用于常重力模型试验的盾构隧道缩尺模型及其制作和应用

本发明涉及隧道交通模拟试验，尤其是涉及一种用于常重力模型试验的盾构隧道缩尺模型及其制作和应用。

背景技术：

1、随着我国城市化建设进程的加快，地铁盾构隧道技术在国内被广泛地应用于各大城市的地下工程建设中，已成为地铁隧道工程、市政管线工程等地下大型工程的主要施工方法。缩尺模型试验因具有能在室内重演研究问题中岩土体及其结构物的响应和变形破坏现象的优点，一直是研究隧道以及岩土工程问题的重要研究手段之一，同时模型试验也是验证各种数值模拟结果和其他分析方法正确性的有效途径。

2、其中，常重力小比尺模型试验指在自然重力作用下所进行的小比尺室内物理模型试验。该试验方法的模型加工方便，试验测量技术成熟，成本远低于足尺试验和离心模型试验。因此常重力小比尺模型试验在盾构隧道和山岭隧道相关问题研究中发挥着重要作用。然而，目前用于常重力小比尺模型试验中的隧道模型多采用刚度等效原则，采用铝合金、树脂等材料简化隧道结构，无法还原实际盾构隧道的受力变形以及破坏特点。因此，采用强度相似的盾构隧道缩尺模型进行试验研究，对进一步探究盾构隧道与地层相互作用等相关问题具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述缺陷而提供一种用于常重力模型试验的盾构隧道缩尺模型及其制作和应用，为了实现精细化模型制作，缩尺模型管片首先采用3d打印精确制作树脂管片作为母模，随后以树脂管片为母模浇筑制作硅胶模具，最后采用石膏浇筑进入硅胶模具制作模型管片，该盾构隧道缩尺模型能够在常重力模型试验中复现真实隧道达到极限状态后接缝压碎倒塌的力学特性，可实现在常重力模型试验中重现真实盾构隧道达到极限承载力而破坏的效果。本发明不仅具有与原型隧道相同的接缝等特征，更是能够满足强度相似的难点，能够在小比例尺缩尺模型试验中重现原型隧道的破坏特征，为后续研究隧道-地层相互作用等类似问题提供参考依据。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种用于常重力模型试验的盾构隧道缩尺模型的制作方法，具体步骤如下：

4、s1、采用3d打印技术制作多块缩尺模型管片的母模；

5、s2、为步骤s1中得到的母模浇筑制作缩尺模型管片模具；

6、s3、采用强度相似的材料浇筑进入步骤s2中得到的硅胶模具制作多块缩尺模型管片；

7、s4、将多块缩尺模型管片直接拼装形成衬砌环；

8、s5、将多个所述衬砌环之间直接相接，不采用螺栓连接，形成盾构隧道缩尺模型。

9、在本发明的一种实施方式中，步骤s1中，所述母模的3d打印材料为树脂。

10、在本发明的一种实施方式中，步骤s1中，母模模型根据缩尺试验相似比原则设计，

11、缩尺模型管片尺寸(长度、厚度、直径等)根据原型隧道几何尺寸按照相似比等比例缩小：

12、

13、其中，lm为模型隧道管片的几何尺寸，包括截面厚度、宽度、半径等，lp为相对应的原型隧道管片尺寸，n为几何尺寸相似比。

14、在本发明的一种实施方式中，足尺试验证明，隧道结构达到极限状态时，其破坏特征为接缝部位混凝土受压破碎；因此，缩尺设计时采用抗压强度作为控制指标，隧道模型材料的抗压强度根据原型隧道混凝土的抗压强度按照相似比换算得出：

