[发明专利]一种用于离心模型试验的拼装式盾构隧道模型衬砌及其制作方法

权利要求书

1.一种用于离心模型试验的拼装式盾构隧道模型衬砌，其特征在于，

该模型衬砌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；

该模型衬砌材料选择镁合金材料；

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/原型衬砌厚度；

E_模型/E_原型分别为模型/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；

管片环的纵向接缝采用对衬砌圆环割槽的方式进行模拟，采用内外割槽的结构，割槽深度如下：

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，因此割槽处剩余衬砌厚度：内外割槽的深度相同，为割槽的宽度根据实际管片环接缝螺栓孔深度范围确定，割槽的宽度取0.45°；衬砌环的宽度，为实际衬砌环宽度除以几何相似比n；

实际衬砌环环间的接缝处存在凹凸榫和螺栓，凹凸榫的抗剪和螺栓预紧力采用直螺栓模拟，螺栓点位按照实际环间接头与环内分块的几何关系确定，衬砌环一侧加工沉孔和通孔，另一侧加工螺纹孔；

选择M2.5铝制螺栓作为连接螺栓；

根据传感器放置方便的原则，在设定位置布设传感器，传感器包括应变片、位移传感器和土水压力传感器；

衬砌结构两端设置便于试验观察和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的封板。

2.一种用于离心模型试验的拼装式盾构隧道模型衬砌制作方法，步骤如下：

(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；选择弹性模量与实际工程中钢筋混凝土的弹性模量更为接近的材料，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/原型衬砌厚度；

E_模型/E_原型分别为模型/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)割槽深度

管片环的纵向接缝，采用对衬砌圆环割槽的方式进行模拟，采用内外割槽的方式，割槽深度如下：

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，因此割槽处剩余衬砌厚度：内外割槽的深度相同，为割槽的宽度根据实际管片环接缝螺栓孔深度范围确定；衬砌环的宽度，为实际衬砌环宽度除以几何相似比n；

实际衬砌环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；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；衬砌环一侧加工沉孔和通孔，另一侧加工螺纹孔，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；

拼装时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/n²，换算预紧力时还要考虑模型与实际螺栓数量的差异；

(4)衬砌环加工及拼装

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，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的封板。

3.根据权利要求2所述的一种用于离心模型试验的拼装式盾构隧道模型衬砌制作方法，其特征在于，

还包括，(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，避免试验时地层水涌入模型衬砌，损坏模型内部传感器。