本实用新型涉及隧道工程教学模型领域，特别是一种用于模拟隧道开挖面塌方的教学模型。
背景技术：
近年来，随着我国基础设施建设的大力发展，城市地下空间开发作为新兴产业在国民经济中发挥越来越重要的作用，我国大部分大中型城市均在修建城市地铁或轻轨工程。城市地下空间开发的蓬勃发展必然导致专业人才需求与日俱增，截止目前，我国开办城市地下空间工程专业及土木工程（地下工程）专业高校已达到40多所。
在城市地下空间工程专业及土木工程专业教学过程中，隧道工程作为比较常见的一门学科，比较好的教学方式为演示教学，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、围岩变形和洞径收敛等一系列的过程和机理。然而，由于受到各方面条件的限制，很多学校视演示教学为包袱，演示教学由此在整个培养方案中的比例极其低微，即使有些高校在隧道工程专业教学过程中使用演示教学，也只限于一些动画演示和静态展示模型设备，而且这些设备存在过于陈旧且无法满足现有先进技术需要的问题，导致现有的相关产品无法满足演示教学要求。
鉴于演示教学在整个培养方案中占据重要地位，它的缺失不利于学生对知识的综合利用与融会贯通，与实际工程脱节，导致人才培养不能体现新时代城市地下空间开发的特征，人才培养质量也不能完全满足社会发展和用人单位的需要。因此，对我国高等学校城市地下空间工程以及土木工程（地下工程）专业而言，在城市地下空间工程隧道类及相关专业课程中推行教学模型进行演示教学势在必行，开发出满足需求的教学模型更是刻不容缓。
在隧道开挖过程中，会遭遇软弱破碎松散地层的地质环境，开挖面上方松动区始终存在，而且不断前移。当发生超挖或施工扰动时，极易造成开挖面上方围岩的冒落，若未及时处理则会出现完全失控的局面，进而引起塌方事故。然而，在教学过程中，对于没有亲身去到施工地观察过塌方的学生来说，通过书本上的文字描述，并不能生动直观地看到隧道是如何塌方，也无法观察隧道开挖面塌方时周围土体破坏情况的差异等情形。
技术实现要素：
本实用新型的发明目的在于：针对在教学过程中，学生无法观察到隧道开挖过程中开挖面塌方时周围土体的破坏情况，提供一种用于模拟隧道开挖面塌方的教学模型，该教学模型通过在模型箱中盛装填充料，并在模型箱内布置能在填充料内移动的活塞板，模拟出盾构机对土体开挖的实际状况，通过可透视材料的模型箱观察活塞板移动后填充料的塌陷情况，本实用新型通过教学模型模拟出隧道开挖面塌方的情形，使学生通过该教学模型模拟出的塌方情况学习到隧道开挖方面的知识，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，对提升学生学习热情，思考隧道开挖塌陷的预防解决措施具有较大帮助。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种用于模拟隧道开挖面塌方的教学模型，包括盛装有填充料的模型箱和布置在填充料内的活塞板，所述模型箱为可透视材料制成，所述活塞板连接有连接杆，拉动所述连接杆能使活塞板在填充料内移动。
在模型箱内盛装填充料，填充料模拟待挖掘的土体，将其盛装在模型箱内，用于限定开挖面周围土体的范围，活塞板布置在填充料内，并且在连接杆的拉动下在填充料内移动，从而模拟出盾构机对土体开挖，通过可透视材料的模型箱能观察到活塞板移动后的填充料的塌陷情况，从而模拟出隧道开挖面塌方的情形，使学生通过该教学模型模拟出的塌方情况学习到隧道开挖方面的知识，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。
该教学模型结构简单，能动态模拟出隧道开挖面塌方的情形，对于提升学生的学习热情具有帮助，进一步在教学过程中形成互动，并且能根据活塞板的移动速度感受到开挖速度对开挖面塌方的影响情况。
作为本实用新型的优选方案，所述模型箱为扁平状的长方体结构。
采取扁平状长方体结构的模型箱，使用时模型箱处于竖向方向，沿模型箱的竖向方向从上至下依次设有多个用于连接杆穿过的通孔，根据演示需要将活塞板布置在模型箱对应高度，并通过穿过该高度通孔的连接杆拉动活塞板模拟隧道开挖，从而能模拟出隧道在不同埋深情况下，开挖面塌方时周围土体的破坏形态，该方式能增加该教学模型的使用范围，提供多种工况的开挖面塌方演示过程。