15、

16、其中，λf为材料抗压强度相似比，fcp为原型隧道混凝土抗压强度，fcm为缩尺隧道模型强度相似材料的抗压强度，n为几何尺寸相似比。

17、在本发明的一种实施方式中，步骤s1中，多块缩尺模型管片的母模包括封顶块和标准块的母模。

18、在本发明的一种实施方式中，步骤s2中，所述缩尺模型管片模具的3d打印材料为硅胶。

19、在本发明的一种实施方式中，步骤s3中，所述强度相似的材料包括石膏、水泥和细石混凝土。

20、在本发明的一种实施方式中，步骤s3中，采用强度相似的材料浇筑进入步骤s2中得到的缩尺模型管片模具，同时在缩尺模型管片模具中埋入钢丝网，硬化后脱模得到多块缩尺模型管片，多块缩尺模型管片内部埋设有强度相似设计的钢丝网。

21、本发明还提供一种用于常重力模型试验的盾构隧道缩尺模型，其特征在于，由上述的制作方法得到，所述盾构隧道缩尺模型包括多个衬砌环，多个所述衬砌环之间直接相接，所述衬砌环由多块缩尺模型管片拼装而成，所述衬砌环基于真实盾构隧道按照同等比例缩小。

22、在本发明的一种实施方式中，所述多块缩尺模型管片包括封顶块和标准块，多个所述标准块环向依次相接，所述封顶块设于两个标准块之间，多块所述缩尺模型管片纵向直接相接，不采用螺栓连接，缩尺模型管片选用无螺栓设计，目的在于实现强度相似和制作可行性。

23、在本发明的一种实施方式中，根据相似关系，角度的相似比为1:1，因此缩尺模型管片的圆心角与原型盾构隧道模型管片的圆心角相同，实现一一对应。

24、在本发明的一种实施方式中，所述封顶块的圆心角度数为20°，所述标准块的圆心角度数均为68°。

25、在本发明的一种实施方式中，所述衬砌环由真实盾构隧道按照30:1～60:1的比例缩小；根据原型隧道的几何尺寸和分块角度，按照30:1～60:1的比例缩小，确定缩尺隧道管片模型的几何尺寸和分块，与原型隧道角度和尺寸保持对应。

26、此外，本发明还提供一种用于常重力模型试验的盾构隧道缩尺模型的应用，将盾构隧道缩尺模型直接应用于不含水的地层-隧道模型试验；在盾构隧道缩尺模型的接缝外表面涂抹适量防水胶后应用于含水地层-隧道模型试验。

27、在本发明的一种实施方式中，所述接缝包括相邻衬砌环之间的环向接缝和缩尺模型管片之间的纵向接缝。

28、在本发明的一种实施方式中，在进行地层-隧道模型试验时，首先放入尺寸吻合的圆筒作为支撑，将缩尺模型管片在圆筒上完成拼装后抽出圆筒进行后续试验。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、1、本发明克服常重力模型试验缩尺盾构隧道模型无法实现强度相似的问题，通过设计管片材料强度，能够在试验中还原真实隧道结构在达到极限状态时接缝处混凝土压碎破坏的力学效果，可解决无法开展大规模隧道破坏试验的问题，为探究盾构隧道与地层相互作用机理提供参考依据。

31、2、本发明模型隧道分块角度、几何尺寸均可以与原型隧道保持相似，能够有效模型原型隧道的构造与特征。

32、3、本发明基于相关试验研究结果，创新性地取消了模型隧道中接缝螺栓的构造，不仅能够确保试验效果不受影响，同时极大地提高了模型制作的可操作性，降低了模型制作难度与成本，实现批量制作隧道模型，开展规模化重复性试验的可行性。

33、4、本发明克服小比例尺盾构隧道精细化模型制作困难的问题，通过引入3d打印精确制作树脂管片作为母模，随后以树脂管片为母模浇筑制作硅胶模具，最后采用石膏浇筑进入硅胶模具制作模型管片，该方法充分利用3d打印技术精度高的优势，能够实现小比例尺管片的精确制作。

34、5、本发明的管片材料可以由石膏等材料浇筑制作，成本低廉，成型迅速，能够满足大量重复性试验需求。