CN114833937A - 一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，包括外套筒和内套筒，所述外套筒设于内套筒外部，所述内套筒与外套筒之间有宽度与隧道管片厚度相同的间隙；所述外套筒和内套筒通过两端的首端板、尾端板连接，所述首端板、尾端板与内套筒通过螺纹连接且与外套筒通过螺栓连接，所述外套筒外径与首端板外径相等；所述内套筒内部有固定器，用于固定内套筒，所述内套筒外表面设有环向分隔板和纵向分隔板。本发明通过从外套筒侧壁上的注射孔注入石膏、水泥等材料来形成盾构隧道模型，可以按需控制模型隧道长度和材质。

Description

一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具及其使用方法

技术领域

本发明属于地下工程试验技术领域，具体涉及一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具及其使用方法。

背景技术

试验是地下工程理论与工程实践研究的关键环节，地下工程试验主要有单元试验、模型试验和原位试验三大类。其中，单元试验尺寸较小，只适合土体基本物理力学特性的测试。而针对具体的地下工程问题，则需要模型试验和原位试验，但原位试验造价高、不可控因素多、试验场地难以找到，而模型试验在受控条件下开展有针对性的探究，能揭示工程问题的关键机理，成为当前试验研究的重要手段。无论是自然重力环境下的1g模型试验还是采用离心机的ng模型试验，制作出来的小尺寸模型能否代表真实情况下的地下结构成为试验结果可靠性的关键控制因素。

现有的隧道破坏试验基本用空心圆柱体有机玻璃，很难模拟出隧道的自然破坏，或者研究局部缝隙问题时候，常常只会取管片的局部并对其进行放大。这些试验往往都会忽略实际管片拼接成隧道的过程，以及管片材料和管片连接的体现。那么如何实现缩尺下管片的拼接、连接等成为一个难题。

目前尚无技术方案能够制作具有管片细节和管片之间连接的盾构隧道缩尺模型。随着国家发展，盾构挖掘隧道将会运用越来越广泛，因此对于盾构隧道安全性、稳定性研究离不开缩尺模型的模拟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，包括外套筒和内套筒，所述外套筒设于内套筒外部，所述内套筒与外套筒之间有宽度与隧道管片厚度相同的间隙；所述外套筒和内套筒通过两端的首端板、尾端板连接，所述首端板、尾端板与内套筒通过螺纹连接且与外套筒通过螺栓连接，所述外套筒外径与首端板外径相等；所述内套筒内部有固定器，用于固定内套筒，所述内套筒外表面设有环向分隔板和纵向分隔板。

优选的，所述内套筒包括内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环，所述内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环均由三瓣拼接而成，内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环外表面设置对应于环向分隔板及纵向分隔板的卡槽；所述内套筒首端环外表面一端设有螺纹，另一端面均匀分布内套筒凹槽；所述内套筒尾端环外表面的一端有螺纹，另一端面均匀分布内套筒凸榫；所述内套筒中间环两个端面分别设有环向均匀分布的内套筒凹槽和内套筒凸榫；所述内套筒凹槽和内套筒凸榫尺寸相同，构成内套筒的内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环通过内套筒凹槽和内套筒凸榫卡合连接。

优选的，所述外套筒包括外套筒首端环、外套筒尾端环以及外套筒中间环，所述外套筒首端环的一个端面上设有环向均匀分布的螺栓孔，另一个端面上设有环向均匀分布的外套筒凹槽；所述外套筒尾端环的一个端面上设有环向均匀分布的螺栓孔，另一个端面上设有环向均匀分布的外套筒凸榫，所述外套筒中间环两个端面分别设有环向均匀分布的外套筒凹槽或外套筒凸榫，所述外套筒凹槽和外套筒凸榫尺寸相同，构成外套筒的外套筒首端环、外套筒尾端环以及外套筒中间环通过外套筒凹槽或外套筒凸榫卡合连接。