作为本实用新型的优选方案，所述教学模型还包括一端封闭另一端敞开的中空柱体，所述中空柱体的敞开端安装在模型箱内，封闭端延伸至模型箱外侧，所述活塞板安装在中空柱体内，并能沿中空柱体轴线方向移动，所述连接杆穿过中空柱体封闭端端部。
布置中空柱体，使中空柱体用于形成固定填充料边界的作用，模拟出隧道初期支护。
通过布置中空柱体，使活塞板安装在中空柱体后形成活塞运动状态，当活塞板向中空柱体封闭一端拉动时，通过封闭端阻止活塞板滑落，当活塞板向中空柱体敞开端运动时，能运动至中空柱体敞开端端部外侧，活塞板向前运动，模拟盾构机的开挖过程，同时观察到在开挖过程中开挖面逐渐卸载形成塌方的工况；另外，中空柱体对填充料形成支撑，模拟衬砌结构，使该教学模型模拟出隧道开挖时的衬砌状态，使学生同时观察到在掘进状态和衬砌状态下隧道开挖面的塌方情况及土体的破坏情况。
作为本实用新型的优选方案，所述中空柱体的左右两侧与模型箱内壁贴合，仅留有一定微小间距便于位置的调动。
作为本实用新型的优选方案，所述中空柱体的截面形状为D形，活塞板的形状与中空柱体内腔体截面形状对应。
采用截面形状为D形的中空柱体，使得断面方向上只有一侧为开挖面，能更好地观察到该侧隧道开挖面塌方的实际情况。
作为本实用新型的优选方案，所述模型箱、中空柱体的材质均为有机玻璃。
有机玻璃具有比重小、强度较大和易加工的特性，采用有机玻璃作为模型箱和中空柱体，使整个教学模型的制作过程比较简单，而且经久耐用，质量较轻，便于进行搬运和演示，使用比较方便，同时透过有机玻璃很清晰地观察到隧道开挖面的塌方情况以及隧道周围土体破坏情况的差异性。
作为本实用新型的优选方案，所述中空柱体的封闭端安装有传动装置，所述传动装置与连接杆连接，用于驱动连接杆，并使连接杆带动活塞板运动。
作为本实用新型的优选方案，所述传动装置包括安装支座和电动机，所述安装支座包括固定在中空柱体端部的支架和连接在支架上的安装圆盘，所述电动机装载在该安装圆盘上，用于驱动连接杆。
所述连接杆的一端连接活塞板，另一端依次穿过中空主体的封闭端、安装圆盘，并与固定在安装圆盘上的电动机连接，依靠电动机对连接杆进行驱动。
布置电动机，采用电动机驱动连接杆，从而进一步带动活塞板运动，使活塞板在模型箱内进行匀速运动（包括前进和后退）以及停止，从而模拟出盾构机在掘进隧道时匀速掘进的工况，使该教学模型在演示隧道施工时，能观察到开挖面塌方的真实情况。
作为本实用新型的优选方案，所述连接杆的端部还连接有限位块。
所述连接杆穿过安装圆盘后与电动机连接，为了避免电动机驱动连接杆时，发生活塞板因过于向前运动而脱离传动装置的问题，在连接杆上设置限位块，保证连接杆在限度范围内由电动机驱动，保护该教学模型在演示过程中处于安全状态。
所述限位块为有机玻璃制成的圆柱体结构。
作为本实用新型的优选方案，所述连接杆上还连接有转动把手，所述转动把手位于所述限位块外侧。
作为本实用新型的优选方案，所述填充料为包括机油、石英砂、重晶石和凡士林的混合物。
填充料用于模拟隧道设计开挖路径周围的土体，采用上述混合物，使填充料与实际工况中的土体形态接近，从而使该教学模型在演示过程中，开挖面塌方和隧道周围土体破坏情况与实际工况差异较小。
采用上述混合物作为填充料，通过改变混合物的比例来调整填充料的特性，从而模拟出不同土体的物理性质，得到在不同土体条件下的开挖面塌方状况。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1、在模型箱内盛装填充料，填充料模拟待挖掘的土体，将其盛装在模型箱内，用于限定开挖面周围土体的范围，活塞板布置在填充料内，并且在连接杆的拉动下在填充料内移动，从而模拟出盾构机对土体开挖，通过可透视材料的模型箱能观察到活塞板移动后的填充料的塌陷情况，从而模拟出隧道开挖面塌方的情形，使学生通过该教学模型模拟出的塌方情况学习到隧道开挖方面的知识，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；
