地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法与流程

本发明属于地质力学模型试验领域，具体设计一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法。

背景技术：

目前，我国已是世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家。由于地质条件、气候条件、支护设计参数、建筑材料特性和运营维护条件等影响因素的不确定性，大量运营中的隧道出现衬砌开裂、脱落掉块等灾害严重影响隧道的服役性能和寿命，甚至威胁隧道内行车安全，造成交通阻断、人员伤亡等严重后果和不良社会影响。

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定地质问题进行缩尺研究的一种方法，试验的主要目的是研究各种建筑物在外荷载作用下的极限承载力、破坏形态、破坏机理和变形分布特征。对运营期隧道衬砌进行地质力学模型试验有别于施工阶段隧道的地质力学模型试验，需要预制隧道衬砌减少不必要的开挖支护工序。衬砌中的钢筋作用机理研究就显得尤为重要，现阶段对隧道衬砌中钢筋的模拟抗拉强度、抗压强度进行等效模拟，此方法分析过于简单，没有充分体现钢筋混凝土结构中钢筋的作用机理，与实际出入较大。

因此，根据混凝土结构设计基本原则，把握钢筋混凝土构件层面的相似原理，以正截面承载能力控制为主，按抗弯能力等效的原则；对于斜截面承载能力的模拟，按抗剪能力等效的原则。由于隧道二次衬砌混凝土处于大体积混凝土，抗剪能力多由截面混凝土承担，故钢筋根据抗弯等效的原则进行设计。

对运营期隧道衬砌进行地质力学模型试验有别于施工阶段隧道的地质力学模型试验，需要预制隧道衬砌减少不必要的开挖支护工序。现阶段对隧道衬砌的预制方法研究较少，主要采用人工支模填筑和钢模现浇等方法，人工支模填筑存在制作周期长、工序繁琐重复率低，且预制的隧道衬砌尺寸误差较大，难以实现精度高、周期短和重复率高的制作装置及方法；钢模现浇虽解决衬砌制作精度低、重复率低和周期长的缺点，但是由于浇筑的衬砌材料刚度低而钢模具刚度大拆卸时极易发生模型衬砌的开裂破坏，造成成品率低的缺点。

申请号为201711352524.7的发明专利提出来一种地质力学模型试验中隧道衬砌预制预埋装置与方法，由拼接式外框架、中芯板、底板和螺栓连接形成的空间即为隧道衬砌的空间。该预制装置无法在模具内部埋设加强筋，故难以真实模拟现场钢筋混凝土材料，适用范围有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，计算得到了混凝土内部钢筋的等效参数，并研制了相应的隧道二次衬砌模型的预制装置，实现了模型内加强筋的布设，确保了力学实验的准确性。

本发明技术方案如下：

一种地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】二次衬砌模型内加强筋参数的计算：

【1.1】根据地质力学模型箱尺寸和试验要求，确定模型试验几何相似常数和容重相似常数；

【1.2】钢筋混凝土正截面承载能力，计算二次衬砌结构原型与模型的弯矩；

【1.3】将模型试验几何相似常数和容重相似常数代入原型与模型弯矩比值，得到弯矩的相似常数；

【1.4】根据弯矩的相似常数计算得到钢筋截面面积的相似常数；

【1.5】根据钢筋截面面积的相似常数和钢筋混凝土结构的配筋率计算公式，计算得到配筋率的相似常数；

【1.6】根据配筋率相似常数和模型的断面尺寸，计算得到模型钢筋的直径和模型钢筋的纵向间距。

【2】二次衬砌模型模具的预制：

【2.1】按照等效试验缩放尺寸制备隧道二次衬砌模型的预制装置；所述的预制装置包括内模、外模和泡沫缓冲层，内模和外模之间构成二次衬砌模型浇筑空腔；

【2.2】在内模的外侧卷绕泡沫缓冲层，将设定长度的定位支杆的一端插入泡沫缓冲层内；在二次衬砌模型浇筑空腔内布外侧环向加强筋和内侧环向加强筋，所述的外侧环向加强筋和内侧环向加强筋固定在定位支杆的外漏端；

【3】在浇筑空腔进行混凝土等效材料的浇筑。

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.2】中,结构原型与模型的弯矩计算如下：

式中：m^p为原型截面极限弯矩；m^m为模型截面极限弯矩；fy^p为原型钢筋屈服强度；fy^m为原型钢筋屈服强度；as^p为原型钢筋截面面积；as^m为模型钢筋截面面积；h0^p为原型截面有效高度；h0^m为原型截面有效高度。