优选的，所述固定器由数个中心带圆孔、圆孔壁带螺纹的支撑圆板通过螺纹杆串联组成。

优选的，所述环向分隔板与纵向分隔板上均设有多个圆形开孔，环向分隔板与纵向分隔板的顶部至圆形开孔设有细缝，通过细缝将细铁丝卡入圆形开孔中，环向与纵向的细铁丝共同构成整个隧道模型的铁丝网；所述圆形开孔内还穿过用于变形监测的光纤。

优选的，所述细铁丝进行夹扁处理，夹扁处理后通过细缝卡入圆形开孔。

一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、确定盾构隧道缩尺模型的尺寸以及浇筑材料；

步骤二、将内套筒首端环三瓣拼装后与首端板通过螺纹连接，再将各内套筒中间环拼装并依次通过内套筒凹槽和内套筒凸榫卡合连接以延长内套筒，最后拼装连接内套筒尾端环，组装固定器并将其放入内套筒内部，临时端板旋入内套筒尾端环外表面的螺纹，在内套筒外表面涂凡士林；

步骤三、将环向分隔板、纵向分隔板卡入内套筒外表面对应卡槽处，在环向分隔板、纵向分隔板上涂凡士林；

步骤四、对细铁丝进行局部夹扁处理，放入环向分隔板、纵向分隔板对应的圆形开孔中，在待监测断面处将光纤从环向分隔板的圆形开孔穿进形成绕内套筒一周环形；

步骤五、在外套筒的外套筒首端环、外套筒尾端环以及外套筒中间环内表面上涂凡士林，将外套筒首端环从临时端板处套入并移动至内套筒另一端，并将其与首端板的螺栓孔对齐旋入螺栓固定，用镊子将环绕在内套筒上的光纤从外套筒的注射孔引出；

