CN114973905A - 用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型及其使用方法，教学模型包括结构部件和功能部件，结构部件包括用于填充模拟土的填土槽和模拟地下水位的充水槽，填土槽和充水槽之间设有中间透水板；功能部件包括模拟隧道的半断面挡板组件、模拟不同地质的模拟土和模拟隧道施工的模拟衬砌，半断面挡板组件与填土槽连接。使用方法是在填土槽内安装半断面挡板组件并放入模拟土，在充水槽内倒入水，最后在半断面挡板组件上安装模拟衬砌。通过简单装置与操作，帮助学生直观地了解涉及地下水的地质条件下隧道矿山法全断面施工与盾构施工。

Description

用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型及其使用 方法

技术领域

本发明属于教学领域，具体涉及一种用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型及其使用方法。

背景技术

城市地下空间开发导致了专业人才需求与日俱增，截止目前，中国开办城市地下空间工程专业的高校已达到90多所。当代社会越来越需要地下空间的创新型人才，但是教学通常都面临着教育与工程实际联系不足、实习时间短、形式过于单一和大多数都是以参观为主等问题，造成学生只能掌握理论知识而无法应用于工程实际，以至于学生到实际工作中发现问题、解决问题的能力较低，单纯依靠理论上的教育不能让学生真正掌握隧道施工工艺。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。

演示教学为教育与工程实际联系的较好方式，建立教学模型让学生非常直观清晰地了解到岩体受力、外界荷载、支撑支护和围岩变形等一系列的过程和机理。现有的隧道施工工艺的实践教学一般采用以下方式：

1、建立隧道施工虚拟教学系统，利用三维激光扫描仪获取隧道物体表面三维点云数据，进行三维数值建模，利用虚拟现实头盔，接收计算机发出的信号数据并进行三维画面显示。虽然虚拟隧道施工直观可视，但是对高校设备要求高，无法普及展开实施。

2、建立等比例缩小的隧道模型，模拟隧道开挖面坍塌，学生直观地观察到了隧道是如何塌方，以及发生塌方时周围土体破坏情况的差异，但是模拟的工程情况不足，没有模拟隧道工程在不同地质条件及不同的开挖方式下的施工情况，无法满足教学需求。

3、建立隧道实训室，在室内配置隧道施工的模型，演示装置和教学仪器，学生可以在室内做炮眼布置实验、锚喷实验、爆破演示实训实验、危岩观测实验、锚杆支护及压力测试实验等，通过模拟来学习隧道的施工和检测。虽然实训室较为接近工程环境，但是造价高，学生实际可接触的机会少，管理难度大，进行爆破演习等危险性高。

4、组织学生到隧道工程的施工现场参观，但受到参观时间安排、现场接受参观的条件、安全管理以及交通等多因素的限制，不仅增加了组织筹备的工作量，提高了教学成本，还存在一定的安全隐患和管理难度。

因此，发明一种新型的模拟多种地质条件下隧道施工的教学模型显得非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型及其使用方法，通过简单装置与操作帮助学生直观地了解涉及地下水的地质条件下，隧道矿山法全断面施工与盾构施工。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，包括结构部件和功能部件，结构部件包括用于填充模拟土的填土槽和模拟地下水位的充水槽，填土槽和充水槽之间设有中间透水板，充水槽内的水通过中间透水板流至填土槽内；功能部件包括模拟隧道的半断面挡板组件、模拟不同地质的模拟土和模拟隧道施工的模拟衬砌，半断面挡板组件与填土槽连接。

结构部件中的填土槽填有功能部件中的模拟土，结构部件中的充水槽内盛有水，充水槽内的水通过中间透水板流至填土槽内，从而模拟涉及地下水的地质情况。半断面挡板组件安装在填土槽上用于模拟隧道，模拟衬砌可涂覆贴合在半断面挡板组件从而模拟隧道施工情况。