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.3】中模型弯矩相似常数sm的计算如下

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.4】中钢筋截面面积的相似常数为：

式中：sas为钢筋截面面积相似常数；sm为弯矩相似常数；sl为长度相似常数；sw为容重相似常数；sfy为钢筋屈服强度相似常数。

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【1.5】中根据钢筋混凝土结构的配筋率计算公式，得到配筋率的相似常数为：

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，通过屈服强度试验确定钢筋相似材和实际工程钢筋型号可确定配筋率的相似常数；选取实际工程中单位长度隧道二次衬砌计算钢筋截面面积代入配筋率相似常数得到模型钢筋的截面面积；钢筋相似材料的直径选取应该与实际工程钢筋直径成比例尽量满足几何相似常数做到与实际工程相似，模型钢筋还应该满足纵向等间距、距离模型衬砌内外侧距离相等。

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【2】中外侧环向加强筋和内侧环向加强筋通过锡线电焊或者环氧树脂粘贴固定在定位支杆上。

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【2】中外侧环向加强筋、内侧环向加强筋和定位支杆为铁丝。

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，步骤【2】中所述的内模和外模在垂直方向均为若干只平板层叠构成，每只板材在水平方向均剖分成两半；所述的内模、外模、底板、顶板上在对应的位置处设置有若干只通孔，固定柱贯穿通孔将预制装置固定为一体。

上述地质力学模型试验大跨度隧道衬砌模型内加强筋布设方法中，所述板材为pvc板、亚克力板或木板。

本发明的有益技术效果如下：

1、本发明通过相似等效缩比设计方法，根据力学模型计算得到了二次衬砌原型相匹配的加强筋配筋率、加强筋截面面积等参数，并研制了隧道二次衬砌缩比模型的预制装置，实现了二次衬砌模型中加强筋的布设，制备的模型真实模拟了隧道现场的混凝土材料，确保了力学试验的准确性；该方案简易、高效地模拟衬砌中钢筋的作用机理，利用该方法制作钢筋相似材料的布设装置，钢筋定位准确、易于拆卸且造价低廉，可广泛适用于隧道衬砌模型试验中。

2、本发明预制装置通过在内模外圈设置泡沫缓冲层，将内模和浇筑的二次衬砌模型进行隔离，一方面方便了拆模时将内模取出，确保了二次衬砌的尺寸结构完整性，另一方面泡沫缓冲层可以作为支撑件，通过插入若干只定位支杆实现内外环向加强筋的布设，实现了内部含有环向加强筋和箍筋的二次衬砌模型制备，从而满足了隧道力学模型试验的准确性和可靠性。

3、本发明衬砌模型预制装置的内模和外模均采用板材拼接成不同的长度，适应了模型试验中需要对不同长度隧道试验的需求，同时模具的内模、外模、顶板、底板可以重复使用，降低了试验成本。内模和外模由pvc板、亚克力板或木板经激光雕刻机切割而成，制作简单、质量轻、造价低廉，而且加工中可以精确控制二次衬砌尺寸，且具有制作方法简易、可重复使用和周期短的优势。

附图说明

图1为现有隧道二次衬砌钢筋布置图；

图2为本发明隧道二次衬砌模型的预制装置结构示意图；

图3为本发明内模和外模横截面示意图；

图4为本发明底板结构示意图；

图5为本发明顶板结构示意图；

图6为本发明泡沫缓冲层、加强筋和定位支杆安装示意图；

附图标记为：1-顶板；2-固定柱；3-外模；4-底板；5-泡沫缓冲层；6-内模；7-通孔；8-外侧环向加强筋；9-内侧环向加强筋；10-定位支杆；11-浇筑空腔；12-下料口；13-箍筋。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，传统的隧道二次衬砌包括混凝土结构及内部的加强筋，其中加强筋包括外侧环向加强筋8、内侧环向加强筋9和连接在外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9之间的箍筋13；在二次衬砌模型制备中，除了要预制混凝土结构外，如何在模型内部植入相应的加强筋成为一个难题。