步骤六、逐个套入外套筒中间环，外套筒凹槽和外套筒凸榫，每放一环用镊子将环绕在该处的光纤从外套筒的注射孔引出，最后将临时端板取下并替换为尾端板后通过螺栓固定；

步骤七、张紧光纤，用注射器将固化材料从外套筒上的注射孔注入，每注完一孔用塞子堵住，光纤穿出的注射孔最后注射且不用塞子封堵；

步骤八、等待固化材料固化后，取下塞子、首端板、尾端板，逐环取下外套筒，旋出固定器中间的螺纹杆，移去支撑圆板，取下内套筒各瓣，即可得到盾构隧道缩尺模型。

本发明的技术效果和优点：

1.通过增加或减少内套筒中间环和外套筒中间环数量改变模型隧道长度；

2.通过改变内套筒和外套筒半径而改变隧道半径和管片厚度；

3.可通过改变环向分隔板和纵向分隔板的间隔与布置可制作由不同尺寸、不同排列方式的管片构成的盾构隧道模型；

4.可以选择任何可流动浇筑并养护固化的材料制作管片，包括但不限于水泥、石膏、细石混凝土等；

5.利用夹扁的钢丝来模拟管片间的螺栓连接，可以更准确地模拟实际管片情况；

6.利用三瓣模设计理念，方便内套筒脱模；

7.拆模时不需拆环向分隔板和纵向分隔板，可以更好模拟出管片间隔水垫的效果以及管片的连续性。

附图说明

图1为本发明实施例的盾构隧道缩尺模型浇筑模具的结构示意图；

图2为本发明实施例的内套筒的结构示意图；

图3为图2中A处的局部放大示意图；

图4为本发明实施例的外套筒的结构示意图；

图5为本发明实施例的固定器的结构示意图；

图6为本发明实施例的内套筒中间环一端面的结构示意图；

图7为本发明实施例的内套筒中间环另一端面的结构示意图；

图8为本发明实施例的外套筒中间环的结构示意图；

图9为本发明实施例的盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法的步骤二示意图；

图10为本发明实施例的盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法的步骤三示意图；

图11为本发明实施例的盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法的步骤四示意图；

图12为本发明实施例的盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法的步骤六示意图；

图13为本发明实施例的盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法的步骤七示意图；

图14为本发明实施例的盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法的步骤八示意图。

图中标号：100、内套筒；200、外套筒；1、内套筒首端环；2、固定器；3、环向分隔板；4、纵向分隔板；5、首端板；6、细铁丝；7、注射孔；8、外套筒首端环；9、外套筒中间环；10、开孔；11、支撑圆板；12、螺纹杆；13、内套筒凸榫；14、外套筒凸榫；15、注射器；16、塞子；17、临时端板；18、螺栓孔；19、光纤；20、内套筒中间环；21、内套筒尾端环；22、尾端板；23、外套筒尾端环；24、内套筒凹槽；25、外套筒凹槽；26、细缝。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

根据本发明的一实施方式结合图1至8示出，本发明提出了一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，包括外套筒200和内套筒100，外套筒200设于内套筒100外部；所述外套筒200和内套筒100通过两端的首端板5、尾端板22连接，首端板5、尾端板22与内套筒100通过螺纹连接且与外套筒200通过螺栓孔18用螺栓连接，外套筒200外径与首端板5外径相等；内套筒100内部有固定器2起固定作用，内套筒100外表面设有环向分隔板3和纵向分隔板4。

如图2，内套筒100包括内套筒首端环1、内套筒尾端环21以及内套筒中间环20，一个完整的内套筒100由1个内套筒首端环1、若干个内套筒中间环20和1个内套筒尾端环21组成，各环由三瓣拼接而成，各环外表面设置对应于环向分隔板3及纵向分隔板4的卡槽；如图6、7，所述内套筒首端环1一端的外表面有螺纹，另一端面均匀分布3个内套筒凹槽24；所述内套筒尾端环21一端的外表面有螺纹，另一端面均匀分布3个内套筒凸榫13；所述内套筒中间环20两个端面分别设有环向均匀分布的内套筒凹槽24与内套筒凸榫13；所述内套筒凹槽24与内套筒凸榫13尺寸相同、深高相等，构成内套筒100的各环通过内套筒凹槽24与内套筒凸榫13卡合连接。

如图4，外套筒200包括外套筒首端环8、外套筒尾端环23以及外套筒中间环9，一个完整的外套筒200由1个外套筒首端环8、若干个外套筒中间环9和1个外套筒尾端环23组成；述外套筒首端环8的一个端面上设有环向均匀分布的4个螺栓孔18，如图8，另一个端面上设有环向均匀分布的4个外套筒凹槽25；所述外套筒尾端环23的一个端面上设有环向均匀分布的4个螺栓孔18，另一个端面上设有环向均匀分布的4个外套筒凸榫14，所述外套筒中间环9两个端面分别设有环向均匀分布的外套筒凹槽25和外套筒凸榫14，所述外套筒凹槽25和外套筒凸榫14尺寸相同、深高相等，构成外套筒200的各环通过外套筒凹槽25和外套筒凸榫14卡合连接。

如图5，固定器2由数个中心带圆孔、圆孔壁带螺纹的支撑圆板11通过螺纹杆12串联组成。

如图3，环向分隔板3与纵向分隔板4均设有圆形开孔10，环向分隔板3与纵向分隔板4的顶部至圆形开孔10设有细缝26；通过细缝26可将细铁丝6卡入圆形开孔10中，环向和纵向的细铁丝6构成整个隧道模型的铁丝网；用于变形监测的光纤19也可穿入圆形开孔10。