进一步，填土槽为底板、上部加载板、上前侧板、下前侧板、右侧挡土板、左侧挡土板与中间透水板之间形成的空间；冲水槽为底板、中间透水板、右侧挡水板、左侧挡板与后侧板之间形成的空间；半断面挡板组件包括去半圆形挡板、去半马蹄形挡板、半圆柱体和半马蹄柱体，模拟土包括EPS混色发泡填充颗粒、淀粉胶和砝码，模拟衬砌包括钢丝网、铆钉、淀粉胶、半圆环形板和半马蹄环形板。

去半圆形挡板、半圆柱体和半圆环形板用于模拟盾构轴对称半断面隧道施工，其中半圆环形板用于衬砌施工。去半马蹄形挡板、半马蹄柱体和半马蹄环形板用于矿山法轴对称半断面隧道施工，其中半马蹄环形板用于模拟盾构施工的管片拼接。模拟土以EPS混色发泡填充颗粒为主要原料，节约成本。淀粉胶用于粘连EPS混色发泡填充颗粒，砝码放置在上部加载板给模拟土增加压力，模拟不同土质情况。钢丝网、铆钉和淀粉胶模拟初期支护。

进一步，底板、上部加载板、上前侧板、下前侧板、后侧板、中间透水板、右侧挡水板、左侧挡水板、右侧挡土板、左侧挡土板、去半圆形挡板、去半马蹄形挡板均为等厚度矩形亚克力板，通过亚克力板专用胶拼接。结构部件均为价格低廉的亚克力板，拼接简单。

进一步，后侧板和中间透水板尺寸相同，右侧挡水板和左侧挡水板尺寸相同，右侧挡土板和左侧挡土板尺寸相同，去半圆形挡板和去半马蹄形挡板的长和宽的尺寸相同，底板、上部加载板、上前侧板和下前侧板水平长度均为a，左侧挡土板和去半圆形挡板水平长度相同，左侧挡土板竖直高度小于上前侧板竖直高度，左侧挡水板与左侧挡土板的水平长度之和与底板宽度相等；上前侧板与下前侧板之间留有距离L，L小于隧道开挖断面高度，上前侧板与下前侧板用于稳定半圆柱体或半马蹄柱体；右侧挡土板与左侧挡土板用于固定上前侧板。结构部件的尺寸相互匹配，便于安装。

进一步，中间透水板的左侧有竖直导槽A，中间透水板的右侧有竖直导槽B，中间透水板的中间均匀分布着用于透水的圆孔；竖直导槽A和竖直导槽B尺寸相同，竖直导槽A沿着中间透水板左侧边缘分布，竖直导槽A由左侧挡土板与一块竖直挡板组成，竖直导槽B沿着中间透水板右侧边缘分布，竖直导槽B由右侧挡土板与一块竖直挡板组成，竖直导槽A与竖直导槽B槽宽与去半圆形挡板或去半马蹄形挡板厚度相等。

竖直导槽用于固定去半圆形挡板与去半马蹄形挡板，同时竖直导槽可实现去半圆形挡板与去半马蹄形挡板的自由更换，实现一个模型模拟多种隧道开挖断面的功能。

进一步，上前侧板的左侧有竖直导槽C，上前侧板的右侧有竖直导槽D；竖直导槽C和竖直导槽D的尺寸相同，竖直导槽C沿着上前侧板左侧边缘分布，竖直导槽C由左侧挡土板与一块竖直挡板组成，竖直导槽D沿着上前侧板右侧边缘分布，竖直导槽D由右侧挡土板与一块竖直挡板组成，竖直导槽C与竖直导槽D的槽宽与去半圆形挡板或去半马蹄形挡板厚度相等。

进一步，去半圆形挡板含有半圆形开孔，半圆形开孔与底边角点相切，半圆形开孔直径等于三分之一底边长，模拟盾构隧道半开挖断面；去半马蹄形挡板含有半马蹄形开孔，半马蹄形开孔的下半部底拱与挡板底边角点相切，两侧拱间的最大距离等于三分之一底边长，模拟矿山法半开挖断面。

