【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于隧道工程，具体涉及一种隧道开挖室内模型系统及其使用方法。
技术介绍
1、隧道工程具有隐蔽性大，干扰因素多等特点，因此有必要对隧道工程提前进行试验，以验证施工方案的可行性。相似模型试验是以相似理论为基础，通过计算将原型按规则缩放，从而在试验室内完成对原型模拟的过程，这是研究隧道施工问题的重要方法之一。
2、相关技术中，隧道模型试验成孔手段有两种：第一种是“先挖孔，后加载”，但难以正确反映隧道围岩的受力情况；第二种是先加载，然后再按照预先设置好的几何边界条件，利用小刀等工具挖孔，但是使用工具掏土容易使几何边界外土体扰动，造成坍塌，从而与预先设置的试验条件产生差别，最终影响实验结果的准确性。
3、因此，实有必要提供一种隧道开挖室内模型系统及其使用方法以解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种隧道开挖室内模型系统及其使用方法，根据隧道实际所处地层特性情况，同时使用不同强度配比的填料通过3d打印方式形成不同等级围岩，结合可根据隧道围岩等级，设置加热圆环直径和间距动态变化，分别模拟隧道开挖初期支护强度高低和施工进度快慢，使隧道模型的开挖条件尽可能接近真实情况，提高试验结果的准确性和可信度，从而探究不同影响因素和各种复杂工况对隧道开挖的影响，可以有效解决
技术介绍
中至少一个技术问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：
3、一种隧道开挖室内模型系统，包括：
4、模型箱，围成收容空间；
6、所述地聚物基填料不同节段采用不同配比的地聚物材料配置而成，用于模拟强度不同的隧道围岩；不同节段的所述地聚物基填料内填充的热融化填料成分不同，用于模拟不同围岩条件下的支护强度不同的隧道施工过程。
7、作为一种优选的改进，所述模型箱采用角钢拼接形成框架主体，底面放置在地面或者其他载体上，底面与地面/载体之间设置有第一柔性层，所述第一柔性层采用橡胶或者海绵材料制成；四个侧面采用透明亚克力板包覆，顶面空置。
8、作为一种优选的改进，所述地聚物基填料内部还形成有裂隙和孔洞，用于模拟隧道围岩内天然存在的裂隙和孔洞。
9、作为一种优选的改进，地聚物材料采用以重量份数计的如下成分配置而成：硅灰：4~5份、粉煤灰：3~3.6份、碱激发材料：0.33~0.5份、聚丙烯纤维：0.22~0.30份、铜尾矿：2~2.5份、高炉矿渣：2~2.5份、增稠剂：0.002~0.006份、减水剂：0.009~0.011份、水：4.4~6份、细沙：7.5份；粗砂：2.5份，其中碱激发材料以naoh和nasio3按照1：3的重量比复配而成。
10、作为一种优选的改进，根据地勘报告按抗压强度将实际围岩等级划分为6个级别，从最好到最差分为i到vi级，使用6种不同配比的地聚物材料来模拟6种不同的围岩等级；其中：
11、v~vi级围岩所在节段内填充的热融化填料为改性沥青，熔点100℃~120℃；
12、iii~iv级围岩所在节段内填充的热融化填料为改性松香，熔点70℃~90℃；
13、i~ii级围岩所在节段内填充的热融化填料为石蜡，熔点55℃~60℃。
14、作为一种优选的改进，还包括加载装置，所述加载装置包括第二柔性层、钢板、滑块、反力梁以及千斤顶，所述第二柔性层铺设在所述地聚物基填料的顶部，并完全覆盖所述地聚物基填料，所述钢板铺设在所述第二柔性层的顶部，并完全覆盖所述第二柔性层；所述滑块安装在所述模型箱顶部的角钢上，可以沿角钢直线滑动以调整位置，所述反力梁固定在所述滑块上，与所述滑块的运动状态保持一致，所述千斤顶安装在所述反力梁的下方，并触接所述钢板，通过所述千斤顶给所述钢板施加荷载，并将荷载传导至所述地聚物基填料，用于模拟地层荷载。
15、作为一种优选的改进，还包括开挖模拟装置，所述开挖模拟装置包括加热圆环以及导线，所述加热圆环嵌入在所述热融化填料内，所述导线与所述加热圆环连接，用于所述加热圆环与外界电源的电导通，所述加热圆环通电后加热所述热融化填料，所述热融化填料受热融化，模拟隧道的开挖过程；所述加热圆环的直径与当前节段的围岩等级相匹配，不同节段的所述热融化填料内，相邻两个所述加热圆环的间距不同；对于i~ii级围岩，所述加热圆环的直径选择为所述热融化填料直径的90%；对于iii~iv级围岩，所述加热圆环的直径选择为所述热融化填料直径的80%；对于v~vi级围岩，所述加热圆环的直径选择为所述热融化填料直径的70%；在改性沥青节段内，相邻两个所述加热圆环的间距为10cm；在改性松香节段内，相邻两个所述加热圆环的间距为8cm；在石蜡节段内，相邻两个所述加热圆环的间距为6cm。
16、作为一种优选的改进，所述加热圆环包括由内而外间隔设置的多层加热单环以及用于固定所述加热单环的集线盒，每层所述加热单环均包括环形段和直线段，所述环形段为非闭合的圆环形结构，两端间隔形成开口，所述直线段的数量为两个，两个所述直线段固定在所述环形段的两端，两个所述直线段平行间隔设置，多个所述加热单环的直线段并排固定在所述集线盒内。
17、作为一种优选的改进，还包括测量装置，所述测量装置包括dic测量系统和光纤应变测量系统，其中，所述dic测量系统包括dic相机以及dic数据处理模块，所述dic相机与所述通孔正对设置，用于测量隧道开挖过程中隧道模型孔洞和周围填料的位移场和应变场，所述dic数据处理模块与所述dic相机连接，用于对所述dic相机测量的数据进行处理，输出测量所需的结果；所述光纤应变测量系统包括光纤应变片和应力数据处理模块，所述光纤应变片贴设在所述通孔的孔壁，用于测量隧道开挖过程中隧道模型孔洞和周围填料的应力变化，所述应力数据处理模块与所述光纤应变片连接，用于对所述光纤应变片测量的数据进行处理，输出测量所需的结果。
