一种用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌及其制作方法

本申请是母案名称为“一种用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌及其制作方法”的发明专利的分案申请；母案申请的申请号为：CN202111363322.9；母案申请的申请日为：2021-11-17。

技术领域

本发明涉及盾构隧道模型试验技术领域，特别是涉及一种用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌及其制作方法。

背景技术

为了研究盾构隧道在一些特殊工况下的结构受力特性，常常需要开展模型试验研究，如足尺试验、缩尺试验等。

盾构隧道足尺试验存在所需场地大、试验成本高、加载系统复杂、试验难度大且危险系数高等问题。常重力缩尺试验常采用石膏等材料模拟盾构管片环，但无法有效模拟管片之间的环向及纵向接缝作用；同时常重力下的缩尺试验，既不能有效还原周围土体荷载，也不能有效模拟土体、衬砌等材料的性质，因此试验结果可靠度不高。

离心模型试验是通过提高模型所处环境的重力加速度，使模型所受应力状态与实际情况相接近，对于研究土体与结构的力学状态和相互作用具有很好的优势。根据离心试验原理，模型材料杨氏模量与实际材料杨氏模量越是接近，其模型的几何相似程度越高，试验精度越好。已有的离心模型试验多是采用铝合金或有机玻璃等材料模拟混凝土管片材料，材料相似程度较差，试验精度难以保证。现有技术未能较好地实现在离心模型试验中模拟拼装式盾构管片。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌及其制作方法，以解决传统的盾构衬砌及试验方法无法有效模拟盾构接缝、材料相似程度较低、无法真实还原盾构隧道在土体中的力学状态等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌，包括模型衬砌，所述模型衬砌包括若干个衬砌环，所述衬砌环上设有沉孔、通孔和螺纹孔，相邻的两个所述衬砌环之间通过螺栓连接，所述衬砌环的内外两侧上均设有割槽；

所述模型衬砌上设有应变片、位移传感器和土水压力传感器；

所述模型衬砌的两端设有封板；

所述模型衬砌上刷涂有防水材料。

优选的，所述模型衬砌的材料为镁合金材料。

优选的，模型衬砌厚度计算公式为：

式中，t模型/t原型分别为模型衬砌厚度/原型衬砌厚度；

E模型/E原型分别为模型的弹性模量/原型材料的弹性模量；

n为原型隧道外径与模型隧道外径的比。

优选的，割槽处剩余衬砌厚度：

位于内侧和外侧的所述割槽的深度相同，均为

优选的，所述螺栓选用M2.5铝制螺栓。

优选的，所述沉孔的直径为4mm，所述通孔的直径为2.8mm，所述螺纹孔的直径为2.5mm。

优选的，所述封板的材质为有机玻璃材料。

优选的，所述防水材料为环氧树脂胶。

本发明还公开了一种基于上述的用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌的制作方法，包括以下步骤：

(1)选定模型试验几何相似比，根据实际工程尺寸及模型土箱容积的限制条件，选择合适的模型盾构隧道外径尺寸，原型隧道外径与模型隧道外径之比即为模型试验的几何相似比n，离心模型试验的加速度设定为n倍的重力加速度；

(2)选择模型衬砌材料；

(3)计算模型尺寸

1)衬砌厚度；

2)割槽深度；

3)螺栓直径；

(4)衬砌环加工及拼装

在衬砌拼装过程及拼装完成后，布设传感器，传感器包括应变片、位移传感器和土水压力传感器；

衬砌结构两端设置封板；

(5)结构防水措施，在模型衬砌上刷涂防水材料。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)采用与实际盾构管片的钢筋混凝土弹性模量接近的镁铝合金作为模型衬砌材料，可以在保证模型抗弯刚度相似的前提下，模型厚度与实际厚度比例更加相似。

(2)纵缝采用内外割槽的方式，环缝接头选用M2.5铝制螺栓，可有效模拟实际凹凸榫的抗剪切作用和环间螺栓的预紧力，衬砌环设置有沉孔、通孔、螺纹孔，既可以有效模拟衬砌的环缝，又可以实现逐环拼装。