进一步，半圆柱体为长度等于a木制材料，表面含有等间距d的标线E，半圆柱体的横截面尺寸与去半圆形挡板含有的半圆形开孔尺寸相同；标线E为与半圆柱体的截面平行的半圆弧；半马蹄柱体为长度等于a的木制材料，表面含有等间距d的标线F，半马蹄柱体的横截面尺寸与去半马蹄形挡板含有半马蹄形开孔尺寸相同；标线F为与半马蹄柱体的截面平行的半马蹄形弧；半圆环形板长度为d，为灰色木质材料，数量为a/d块；半马蹄环形板长度为d，为灰色木质材料，数量为a/d块。

标线E的间距d表示盾构隧道的管片宽度；标线E用于在模拟多种地质条件下盾构轴对称半断面隧道施工时帮助操作者判断盾构机掘进的距离，从而及时拼接管片；标线F用于在模拟多种地质条件下矿山法轴对称半断面隧道施工时帮助操作者判断隧道开挖的距离，从而及时进行隧道的初期锚喷支护。

一种用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型的使用方法，模拟多种地质条件下矿山法轴对称半断面隧道施工，包括如下步骤：

a)竖直导槽A与竖直导槽C之间插入去半马蹄形挡板，竖直导槽B与竖直导槽D之间插入去半马蹄形挡板，半马蹄柱体放置于两个去半马蹄形挡板的马蹄形开孔之间，且与上前侧板、下前侧板贴紧；

b)按设计需求，将不同粒径的EPS混色发泡填充颗粒放置于填土槽，同时添加淀粉胶，搅拌均匀；将上部加载板置于填土槽上方，添加砝码；在充水槽中加入合适的水，调节达到设计水位；

c)待水位稳定后，通过半马蹄形开孔将填土槽内物体从一侧的去半马蹄形挡板侧向另一侧的去半马蹄形挡板水平推出d距离，出现标线F的第一条标线，形成半马蹄形隧洞，在隧洞壁面上涂抹模拟喷射混凝土的淀粉胶，将截面与半马蹄形开孔形状、尺寸相符，长度为d的钢丝网铺展于隧道内侧，同时将模拟锚杆的铆钉在钢丝网上径向钉入以固定，重复此操作，直至半马蹄柱体离开填土槽，两侧去半马蹄形挡板间的半马蹄形开孔贯通，并形成钢丝网、铆钉与淀粉胶模拟的初期锚喷支护；

d)完成初期支护后，将模拟混凝土的淀粉胶涂抹在钢丝网上，再将灰色木制的长度为d的半马蹄环形板由一侧的去半马蹄形挡板侧的马蹄形开孔向另一侧的去半马蹄形挡板侧依次铺展于隧道内侧，模拟衬砌施工；

e)观察理解施工步骤，从上部加载板观察地面沉降情况，从上前侧板观察不同地层的松动情况，理解隧道支护衬砌施工过程时，施工与地层之间的相互影响。

一种用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型的使用方法，模拟多种地质条件下盾构轴对称半断面隧道施工，包括如下步骤：

a)竖直导槽A与竖直导槽C之间插入去半圆形挡板，竖直导槽B与竖直导槽D之间插入去半圆形挡板，半圆柱体放置于两个去半圆形挡板的半圆形开孔之间，且与上前侧板、下前侧板贴紧；

b)按设计需求，将不同粒径的EPS混色发泡填充颗粒放置于填土槽，同时添加淀粉胶，搅拌均匀；将上部加载板置于填土槽上方，添加设计的砝码；在充水槽中加入水，调节达到设计水位；