2、模型箱采用扁平状长方体结构形式，使用时模型箱处于竖向方向，沿模型箱的竖向方向从上至下依次设有多个用于连接杆穿过的通孔，根据演示需要将活塞板布置在模型箱对应高度，并通过穿过该高度通孔的连接杆拉动活塞板模拟隧道开挖，从而能模拟出隧道在不同埋深情况下，开挖面塌方时周围土体的破坏形态，该方式能增加该教学模型的使用范围，提供多种工况的开挖面塌方演示过程；
3、通过布置中空柱体，使活塞板安装在中空柱体后形成活塞运动状态，当活塞板向中空柱体封闭一端拉动时，通过封闭端阻止活塞板滑落，当活塞板向中空柱体敞开端运动时，能运动至中空柱体敞开端端部外侧，活塞板向前运动，模拟盾构机的开挖过程，同时观察到在开挖过程中开挖面逐渐卸载形成塌方的工况；另外，中空柱体对填充料形成支撑，模拟衬砌结构，使该教学模型模拟出隧道开挖时的衬砌状态，使学生同时观察到在掘进状态和衬砌状态下隧道开挖面的塌方情况及土体的破坏情况；
4、在连接杆上设置限位块，保证连接杆在限度范围内由电动机驱动，保护该教学模型在演示过程中处于安全状态。
附图说明
图1为本实用新型用于模拟隧道开挖面塌方的教学模型的结构示意图。
图2为图1中活塞板的结构示意图。
图3为图1中中空柱体的结构示意图。
图4为图1中模型箱的结构示意图。
图5为图1中传动装置的结构示意图。
图6为实施例1中中空柱体与连接杆的位置示意图。
图7为实施例2中中空柱体与连接杆的位置示意图。
图8为实施例3中中空柱体与连接杆的位置示意图。
图中标记：1-模型箱，2-活塞板，3-连接杆，4-中空柱体，5-安装支座， 51-支架，52-安装圆盘，6-限位块。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
如图1～6所示：
用于模拟隧道开挖面塌方的教学模型，包括盛装有填充料的模型箱1和布置在填充料内的活塞板2，模型箱1为可透视材料制成，活塞板2连接有连接杆3，拉动所述连接杆3能使活塞板2在填充料内移动。
在模型箱内盛装填充料，填充料模拟待挖掘的土体，将其盛装在模型箱内，用于限定开挖面周围土体的范围，活塞板布置在填充料内，并且在连接杆的拉动下在填充料内移动，从而模拟出盾构机对土体开挖，通过可透视材料的模型箱能观察到活塞板移动后的填充料的塌陷情况，从而模拟出隧道开挖面塌方的情形，使学生通过该教学模型模拟出的塌方情况学习到隧道开挖方面的知识，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。
该教学模型结构简单，能动态模拟出隧道开挖面塌方的情形，对于提升学生的学习热情具有帮助，进一步在教学过程中形成互动，并且能根据活塞板的移动速度感受到开挖速度对开挖面塌方的影响情况。
作为其中一种实施方式，如图4所示，所述模型箱1为扁平状的长方体结构，采取扁平状长方体结构的模型箱，使用时模型箱处于竖向方向，沿模型箱的竖向方向从上至下依次设有多个用于连接杆穿过的通孔，根据演示需要将活塞板布置在模型箱对应高度，并通过穿过该高度通孔的连接杆拉动活塞板模拟隧道开挖，从而能模拟出隧道在不同埋深情况下，开挖面塌方时周围土体的破坏形态，该方式能增加该教学模型的使用范围，提供多种工况的开挖面塌方演示过程。
作为其中一种优选的实施方式，本实施例的教学模型还包括一端封闭另一端敞开的中空柱体4，所述中空柱体4的敞开端安装在模型箱1内，封闭端延伸至模型箱1外侧，中空柱体4的左右两侧与模型箱1内壁贴合，仅留有一定微小间距便于位置的调动，所述活塞板2安装在中空柱体4内，并能沿中空柱体4的轴线方向移动，所述连接杆3穿过中空柱体4的封闭端端部并向外侧延伸。
如图6所示，布置中空柱体4，使中空柱体4用于形成固定填充料边界的作用，模拟出隧道初期支护，通过布置中空柱体4，使活塞板2安装在中空柱体4后形成活塞运动状态，当活塞板2向中空柱体4封闭一端拉动时，通过封闭端阻止活塞板2滑落，当活塞板2向中空柱体4敞开端运动时，能运动至中空柱体4敞开端端部外侧，活塞板向前运动，模拟盾构机的开挖过程，同时观察到在开挖过程中开挖面逐渐卸载形成塌方的工况；另外，中空柱体对填充料形成支撑，模拟衬砌结构，使该教学模型模拟出隧道开挖时的衬砌状态，使学生同时观察到在掘进状态和衬砌状态下隧道开挖面的塌方情况及土体的破坏情况。
作为其中一种优选的实施方式，所述中空柱体4的截面形状为D形，活塞板2的形状与中空柱体4内腔体截面形状对应，采用截面形状为D形的中空柱体，使得断面方向上只有一侧为开挖面，能更好地观察到该侧隧道开挖面塌方的实际情况。
