[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

说明书

本发明公开了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，包括：(1)选定模型试验几何相似比；(2)选择合适模型衬砌材料；(3)计算模型的衬砌厚度、割槽深度、螺栓直径尺寸；(4)衬砌环加工及拼装；(5)结构防水措施。本发明可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。

技术领域

本发明涉及盾构隧道模型试验的技术领域，具体是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。

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拼装式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。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于离心模型试验的拼装式盾构隧道模型衬砌，

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。

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，