c)待水位稳定后，通过半圆形开孔将填土槽内物体从一侧的去半圆形挡板向另一侧的去半圆形挡板水平推出d距离，出现标线E的第一条标线，形成半圆形隧洞，在形成的半圆形隧洞壁面上涂抹淀粉胶模拟混凝土，将宽度为d的半圆环形板，记为G，贴于隧洞壁面上，模拟盾构施工的管片，继续拉动半圆柱体移动距离d，再将淀粉胶涂抹于新形成的隧洞壁面上，接着将另一片半圆环形板，记为H，贴于新形成的壁面上，且G与H之间通过淀粉胶粘结，重复此操作，直至半圆柱体离开填土槽，两侧去半圆形挡板间的半圆形开孔贯通，模拟盾构施工的管片拼接；

d)观察理解施工步骤，从上部加载板观察地面沉降情况，从上前侧板观察不同地层的松动情况，理解隧道支护衬砌施工过程时，施工与地层之间的相互影响。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1)以价格低廉的亚克力板和EPS混色发泡填充颗粒为主要原料，节约成本。

2)以EPS混色发泡填充颗粒模拟土替代其他模拟土的方案，例如机油、石英、凡士林、重晶石模拟土，使得教学模型更加干净，学生方便操作；

3)通过简单装置与操作，帮助学生直观地了解涉及地下水的地质条件下矿山法轴对称半断面隧道施工与盾构法轴对称半断面隧道施工；

4)相比于“建立隧道实训室”等教学方法，本发明提出的一种模拟多种地质条件下隧道施工的教学模型具有更高的安全性；

5)除了帮助学生了解隧道施工的基本过程，还直观的展现了隧道开挖及支护衬砌对地表沉降和地层变化的影响，帮助学生深入理解地层-隧道结构体系。

附图说明

图1是本发明的结构部件示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是半圆柱体示意图；

图4是半马蹄柱体示意图；

图5是半圆环形板示意图；

图6是半马蹄环形板示意图；

图7是去半圆形挡板示意图；

图8是去半马蹄形挡板示意图；

图9是本发明的盾构法施工的示意图(未添加土与水)；

图10是图9的侧视图；

图11是本发明的矿山法施工的示意图(未添加土与水)；

图12是图11的侧视图。

具体实施方式

用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，包括结构部件和功能部件，结构部件包括用于填充模拟土的填土槽和模拟地下水位的充水槽，填土槽和充水槽之间设有中间透水板，充水槽内的水通过中间透水板流至填土槽内；功能部件包括模拟隧道的半断面挡板组件、模拟不同地质的模拟土和模拟隧道施工的模拟衬砌，半断面挡板组件与填土槽连接。

如图1和图2所示的结构部件，包括底板1、上部加载板2、上前侧板3、下前侧板4、后侧板5、中间透水板6、右侧挡水板7、左侧挡板8、右侧挡土板 9、左侧挡土板10。其中底板1、上部加载板2、上前侧板3、下前侧板4、右侧挡土板9、左侧挡土板10与中间透水板6之间形成的空间为填土槽，用于填充模拟土体的材料。底板1、中间透水板6、右侧挡水板7、左侧挡板8与后侧板 5之间的空间为充水槽，用于模拟地下水位。

如图3至图8所示，功能部件中的半断面挡板组件包括去半圆形挡板11、去半马蹄形挡板12、半圆柱体13和半马蹄柱体14。模拟土包括多种粒径的EPS 混色发泡填充颗粒和多种胶结强度的淀粉胶。模拟衬砌包括钢丝网、铆钉、淀粉胶、半圆环形板15和半马蹄环形板16。