具体地，只有将细铁丝6夹扁后才可以通过细缝26卡入圆形开孔10，夹扁铁丝的弱化作用用于反映实际中管片间的螺栓连接薄弱处。

如图所示9-14，本发明提供一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、确定盾构隧道缩尺模型的尺寸以及浇筑材料，本实施例选用的隧道缩尺模型尺寸为管片内径550mm、外径585mm、宽度112mm，错缝拼装，上述各部件均按照该尺寸制作，主要尺寸参数为外套筒总长度600mm、内径585mm、外径700mm，内套筒总长度700mm、外径550mm、内径500mm，端板外径700mm、内径550mm、宽度50mm，临时端板外径570mm、内径550mm、宽度50mm；细铁丝直径3mm，纵向与环向分隔板厚度为5mm，模型盾构隧道管片材料选用石膏；

步骤二、将内套筒首端环1的三瓣拼装后与首端板5通过螺纹连接，再将各内套筒中间环20拼装并依次通过内套筒凹槽24和内套筒凸榫13卡合连接以延长内套筒100，最后拼装连接内套筒尾端环21，组装固定器2并将其放入内套筒100内部，临时端板17通过内套筒尾端环21外表面螺纹连接，在内套筒100外表面涂凡士林；

步骤三、将环向分隔板3、纵向分隔板4卡入内套筒外表面对应卡槽处，在环向分隔板3、纵向分隔板4上涂凡士林；

步骤四、对细铁丝6进行局部夹扁处理，放入环向分隔板3、纵向分隔板4对应位置，在待监测断面处将光纤19从环向分隔板3的圆形开孔10穿进形成绕内套筒100一周的环形；

步骤五、在外套筒200的外套筒首端环8、外套筒尾端环23以及外套筒中间环9内表面上涂凡士林，将外套筒首端环8从临时端板17处套入并移动至内套筒100另一端，并将其与首端板5的螺栓孔18对齐旋入螺栓固定，用镊子将环绕在内套筒100上的光纤19从外套筒注射孔7引出；

步骤六、逐个套入外套筒中间环9，外套筒凹槽25和外套筒凸榫14对齐，每放一环用镊子将环绕在该处上的光纤19从外套筒注射孔7引出，最后将临时端板17取下并替换为尾端板22后通过螺栓固定；

步骤七、张紧光纤19，用注射器15将石膏浆液从外套筒上的注射孔7注入，每注完一孔用塞子16堵住，光纤19穿出的注射孔7最后注射且不用塞子16封堵；

步骤八、等待材料固化后，缓慢、小心地取下塞子16、首端板5、尾端板22，逐环取下外套筒200，旋出固定器2中间的螺纹杆12，拿出支撑圆板11，缓慢取下内套筒100的各瓣，即可得到盾构隧道缩尺模型。

综上所述，本发明公开一种盾构管片缩尺浇筑模型制作模具及其使用方法，通过增加或减少内套筒中间环20和外套筒中间环9数量改变模型隧道长度；通过改变内套筒100和外套筒200半径而改变隧道半径和管片厚度；可通过改变环向分隔板3和纵向分隔板4的间隔与布置可制作由不同尺寸、不同排列方式的管片构成的盾构隧道模型；可以选择任何可流动浇筑并养护固化的材料制作管片，包括但不限于水泥、石膏、细石混凝土等；利用夹扁的细铁丝6来模拟管片间的螺栓连接，可以更准确地模拟实际管片情况；利用三瓣模设计理念，方便内套筒100脱模；拆模时不需拆分隔板，可以更好模拟出管片间隔水垫的效果以及管片的连续性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，其特征在于，包括外套筒和内套筒，所述外套筒设于内套筒外部，所述内套筒与外套筒之间有宽度与隧道管片厚度相同的间隙；所述外套筒和内套筒通过两端的首端板、尾端板连接，所述首端板、尾端板与内套筒通过螺纹连接且与外套筒通过螺栓连接，所述外套筒外径与首端板外径相等；所述内套筒内部有固定器，用于固定内套筒，所述内套筒外表面设有环向分隔板和纵向分隔板。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，其特征在于，所述内套筒包括内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环，所述内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环均由三瓣拼接而成，内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环外表面设置对应于环向分隔板及纵向分隔板的卡槽；所述内套筒首端环外表面一端设有螺纹，另一端面均匀分布内套筒凹槽；所述内套筒尾端环外表面的一端有螺纹，另一端面均匀分布内套筒凸榫；所述内套筒中间环两个端面分别设有环向均匀分布的内套筒凹槽和内套筒凸榫；所述内套筒凹槽和内套筒凸榫尺寸相同，构成内套筒的内套筒首端环、内套筒尾端环以及内套筒中间环通过内套筒凹槽和内套筒凸榫卡合连接。