作为其中一种优选的实施方式，所述模型箱1、中空柱体4的材质均为有机玻璃。
作为其中一种优选的实施方式，所述中空柱体4的封闭端安装有传动装置，所述传动装置与连接杆3连接，用于驱动连接杆3，并使连接杆3带动活塞板2运动，传动装置包括安装支座5和电动机，所述安装支座5包括固定在中空柱体端部的支架51和连接在支架51上的安装圆盘52，所述电动机装载在该安装圆盘52上，用于驱动连接杆3。
所述连接杆3的一端连接活塞板2，另一端依次穿过中空主体4的封闭端、安装圆盘52，并与固定在安装圆盘52上的电动机连接，依靠电动机对连接杆3进行驱动，布置电动机，采用电动机驱动连接杆，从而进一步带动活塞板运动，使活塞板在模型箱内进行匀速运动（包括前进和后退）以及停止，从而模拟出盾构机在掘进隧道时匀速掘进的工况，使该教学模型在演示隧道施工时，能观察到开挖面塌方的真实情况。
作为其中一种优选的实施方式，所述连接杆3的端部还连接有限位块6，限位块6为有机玻璃制成的圆柱体结构。
作为其中一种优选的实施方式，所述连接杆上还连接有转动把手，所述转动把手位于所述限位块外侧，在连接杆上连接转动把手，能通过转动把手控制控制活塞板，使活塞板处在不同的状态，从而模拟出不同的隧道开挖工况，设置转动把手后，在不打开传动装置的条件下，方便通过转动把手手动控制活塞板的位置，使教学模型更加容易操作。
作为其中的一种实施方式，所述填充料为包括机油、石英砂、重晶石和凡士林的混合物，采用上述混合物作为填充料，通过改变混合物的比例来调整填充料的特性，从而模拟出不同土体的物理性质，得到在不同土体条件下的开挖面塌方状况。
本实施例中，模型箱1为长1000mm、宽115mm、高1000mm的有机玻璃制长方体，中空柱体4为长400mm、厚5mm的D型真空有机玻璃柱体，连接杆3为带螺纹的钢制传动杆件，在使用时，首先连接D型钢制活塞板2和连接杆3，并将连接杆3穿过安装圆盘52，使其与小型电动机连接，然后在连接杆3上安装上限位块6，并在连接杆3末端装上转动把手，将组合好中空柱体4、活塞板2、连接杆3和传动装置整体放入有机玻璃制成的长方体模型箱1内，模型箱1内装满将按一定比例调配好的机油、石英砂、重晶石、凡士林的混合物，打开小型电动机开关，控制活塞板2匀速前进和后退，以此模拟盾构机的掘进状态和开挖面塌方，从而看到开挖面塌方的全过程以及观察开挖面塌方时周围土体的破坏状况。
实施例2
本实施例将教学模型用于模拟盾构机开挖掘进和初期衬砌支护的情况。
本实施例的教学模型结构和实施例1相同，不同之处在于，组装中空柱体4、活塞板2、连接杆3和传动装置为整体结构，并将组装好的整体结构放入模型箱1不同的埋深位置，并且控制电动机将活塞板2驱动到不同的位置。
如图7所示，打开小型电动机开关，使连接杆3推动活塞板2匀速前进，以简单模拟盾构机前进，随后关闭开关，推动D型真空有机玻璃中空柱体4，使活塞板2再次置于中空柱体4中，使活塞板2的位置处于图7状态，以模拟盾构机开挖时的初期衬砌支护情况。
本实施例中，通过推动活塞板，模拟盾构机掘进，然后推动中空柱体，模拟初期衬砌支护情况，并观察在最终状态下的开挖面塌方的情况。
实施例3
本实施例将教学模型用于模拟隧道开挖面塌方破坏面周围土体破坏情况。
本实施例的教学模型结构和实施例1相同，不同之处在于，组装中空柱体4、活塞板2、连接杆3和传动装置为整体结构，并将组装好的整体结构放入模型箱1不同的埋深位置（与实施例1和实施例2的埋深均不同），并且控制电动机将活塞板2驱动到不同的位置。
如图8所示，首先将教学模型演示至实施例2中的状态，然后打开小型电动机开关，使连接杆3推动活塞板2匀速后退，以简单模拟开挖面塌方情况，待活塞板2快要退至D型真空有机玻璃柱体边缘时，关闭开关，使教学模型处于图8状态，静待塌陷土体稳定，观察最终破坏状态。
本实施例中，通过推动活塞板，模拟盾构机掘进，然后推动中空柱体，模拟初期衬砌支护情况，最后将活塞板退回至中空主体的封闭端部，并经过一段时间后进行观察，能观察到在有衬砌的情况下，一段时间后开挖面塌方的情况。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。