底板1、上部加载板2、上前侧板3、下前侧板4、后侧板5、中间透水板6、右侧挡水板7、左侧挡水板8、右侧挡土板9、左侧挡土板10、去半圆形挡板11、去半马蹄形挡板12均为等厚度矩形亚克力板，通过亚克力板专用胶拼接，后侧板5、中间透水板6尺寸相同，右侧挡水板7与左侧挡水板8尺寸相同，右侧挡土板9与左侧挡土板10尺寸相同，去半圆形挡板11和去半马蹄形挡板12尺寸(矩形的长宽)相同，底板1、上部加载板2、上前侧板3与下前侧板4水平长度均为a，左侧挡土板10与去半圆形挡板11水平长度相同，左侧挡土板10竖直高度小于上前侧板3竖直高度，左侧挡水板8与去半圆形挡板11竖直高度相同，左侧挡水板8水平长度与左侧挡土板10水平长度之和与底板1宽度相等；上前侧板3与下前侧板4之间留有距离L，L略小于隧道开挖断面的高度，上前侧板3与下前侧板4用于稳定半圆柱体13与半马蹄柱体14；右侧挡土板9与左侧挡土板10用于固定上前侧板3。

中间透水板6左侧有竖直导槽A，右侧有竖直导槽B，中间均匀分布着圆孔 17，用于透水；竖直导槽A、竖直导槽B尺寸相同，竖直导槽A沿着中间透水板 6左侧边缘分布，竖直导槽A由左侧挡土板10与一块竖直挡板组成，竖直导槽 B沿着中间透水板6右侧边缘分布，竖直导槽B由右侧挡土板9与一块竖直挡板组成，竖直导槽A与竖直导槽B槽宽与去半圆形挡板11厚度相等；上前侧板3 左侧有竖直导槽C，右侧有竖直导槽D；竖直导槽C、竖直导槽D尺寸相同，竖直导槽C沿着上前侧板3左侧边缘分布，竖直导槽C由左侧挡土板10与一块竖直挡板组成，竖直导槽D沿着上前侧板3右侧边缘分布，竖直导槽D由右侧挡土板9与一块竖直挡板组成，竖直导槽C与竖直导槽D槽宽与去半圆形挡板11 厚度相等。

去半圆形挡板11含有半圆形开孔，半圆形开孔与底边角点相切，半圆形开孔直径等于三分之一底边长，可模拟盾构隧道半开挖断面；去半圆形挡板11与去半圆形挡板11相同；去半马蹄形挡板12含有半马蹄形开孔，拱形开孔的下半部底拱与挡板底边角点相切，两侧拱间的最大距离等于三分之一底边长，可模拟矿山法半开挖断面。

半圆柱体13为长度等于a木制材料，表面含有等间距d的标线E，半圆柱体13的横截面与去半圆形挡板11含有的半圆形开孔尺寸相同；标线E为与半圆柱体13截面平行的半圆弧；半马蹄柱体14为长度等于a的木制材料，表面含有等间距d的标线F，半马蹄柱体14的横截面尺寸与去半马蹄形挡板12含有半马蹄形开孔尺寸相同；标线F为与半马蹄柱体14截面平行的半马蹄形弧。

半圆环形板15长度为d，为灰色木质材料(灰色模拟混凝土颜色)，数量为 a/d块；半马蹄环形板16长度为d，为灰色木质材料，数量为a/d块。

如图9和图10所示，一种用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型的使用方法，模拟多种地质条件下矿山法轴对称半断面隧道施工，包括如下步骤：

a)竖直导槽A与竖直导槽C之间插入去半马蹄形挡板12，竖直导槽B与竖直导槽D之间插入去半马蹄形挡板12，半马蹄柱体14放置于两个去半马蹄形挡板12的马蹄形开孔之间，且与上前侧板3、下前侧板4贴紧；

b)按设计需求，将一定数量的不同粒径的EPS混色发泡填充颗粒放置于填土槽，同时添加一定数量胶结强度合适的淀粉胶，搅拌均匀；将上部加载板2 置于填土槽上方，添加设计所需数量的砝码；在充水槽中加入合适的水，调节达到设计水位；通过不同的比例调配不同深度与不同性质的地质条件；