为了实现隧道二次衬砌模型中加强筋的科学布设，本发明首先通过相似等效原则获取了模型中加强筋的参数。

【1】根据地质力学模型箱尺寸和试验要求，确定模型试验几何相似常数sl和容重相似常数sw。

【2】根据钢筋混凝土正截面承载能力，计算结构原型与模型的弯矩，结构原型与模型的弯矩计算如下：

式中：m^p为原型截面极限弯矩；m^m为模型截面极限弯矩；fy^p为原型钢筋屈服强度；fy^m为原型钢筋屈服强度；as^p为原型钢筋截面面积；as^m为模型钢筋截面面积；h0^p为原型截面有效高度；h0^m为原型截面有效高度。

【3】将几何相似常数sl和容重相似常数sw代入，计算得到弯矩的相似常数。

【4】将钢筋相似材料的物理力学参数代入，得到钢筋截面面积的相似常数；

式中：sas为钢筋截面面积相似常数；sm为弯矩相似常数；sl为长度相似常数；sw为容重相似常数。

【5】根据得到的钢筋截面面积的相似常数和实际工程钢筋的配筋率，计算得到配筋率的相似常数。

结合模型的断面尺寸，计算得到模型钢筋的截面面积。

【6】通过屈服强度试验确定钢筋相似材料和实际工程钢筋型号可确定配筋率的相似常数；选取实际工程中单位长度隧道二次衬砌计算钢筋截面面积代入配筋率相似常数得到模型钢筋的截面面积；钢筋相似材料的直径选取应该与实际工程钢筋直径成比例尽量满足几何相似常数做到与实际工程相似，模型钢筋还应该满足纵向等间距、距离模型衬砌内外侧距离相等。

下面给出具体的实施例：

根据地质力学模型试验箱尺寸确定隧道衬砌模型试验几何相似常数为30，结合围岩相似材料物理参数确定容重相似常数为1，实际工程钢筋采用hrb400，直径25mm纵向间距20cm布置，衬砌厚度为60cm，通过对部分钢筋相似材料进行力学实验选取屈服强度为300mpa，弹性模量为200gpa的镀锌铁丝模拟钢筋。钢筋直径为25mm除几何相似常数得到镀锌铁丝直径为0.83，结合国标选取直径为0.75mm的镀锌铁丝模拟。

根据模型结构的配筋面积得到钢筋截面的相似常数:

钢筋截面面积的相似常数和实际工程钢筋的配筋率，得到模型的配筋率相似常数。

选取12米隧道衬砌作为研究对象，纵向钢筋截面总面积为(0.0125)²π×60×2＝0.06m²,(箍筋和纵向连接筋作为增加结构整体性不计入配筋率)得实际工程配筋率为0.06÷(12×0.6)＝8.3×10^-3。将实际工程配筋率除配筋率相似常数22.5得到模型配筋率为3.7×10^-4。

根据几何相似常数确定模型衬砌总长度为40cm，厚度为2cm，模型配筋率乘以模型衬砌的面积得到模型纵向钢筋截面总面积为3mm²。假定模型钢筋双层布置，则双层直径为0.75mm的镀锌铁丝截面面积为0.88mm²。将纵向钢筋截面总面积除两层镀锌铁丝截面面积得到纵向镀锌铁丝布置层数，3÷0.88＝3.4层，由于层数只能为整数故取较大值共需布置4层。同时要满足等间距布置，模型衬砌总长度为40c共布置4层，因此钢筋纵向间距为10cm。由此得到了铁丝的参数。

为了实现加强筋在预制模型内部的布设，如图2至图5所示，本项目发明了一种特殊的隧道二次衬砌模型预制装置，该装置包括内模6、外模3、底板4、顶板1和若干只固定柱2，内模6和外模3设置在底板4和顶板1之间，利用内模6、外模3、底板4和顶板1之间的空间形成隧道二次衬砌模型的浇筑空腔11。所述的内模6和外模3在垂直方向均为若干只平板层叠构成，每只板材在水平方向均以隧道的中心线剖分成对称的两部分，便于拆装。内模6、外模3、底板4、顶板1上在对应的位置处设置有若干只通孔7，每个通孔7对应一只固定柱2，一部分固定柱2用于固定内模6，另一部分固定柱2用于固定外模3，固定柱2贯穿通孔7将包括内模6、外模3、底板4、顶板1的预制装置固定为一体，形成拼接式框架。在拼接式框架的顶部和底部均拼接顶板1和底板4，该拼接式框架可以根据试验隧道的长度需求通过增加减少内外模的层数调节衬砌的长度，从而满足了不同长度隧道模型试验的要求，而且拆除的各个部件还可以重复使用，避免浪费。

