一种地铁隧道现浇衬砌施工的模型试验装置及制作方法

本发明涉及隧道施工，具体为一种地铁隧道现浇衬砌施工的模型试验装置及制作方法。

背景技术：

1、地铁隧道工程具有一定特殊性：隧道埋置于地层中，一旦建成更改难度大，特别是对于地质复杂段，长大隧道更是控制性工程。因此，掌握隧道施工中围岩力学行为，进行隧道试验，分析隧道施工中围岩与支护的相互作用，得到数据支撑对于隧道施工具有重要的意义。而在隧道现场做试验有诸多不便：如周期长，试验耗费人力物力大，试验器材易被毁坏，难以多次进行。利用相似理论对隧道施工进行相似模型试验，可以克服现场试验的缺点，相似模型试验能在室内进行，受到干扰小，可以多次重复。

2、目前，在进行隧道模型试验中，通常做法是先将衬砌埋入围岩中，然后再进行开挖，此方法虽较为简便，但其模拟手段与现实却严重不符。隧道实际施工应是先开挖围岩，后做支护。但隧道模型试验中想要实现先开挖后支护难度较大，主要表现为：先开挖后施作衬砌会因模型试验空间狭小、后续支护难以浇筑等原因难以实现隧道模型试验的先开挖后浇筑。因此如何在隧道模型试验中实现先开挖岩体，后浇筑衬砌成为了亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地铁隧道现浇衬砌施工的模型试验装置及制作方法，以解决上述背景技术提出的目前现有的隧道模型试验中，通常做法是先将衬砌埋入围岩中，然后再进行开挖，此方法虽较为简便，但其模拟手段与现实确严重不符的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种地铁隧道现浇衬砌施工的模型试验装置及制作方法，包括固定安装于实验台面上方的底座，且底座的内侧设置有托板，并且托板的上方固定安装有台架，同时台架的内侧固定拼接有固定板，而且固定板和托板之间填充有填料，同时固定板和填料上挖设有开挖孔；

3、还包括：两组支撑架，对称固定安装于托板的上表面，且两组支撑架，并且导轨贯穿于开挖孔，同时导轨上滑动连接有滑块，而且滑块上固定连接有模板，所述模板上安装有铺膜组件，且滑块上安装有喷油组件，用来实现对膜体的喷油润滑；

4、电机，固定安装于底座的内壁，所述电机的输出端固定连接有凸轮，所述底座的内侧转动安装有转轴，且转轴和托板之间连接有传动组件，并且转轴的外侧均匀固定安装有活动架；

5、升温组件，均匀安装于底座的内侧，用来促进填料和现浇衬砌的凝固。

6、优选的，所述导轨贯穿开挖孔，且滑块和导轨滑动连接，并且滑块关于模板对称设置有两个，同时模板设置有四组。

7、通过采用上述技术方案，使得模板在拼接后，可以便于后续现浇衬砌的浇筑施工，同时导轨可以便于滑块带动模板进行移动调节，实现逐步施工。

8、优选的，所述铺膜组件包括设置于模板靠近移动方向的一端内侧的放卷软管，且放卷软管的两端和滑块转动连接，并且放卷软管的外侧绕卷有薄膜，同时薄膜贴合于模板的外侧。

9、通过采用上述技术方案，使得模板进行移动时，其内侧的放卷软管可以对薄膜进行自动放卷，使得薄膜自动铺设于模板的外侧，避免模板和浇筑的石膏粘附。

10、优选的，所述模板到开挖孔的内壁距离为1-2cm，且模板采用1.2cm厚的钢板，并且模板上开设有预留孔。

11、通过采用上述技术方案，使得待模板固定位置后，通过预留孔，将注射器刺破薄膜后注入石膏，实现对模拟衬砌的浇筑。

12、优选的，所述喷油组件包括转动安装于滑块外侧的滚轮，且滚轮贴合于导轨滚动，并且滚轮的轴部固定安装有扇形齿轮，所述喷油组件还包括固定安装于滑块上的第一活塞筒，且第一活塞筒的内侧过盈配合安装有第一活塞片，且第一活塞片和第一活塞筒构成弹性伸缩结构，并且第一活塞片的外侧连接有活塞杆，同时活塞杆和第一活塞筒伸缩连接，而且活塞杆的外侧固定连接有第一齿条，所述第一齿条和扇形齿轮啮合连接。

13、通过采用上述技术方案，使得模板移动时，滚轮会在滚动过程中带动扇形齿轮同步旋转，使得扇形齿轮通过啮合作用带动第一齿条进行移动，使得第一活塞片可以进行往复移动。

14、优选的，所述滑块的上方固定安装有油箱，且油箱和第一活塞筒之间连接有吸液管，并且第一活塞筒的外侧连接有排油管，同时排油管上均匀开设有出油孔，而且出油孔朝向放卷软管上的薄膜，同时吸液管和排油管两者上均设置有单向阀结构。

15、通过采用上述技术方案，使得薄膜进行铺设时，排油管可以向排油管外侧均匀喷淋油液，从而降低模板和薄膜之间的摩擦力，提高模板移动过程中的流畅性。

16、优选的，所述传动组件包括固定安装于托板下表面的第二齿条，且第二齿条的外侧啮合连接有传动齿轮，并且传动齿轮固定安装于转轴的外侧，同时托板和底座之间连接有缓冲弹簧，而且托板和底座构成弹性升降结构，所述凸轮的外壁贴合托板的下表面。