c)待水位稳定后，通过半马蹄形开孔将填土槽内物体从一侧的去半马蹄形挡板12侧向另一侧的去半马蹄形挡板12水平推出d距离，出现标线F的第一条标线，形成半马蹄形隧洞，在隧洞壁面上涂抹模拟喷射混凝土的淀粉胶，将截面与半马蹄形开孔形状、尺寸相符，长度为d的钢丝网铺展于隧道内侧，同时将模拟锚杆的铆钉在钢丝网上径向钉入以固定，重复此操作，直至半马蹄柱体14离开填土槽，两侧去半马蹄形挡板间的半马蹄形开孔贯通，并形成钢丝网、铆钉与淀粉胶模拟的初期锚喷支护；

d)完成初期支护后，将模拟混凝土的淀粉胶涂抹在钢丝网上，再将灰色木制的长度为d的半马蹄环形板16由一侧的去半马蹄形挡板12侧的马蹄形开孔向另一侧的去半马蹄形挡板12侧依次铺展于隧道内侧，模拟衬砌施工；

e)观察理解施工步骤，从上部加载板2观察地面沉降情况，从上前侧板3 观察不同地层的松动情况，理解隧道支护衬砌施工过程时，施工与地层之间的相互影响。

如图11和图12所示，一种用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型的使用方法，模拟多种地质条件下盾构轴对称半断面隧道施工，包括如下步骤：

a)竖直导槽A与竖直导槽C之间插入去半圆形挡板11，竖直导槽B与竖直导槽D之间插入去半圆形挡板11，半圆柱体13放置于两个去半圆形挡板11的半圆形开孔之间，且与上前侧板3、下前侧板4贴紧；

b)按设计需求，将一定数量的不同粒径的EPS混色发泡填充颗粒放置于填土槽，同时添加一定数量胶结强度合适的淀粉胶，搅拌均匀；将上部加载板2 置于填土槽上方，添加设计所需数量的砝码；在充水槽中加入合适的水，调节达到设计水位；该步骤通过不同的比例调配不同深度与不同性质的地质条件；

c)待水位稳定后，通过半圆形开孔将填土槽内物体从一侧的去半圆形挡板 11向另一侧的去半圆形挡板11水平推出d距离，出现标线E的第一条标线，形成半圆形隧洞，在形成的半圆形隧洞壁面上涂抹模拟混凝土的淀粉胶，将宽度为d的半圆环形板15记为G贴于隧洞壁面上，模拟盾构施工的管片，继续拉动半圆柱体13移动距离d，再将淀粉胶涂抹于新形成的隧洞壁面上，接着将另一片半圆环形板15记为H贴于新形成的壁面上，且G与H之间通过淀粉胶粘结，重复此操作，直至半圆柱体13离开填土槽，两侧去半圆形挡板间的半圆形开孔贯通，模拟盾构施工的管片拼接；

d)观察理解施工步骤，从上部加载板2观察地面沉降情况，从上前侧板3 观察不同地层的松动情况，理解隧道支护衬砌施工过程时，施工与地层之间的相互影响。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：包括结构部件和功能部件，所述结构部件包括用于填充模拟土的填土槽和模拟地下水位的充水槽，所述填土槽和所述充水槽之间设有中间透水板，所述充水槽内的水通过所述中间透水板流至所述填土槽内；所述功能部件包括模拟隧道的半断面挡板组件、模拟不同地质的模拟土和模拟隧道施工的模拟衬砌，所述半断面挡板组件与所述填土槽连接。

2.根据权利要求1所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：所述填土槽为底板、上部加载板、上前侧板、下前侧板、右侧挡土板、左侧挡土板与中间透水板之间形成的空间；所述充水槽为所述底板、所述中间透水板、右侧挡水板、左侧挡板与后侧板之间形成的空间；所述半断面挡板组件包括去半圆形挡板、去半马蹄形挡板、半圆柱体和半马蹄柱体，所述模拟土包括EPS混色发泡填充颗粒、淀粉胶和砝码，所述模拟衬砌包括钢丝网、铆钉、淀粉胶、半圆环形板和半马蹄环形板。

