可总结如下：

1.将外模板固定在底板上，并用木条将两部分外模板相互固定；

2.通过插销将内模板固定在外模板上；

3.将3个预埋金属环穿过8个铝制分隔片，并形成闭合圆环；

4.将分隔片夹持在相邻内模板接缝处；

5.使用连接钢板，将所有内模板相互固定连接；

6.在内模板和外模板围合而成的圆环空间内浇筑精细混凝土，并养护；

7.模型达到拆模强度后将内外模板拆除即可得到有环向接头的盾构隧道衬砌环模型。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，包括底板(14)、外模件和内模件，所述外模件和内模件同心嵌套设置于所述底板(14)上，所述外模件和内模件之间设有间隙，该间隙形成用于制作衬砌环模型的顶面敞开的圆环区域，该圆环区域内设置有分隔片(12)和金属环(11)，所述金属环(11)穿过分隔片(12)设置；

所述内模件包括多个圆弧形内模板(3)，多个所述内模板(3)通过第一连接件连接，各所述内模板(3)与衬砌环模型的管片相匹配。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，所述第一连接件包括连接钢板(4)和螺钉(5)，各内模板(3)端部设有用于穿过所述螺钉(5)的螺钉孔，相邻内模板(3)通过连接钢板(4)和螺钉(5)实现固定和定位，形成的外圆弧面为衬砌环模型内侧提供模板。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，所述螺钉孔设有多个。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，所述内模板(3)上设有内模板插销孔(7)，所述底板(14)相应位置处设置有底板插销孔(8)，内模板(3)与底板(14)通过插销(6)互相固定和定位。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，所述内模板(3)上设置有把手(9)。

6.根据权利要求1所述的盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，所述外模件包括至少两个外模板(13)，各外模板(13)通过第二连接件互相固定和定位，形成的内圆弧面为衬砌环模型外侧提供模板。

7.根据权利要求6所述的盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，所述第二连接件包括螺丝和木条。

8.根据权利要求2所述的盾构隧道衬砌环模型制作装置，其特征在于，所述分隔片(12)夹持于相邻内模板(3)之间。

9.一种利用如权利要求1所述的制作装置的盾构隧道衬砌环模型制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将所述制作装置的各部分拼接完整；

2)在顶面敞开的圆环区域内浇筑精细混凝土，获得预期的衬砌环模型。

10.一种利用如权利要求1所述的制作装置制作的衬砌环模型。