(3)本发明提出一种离心模型试验衬砌及其制作方法，可以有效模拟盾构隧道的拼装式结构在周围荷载(水土荷载、施工)作用下的结构响应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的工作流程图。

图2是本发明的用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌环正面结构示意图。

图3是图2的局部放大结构图。

图4是本发明的用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌环背面结构示意图。

图5是图4的局部放大结构图。

图中：1衬砌环，2沉孔，3通孔，4螺纹孔，5割槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于离心模型试验的盾构隧道模型衬砌及其制作方法，以解决传统的盾构衬砌及试验方法无法有效模拟盾构接缝、材料相似程度较低、无法真实还原盾构隧道在土体中的力学状态等技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的制作方法参见附图1说明如下：

(1)选定模型试验几何相似比：

根据实际工程尺寸及模型土箱容积的限制条件，选择合适的模型盾构隧道外径尺寸，原型隧道外径与模型隧道外径之比即为模型试验的几何相似比n，离心模型试验的加速度设定为n倍的重力加速度。

(2)选择合适模型衬砌材料：

选择镁合金(国标牌号AZ31b)作为模型衬砌材料，20℃下其弹性模量约为45GPa，和其他合金如铝合金、钢等相比，与实际工程中钢筋混凝土的弹性模量(如C60混凝土弹性模量为36GPa)更为接近，保证截面抗弯刚度相似的前提下，模型与实际结构的厚度相似程度最高。

(3)计算模型尺寸：

1)衬砌厚度、

依据模型试验相似原理，模型衬砌厚度计算公式为：

式中，t模型/t原型分别为模型衬砌厚度/原型衬砌厚度；

E模型/E原型分别为模型的弹性模量/原型材料的弹性模量；

n为原型隧道外径与模型隧道外径的比，即为试验的几何相似比。

2)割槽5深度、

管片环的纵向接缝，采用对衬砌圆环割槽5的方式进行模拟，其优点在于既可以有效模拟衬砌环1在接缝处抗弯刚度的弱化，又可有效避免由于人工拼装质量的误差对结构受力带来的不良影响。采用内外割槽5的方式，割槽5深度的考虑如下：

参考已有研究经验，纵缝处抗弯刚度相对于正常截面的弱化率m为0.2，因此割槽5处剩余衬砌厚度：

实际衬砌环1环间的接缝处存在凹凸榫和螺栓，凹凸榫抵抗环与环之间的错动变形，提供抗剪刚度，螺栓提供纵向的连接和预紧力。本发明的模型衬砌，将采用直螺栓来模拟凹凸榫的抗剪和螺栓预紧力的作用。模型螺栓点位按照实际环间接头与环内分块的几何关系确定，以实现实际衬砌的错缝拼装状态。衬砌环1一侧加工沉孔2和通孔3，一侧加工螺纹孔4，由此可以保证模型衬砌的逐环拼装。

3)螺栓直径、

螺栓的尺寸和材料需根据凹凸榫的抗剪材料选取，使其尺寸既不能过大影响主体结构的刚度，又不能过小不便于开孔和拼装。本发明选择M2.5铝制螺栓作为连接螺栓，沉孔2的直径为4mm，通孔3的直径为2.8mm，螺纹孔4的直径为2.5mm。

拼装时注意螺栓的预紧力参考实际预紧力设计，模型的集中力应为原型集中力的1/n

(4)衬砌环1加工及拼装、

在衬砌拼装过程及拼装完成后，根据传感器放置方便的原则，在设定位置布设传感器，如应变片(获取结构的应力、内力等)、位移传感器(获取结构变形情况)、土水压力传感器(监测试验过程中结构所受土水压力荷载的变化情况)。

衬砌结构两端需要设置封板，选择有机玻璃材料，既便于试验观察又避免合金材料端板刚度过大对结构两端变形特征产生影响。

(5)结构防水措施、

如盾构隧道周围地层含水，则需要在模型衬砌接缝处及端板处刷涂防水材料，如环氧树脂胶等，避免试验时地层水涌入模型衬砌，损坏模型内部传感器。环氧树脂胶既可有效防水，且其刚度小，不会影响隧道结构的刚度。

本发明的结构参见图2、3、4、5所示。结构具体说明可以参见制作方法中的相应部分。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。