3.根据权利要求2所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：所述底板、所述上部加载板、所述上前侧板、所述下前侧板、所述后侧板、所述中间透水板、所述右侧挡水板、所述左侧挡水板、所述右侧挡土板、所述左侧挡土板、所述去半圆形挡板、所述去半圆形挡板、所述去半马蹄形挡板、所述去半马蹄形挡板均为等厚度矩形亚克力板，通过亚克力板专用胶拼接。

4.根据权利要求2所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：所述后侧板和所述中间透水板尺寸相同，所述右侧挡水板和所述左侧挡水板尺寸相同，所述右侧挡土板和所述左侧挡土板尺寸相同，所述去半圆形挡板和所述去半马蹄形挡板的长和宽的尺寸相同，所述底板、所述上部加载板、所述上前侧板和所述下前侧板水平长度均为a，所述左侧挡土板和所述去半圆形挡板水平长度相同，所述左侧挡土板竖直高度小于所述上前侧板竖直高度，所述左侧挡水板和所述去半圆形挡板竖直高度相同，所述左侧挡水板与所述左侧挡土板的水平长度之和与所述底板宽度相等；所述上前侧板与所述下前侧板之间留有距离L，L小于隧道开挖断面高度，所述上前侧板与所述下前侧板用于稳定所述半圆柱体或所述半马蹄柱体；所述右侧挡土板与所述左侧挡土板用于固定所述上前侧板。

5.根据权利要求2所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：所述中间透水板的左侧有竖直导槽A，所述中间透水板的右侧有竖直导槽B，所述中间透水板的中间均匀分布着用于透水的圆孔；所述竖直导槽A和所述竖直导槽B尺寸相同，所述竖直导槽A沿着所述中间透水板左侧边缘分布，所述竖直导槽A由所述左侧挡土板与一块竖直挡板组成，所述竖直导槽B沿着所述中间透水板右侧边缘分布，所述竖直导槽B由所述右侧挡土板与一块竖直挡板组成，所述竖直导槽A与所述竖直导槽B槽宽与所述去半圆形挡板或所述去半马蹄形挡板厚度相等。

6.根据权利要求2所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：所述上前侧板的左侧有竖直导槽C，所述上前侧板的右侧有竖直导槽D；所述竖直导槽C和所述竖直导槽D的尺寸相同，所述竖直导槽C沿着所述上前侧板左侧边缘分布，所述竖直导槽C由所述左侧挡土板与一块竖直挡板组成，所述竖直导槽D沿着上前侧板右侧边缘分布，所述竖直导槽D由右侧挡土板与一块竖直挡板组成，所述竖直导槽C与所述竖直导槽D的槽宽与所述去半圆形挡板或所述去半马蹄形挡板厚度相等。

7.根据权利要求2所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：所述去半圆形挡板含有半圆形开孔，所述半圆形开孔与底边角点相切，所述半圆形开孔直径等于三分之一底边长，模拟盾构隧道半开挖断面；所述去半马蹄形挡板含有半马蹄形开孔，所述半马蹄形开孔的下半部底拱与挡板底边角点相切，两侧拱间的最大距离等于三分之一底边长，模拟矿山法半开挖断面。