17、通过采用上述技术方案，使得凸轮旋转时，可以带动托板进行往复弹性升降，从而使得托板进行震动，并且带动第二齿条和传动齿轮啮合，使得传动齿轮带动转轴进行旋转。

18、优选的，所述升温组件包括固定安装于底座内壁的第二活塞筒，且第二活塞筒的内侧过盈连接有第二活塞片，并且第二活塞片的外侧连接有弧形结构的活动架，同时活动架固定连接于转轴的外侧，所述第二活塞筒的外侧分别连接有吸气管、排气管，且排气管上连接有喷头，并且喷头的内侧固定连接有圆环形的密封环，同时密封环的内侧密封连接有倒圆台形结构的密封塞，而且密封塞和密封环之间连接有复位弹簧，所述吸气管、排气管上均设置有单向阀结构，所述喷头朝向固定板和开挖孔。

19、通过采用上述技术方案，使得第二活塞筒可以通过吸气管吸入空气，并且在压缩生热后通过喷头吹向固定板和开挖孔，从而提高浇筑石膏的固化效率。

20、一种地铁隧道现浇衬砌施工的模型试验装置的制作方法，包括以下步骤：

21、s1、将台架、固定板固定搭设于托板的上表面，然后向固定板和托板之间注入填料，用来模拟围岩，静置一段时间，当填料凝固后，采用工具在固定板和填料上开挖断面，得到开挖孔，将支撑架固定安装于托板上，并将导轨固定安装于支撑架上，再将滑块滑动安装于导轨上，实现模板的安装；

22、s2、将放卷软管外侧的薄膜固定于开挖孔的端部，然后沿导轨滑动滑块，使得模板移动至开挖孔内侧，同时放卷软管可以对薄膜进行放卷，同时滚轮会沿导轨滚动，从而带动扇形齿轮旋转，使得扇形齿轮与第一齿条进行啮合，使得活塞杆带动第一活塞片在第一活塞筒的内侧进行往复移动，使得第一活塞筒可以通过吸液管抽取油箱中的油液，并通过排油管撒向薄膜，进而降低薄膜和模板之间的摩擦力，当模板运动至预设位置后，通过注射剂刺破薄膜，向薄膜和开挖孔内壁之间注入石膏浆液，石膏浆液的水、膏比为1:1.4，当石膏凝固后，继续循环开挖填料，并移动模板，从而对下一衬砌位置进行浇筑，如此循环直到隧道贯通，进而实现隧道模型试验中先开挖后支护的试验方案；

23、s3、当石膏浇筑后，启动电机，使得电机驱动凸轮进行旋转，使得凸轮推动托板进行弹性震动，从而使得浇筑的石膏分布更加均匀、稳定，同时托板会带动第二齿条和传动齿轮啮合，使得传动齿轮通过转轴、活动架带动第二活塞片在第二活塞筒的内侧进行往复移动，使得第二活塞筒可以自动吸入空气并经压缩升温后吹向开挖孔，从而进一步提高石膏的凝固效率，减少实验所需时间。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：该地铁隧道现浇衬砌施工的模型试验装置及制作方法可以在隧道模型试验中先开挖隧道，后进行支护，实现精准实验模拟，且可以提高模板的移动便捷性以及衬砌浇筑凝固效率，进而缩短实验时间，具体内容如下所示；

25、1、设置有台架、固定板、导轨和模板，通过台架、固定板内侧的填料，可以对围岩进行模拟，而通过模板，可以对后续的衬砌进行有效浇筑，同时采用导轨对模板进行导向，使得模板可以进行便捷调动，使得模板移动到下一浇筑位置，如此循环直到隧道贯通，进而实现隧道模型试验中先开挖后支护的试验方案；

26、2、设置有放卷软管和薄膜，随着模板开挖隧道的移动，使得其可以带动放卷软管同步移动，使得放卷软管可以对其外侧绕卷的薄膜进行放卷，使得薄膜贴合于模板的外侧，从而避免后续石膏凝固后限制模板的移动调节；

27、3、设置有第一活塞筒和排油管，当需要调节模板位置时，移动模板，使得滚轮沿导轨滚动，从而带动扇形齿轮进行旋转，使得扇形齿轮和第一齿条间歇啮合，使得第一齿条通过活塞杆带动第一活塞片在第一活塞筒的内侧进行往复移动，使得第一活塞筒通过吸液管抽取油箱中的油液并通过排油管喷向薄膜的外侧，实现对薄膜和模板之间的润滑，避免阻碍模板的移动调节；

28、4、设置有凸轮和缓冲弹簧，当石膏浇筑后，启动电机，使得电机驱动凸轮进行旋转，使得凸轮推动托板在底座的内侧进行弹性升降，使得模板可以进行抖动，从而提高模板内侧石膏的均匀性，进而确保浇筑效果；

29、5、设置有第二活塞筒和喷头，随着托板的升降调节，可以使得托板下方的第一齿条通过啮合作用带动传动齿轮旋转，使得活动架可以拉动第二活塞片在第二活塞筒的内侧进行往复移动，从而使得第二活塞筒可以通过吸气管吸入空气并在压缩升温后通过喷头吹向开挖孔，从而进一步提高石膏的凝固效率，进而提高实验效率。