上述板材为pvc板、亚克力板或木板，采用激光雕刻机按照设置的尺寸进行紧密加工，确保了模型的尺寸精度。顶板上设置有若干只下料口12，下料口12为设置在二次衬砌模型浇筑空腔11上部的若干只弧形通槽，用于倒入衬砌相似的混凝土材料进行模型浇筑。

如图6所示，内模6的外侧设置有泡沫缓冲层5，用于隔离衬砌和内模，便于内模拆卸，同时用于支撑模型内部的加强筋。众所周知，隧道二次衬砌内部设置有若干环向加强钢筋，故在模型试验中也需要制作一个内部包含缩比钢筋参数的二次衬砌模型进行试验，实施中如何在模型内部植入钢筋成了一个难题。

本发明采用一种巧妙的方法，内模6和外模3之间的空腔内设置有若干条外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9，所述的泡沫缓冲层5上设置有若干只定位支杆10，外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9固定在定位支杆10上。作为一种优选方式，外侧环向加强筋8、内侧环向加强筋9和定位支杆10为焊接在一起的铁丝。实施时，先在设定的高度将若干只定位铁丝的一端插入在泡沫缓冲层5，然后将环向的铁丝焊接在定位铁丝上进行固定，通过不同长度的定位铁丝还可以调节环向铁丝在模型中的深度。如此循环，完成若干圈外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9的布设，浇筑时将混凝土物料通过下料口12注入浇筑空腔11内，环向铁丝和定位铁丝则被浇筑在模型的内部，铁丝的直径、密度以及浇筑材料需要根据模拟试验的要求进行选择，以确保缩比试验的准确性和代表性。

本发明实现了长度为30cm～100cm，高度36cm宽度54cm的隧道二次衬砌模型的制备，其中板材的厚度为1.5cm，泡沫缓冲层的厚度为1cm，铁丝的直径为0.7mm～1.2mm。泡沫缓冲层可选高密度橡塑海绵，安装时紧贴模具内侧布置，同时模具拆模时减小对衬砌结构的应力集中。

利用上述装置制备隧道二次衬砌模型的方法包括以下步骤：

【1】物件准备：根据地质力学模型试验的要求，对隧道二次衬砌模型横断面按一定比例缩放，根据相似比原理确定衬砌的尺寸，按照缩放后的二次衬砌模型结构制备相应尺寸的底板4、顶板1和拼接内模6、外模3的板材；用激光雕刻机将pvc板、亚克力板或木板切割成合适尺寸的板材，底板仅需开设固定柱孔，内模和外模开孔且需将衬砌轮廓切割成型，顶板除需开设固定柱孔还需打设较大孔洞用于衬砌相似材料的浇筑。

【2】内模拼接：将底板4置于装置底部，在底板4上内模6对应位置的通孔上插入固定柱2，拼接内模6至设定高度；也可以将底板置于底部，拼装内模至一定高度，用固定柱固定位置。

【3】环向加强筋布设：在内模6的外侧卷绕泡沫缓冲层5，将定位支杆10的一端插入泡沫缓冲层5内；在二次衬砌模型浇筑空腔11内布设外侧环向加强筋8和内侧环向加强筋9，使得环向加强筋固定在定位支杆10的外漏端；具体而言，外侧环向加强筋8、内侧环向加强筋9和定位支杆10均采用铁丝，将定位铁丝的一端按照设定的高度插入在泡沫缓冲层5内，然后将环向铁丝焊接在定位铁丝的外漏一端；

【4】外模拼接：拼接外模3至设定高度，插入外模3对应的固定柱2，安装顶板1，使得预制装置固为一体；

【5】浇筑：将一定配合比的衬砌材料通过下料口12浇筑进入预制空腔内，并静置设定的时间；根据试验要求和相似材料配合比，将搅拌均匀的相似材料浇筑模具内，一般需要静置24h。

【6】拆模：逐层拆除顶板1、内模6、外模3和固定柱2，清除泡沫缓冲层5，得到二次衬砌模型。将内外侧模具上部多余衬砌相似材料清除后拆除内侧模具和泡沫缓冲层，待衬砌达到一定强度后拆除外模。拆除顺序是先拆除内模，再拆除外模；拆除内模和外模时，先拔出固定柱再依次拆除内模和外模的板材。

将制备得到的二次衬砌模型进行地质力学模型试验时，将围岩相似材料埋至一定高度后，将预制好的隧道衬砌埋入，继续将围岩材料埋至一定高度，在根据试验要求进行荷载的施加和变形、应力的监测等后续工作。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替代、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。