8.根据权利要求2所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型，其特征在于：所述半圆柱体为长度等于a木制材料，表面含有等间距d的标线E，所述半圆柱体的横截面尺寸与所述去半圆形挡板含有的半圆形开孔尺寸相同；所述标线E为与所述半圆柱体的截面平行的半圆弧；所述半马蹄柱体为长度等于a的木制材料，表面含有等间距d的标线F，所述半马蹄柱体的横截面尺寸与所述去半马蹄形挡板含有半马蹄形开孔尺寸相同；所述标线F为与所述半马蹄柱体的截面平行的半马蹄形弧；所述半圆环形板长度为d，为灰色木质材料，数量为a/d块；所述半马蹄环形板长度为d，为灰色木质材料，数量为a/d块。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型的使用方法，其特征在于，模拟多种地质条件下矿山法轴对称半断面隧道施工，包括如下步骤：

a)竖直导槽A与竖直导槽C之间插入去半马蹄形挡板，竖直导槽B与竖直导槽D之间插入去半马蹄形挡板，半马蹄柱体放置于两个去半马蹄形挡板12的马蹄形开孔之间，且与上前侧板、下前侧板贴紧；

b)按设计需求，将不同粒径的EPS混色发泡填充颗粒放置于填土槽，同时添加淀粉胶，搅拌均匀；将上部加载板置于填土槽上方，添加砝码；在充水槽中加入合适的水，调节达到设计水位；

c)待水位稳定后，通过半马蹄形开孔将填土槽内物体从一侧的去半马蹄形挡板侧向另一侧的去半马蹄形挡板侧水平推出d距离，出现标线F的第一条标线，形成半马蹄形隧洞，在隧洞壁面上涂抹模拟喷射混凝土的淀粉胶，将截面与半马蹄形开孔形状、尺寸相符，长度为d的钢丝网铺展于隧道内侧，同时将模拟锚杆的铆钉在钢丝网上径向钉入以固定，重复此操作，直至半马蹄柱体离开填土槽，两侧去半马蹄形挡板间的半马蹄形开孔贯通，并形成钢丝网、铆钉与淀粉胶模拟的初期锚喷支护；

d)完成初期支护后，将模拟混凝土的淀粉胶涂抹在钢丝网上，再将灰色木制的长度为d的半马蹄环形板由一侧的去半马蹄形挡板侧的马蹄形开孔向另一侧的去半马蹄形挡板侧依次铺展于隧道内侧，模拟衬砌施工；

e)观察理解施工步骤，从上部加载板的观察地面沉降情况，从上前侧板观察不同地层的松动情况，理解隧道支护衬砌施工过程时，施工与地层之间的相互影响。

10.一种如权利要求1-8任意一项所述用于模拟多种地质条件下的隧道施工的教学模型的使用方法，其特征在于，模拟多种地质条件下盾构轴对称半断面隧道施工，包括如下步骤：

a)竖直导槽A与竖直导槽C之间插入去半圆形挡板，竖直导槽B与竖直导槽D之间插入去半圆形挡板，半圆柱体放置于两个去半圆形挡板的半圆形开孔之间，且与上前侧板、下前侧板贴紧；

b)按设计需求，将不同粒径的EPS混色发泡填充颗粒放置于填土槽，同时添加淀粉胶，搅拌均匀；将上部加载板置于填土槽上方，添加设计的砝码；在充水槽中加入水，调节达到设计水位；

c)待水位稳定后，通过半圆形开孔将填土槽内物体从一侧的去半圆形挡板向另一侧的去半圆形挡板水平推出d距离，出现标线E的第一条标线，形成半圆形隧洞，在形成的半圆形隧洞壁面上涂抹淀粉胶模拟混凝土，将宽度为d的半圆环形板，记为G，贴于隧洞壁面上，模拟盾构施工的管片，继续拉动半圆柱体移动距离d，再将淀粉胶涂抹于新形成的隧洞壁面上，接着将另一片半圆环形板，记为H，贴于新形成的壁面上，且G与H之间通过淀粉胶粘结，重复此操作，直至半圆柱体离开填土槽，两侧去半圆形挡板间的半圆形开孔贯通，模拟盾构施工的管片拼接；

d)观察理解施工步骤，从上部加载板的观察地面沉降情况，从上前侧板观察不同地层的松动情况，理解隧道支护衬砌施工过程时，施工与地层之间的相互影响。

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