3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，其特征在于，所述外套筒包括外套筒首端环、外套筒尾端环以及外套筒中间环，所述外套筒首端环的一个端面上设有环向均匀分布的螺栓孔，另一个端面上设有环向均匀分布的外套筒凹槽；所述外套筒尾端环的一个端面上设有环向均匀分布的螺栓孔，另一个端面上设有环向均匀分布的外套筒凸榫，所述外套筒中间环两个端面分别设有环向均匀分布的外套筒凹槽或外套筒凸榫，所述外套筒凹槽和外套筒凸榫尺寸相同，构成外套筒的外套筒首端环、外套筒尾端环以及外套筒中间环通过外套筒凹槽或外套筒凸榫卡合连接。

4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，其特征在于，所述固定器由数个中心带圆孔、圆孔壁带螺纹的支撑圆板通过螺纹杆串联组成。

5.根据权利要求1所述的一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，其特征在于，所述环向分隔板与纵向分隔板上均设有多个圆形开孔，环向分隔板与纵向分隔板的顶部至圆形开孔设有细缝，通过细缝将细铁丝卡入圆形开孔中，环向与纵向的细铁丝共同构成整个隧道模型的铁丝网；所述圆形开孔内还穿过用于变形监测的光纤。

6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具，其特征在于，所述细铁丝进行夹扁处理，夹扁处理后通过细缝卡入圆形开孔。

7.一种盾构隧道缩尺模型浇筑模具的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、确定盾构隧道缩尺模型的尺寸以及浇筑材料；

步骤二、将内套筒首端环三瓣拼装后与首端板通过螺纹连接，再将各内套筒中间环拼装并依次通过内套筒凹槽和内套筒凸榫卡合连接以延长内套筒，最后拼装连接内套筒尾端环，组装固定器并将其放入内套筒内部，临时端板旋入内套筒尾端环外表面的螺纹，在内套筒外表面涂凡士林；

步骤三、将环向分隔板、纵向分隔板卡入内套筒外表面对应卡槽处，在环向分隔板、纵向分隔板上涂凡士林；

步骤四、对细铁丝进行局部夹扁处理，放入环向分隔板、纵向分隔板对应的圆形开孔中，在待监测断面处将光纤从环向分隔板的圆形开孔穿进形成绕内套筒一周环形；

步骤五、在外套筒的外套筒首端环、外套筒尾端环以及外套筒中间环内表面上涂凡士林，将外套筒首端环从临时端板处套入并移动至内套筒另一端，并将其与首端板的螺栓孔对齐旋入螺栓固定，用镊子将环绕在内套筒上的光纤从外套筒的注射孔引出；

步骤六、逐个套入外套筒中间环，外套筒凹槽和外套筒凸榫，每放一环用镊子将环绕在该处的光纤从外套筒的注射孔引出，最后将临时端板取下并替换为尾端板后通过螺栓固定；

步骤七、张紧光纤，用注射器将固化材料从外套筒上的注射孔注入，每注完一孔用塞子堵住，光纤穿出的注射孔最后注射且不用塞子封堵；

步骤八、等待固化材料固化后，取下塞子、首端板、尾端板，逐环取下外套筒，旋出固定器中间的螺纹杆，移去支撑圆板，取下内套筒各瓣，即可得到盾构隧道缩尺模型。

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