18、一种上述的隧道开挖室内模型系统的使用方法，包括如下步骤：
19、步骤s1，提供3d打印成型的地聚物基填料，在所述地聚物基填料的通孔内布置开挖模拟装置；
20、步骤s2，向所述地聚物基填料的通孔内注入熔融的热融化填料，待其冷却硬化；
21、步骤s3，给所述地聚物基填料施加荷载，然后接通所述开挖模拟装置的电源，所述开挖模拟装置对所述热融化填料进行加热，通过所述热融化填料的热融化过程来模拟隧道的开挖过程；
22、步骤s4，利用测量装置测量隧道开挖过程中所述通孔和周围地聚物基填料的位移场、应变场和应力数据，基于测量数据对隧道开挖过程作出评价。
23、本专利技术的有益效果在于：
24、根据地勘报告以隧道实际所处地层特性情本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道开挖室内模型系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，所述模型箱采用角钢拼接形成框架主体，底面放置在地面或者其他载体上，底面与地面/载体之间设置有第一柔性层，所述第一柔性层采用橡胶或者海绵材料制成；四个侧面采用透明亚克力板包覆，顶面空置。
3.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，所述地聚物基填料内部还形成有裂隙和孔洞，用于模拟隧道围岩内天然存在的裂隙和孔洞。
4.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，地聚物材料采用以重量份数计的如下成分配置而成：硅灰：4~5份、粉煤灰：3~3.6份、碱激发材料：0.33~0.5份、聚丙烯纤维：0.22~0.30份、铜尾矿：2~2.5份、高炉矿渣：2~2.5份、增稠剂：0.002~0.006份、减水剂：0.009~0.011份、水：4.4~6份、细沙：7.5份、粗砂：2.5份，其中碱激发材料以NaOH和NaSiO3按照1：3的重量比复配而成。
5.根据权利要求4所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，根据地勘报告按
6.根据权利要求2所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，还包括加载装置，所述加载装置包括第二柔性层、钢板、滑块、反力梁以及千斤顶，所述第二柔性层铺设在所述地聚物基填料的顶部，并完全覆盖所述地聚物基填料，所述钢板铺设在所述第二柔性层的顶部，并完全覆盖所述第二柔性层；所述滑块安装在所述模型箱顶部的角钢上，可以沿角钢直线滑动以调整位置，所述反力梁固定在所述滑块上，与所述滑块的运动状态保持一致，所述千斤顶安装在所述反力梁的下方，并触接所述钢板，通过所述千斤顶给所述钢板施加荷载，并将荷载传导至所述地聚物基填料，用于模拟地层荷载。
7.根据权利要求5所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，还包括开挖模拟装置，所述开挖模拟装置包括加热圆环以及导线，所述加热圆环嵌入在所述热融化填料内，所述导线与所述加热圆环连接，用于所述加热圆环与外界电源的电导通，所述加热圆环通电后加热所述热融化填料，所述热融化填料受热融化，模拟隧道的开挖过程；所述加热圆环的直径与当前节段的围岩等级相匹配，不同节段的所述热融化填料内，相邻两个所述加热圆环的间距不同；对于I~II级围岩，所述加热圆环的直径选择为所述热融化填料直径的90%；对于III~IV级围岩，所述加热圆环的直径选择为所述热融化填料直径的80%；对于V~VI级围岩，所述加热圆环的直径选择为所述热融化填料直径的70%；在改性沥青节段内，相邻两个所述加热圆环的间距为10cm；在改性松香节段内，相邻两个所述加热圆环的间距为8cm；在石蜡节段内，相邻两个所述加热圆环的间距为6cm。
8.根据权利要求7所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，所述加热圆环包括由内而外间隔设置的多层加热单环以及用于固定所述加热单环的集线盒，每层所述加热单环均包括环形段和直线段，所述环形段为非闭合的圆环形结构，两端间隔形成开口，所述直线段的数量为两个，两个所述直线段固定在所述环形段的两端，两个所述直线段平行间隔设置，多个所述加热单环的直线段并排固定在所述集线盒内。
9.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，还包括测量装置，所述测量装置包括DIC测量系统和光纤应变测量系统，其中，所述DIC测量系统包括DIC相机以及DIC数据处理模块，所述DIC相机与所述通孔正对设置，用于测量隧道开挖过程中隧道模型孔洞和周围填料的位移场和应变场，所述DIC数据处理模块与所述DIC相机连接，用于对所述DIC相机测量的数据进行处理，输出测量所需的结果；所述光纤应变测量系统包括光纤应变片和应力数据处理模块，所述光纤应变片贴设在所述通孔的孔壁，用于测量隧道开挖过程中隧道模型孔洞和周围填料的应力变化，所述应力数据处理模块与所述光纤应变片连接，用于对所述光纤应变片测量的数据进行处理，输出测量所需的结果。
10.一种权利要求1-9任一项所述的隧道开挖室内模型系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种隧道开挖室内模型系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，所述模型箱采用角钢拼接形成框架主体，底面放置在地面或者其他载体上，底面与地面/载体之间设置有第一柔性层，所述第一柔性层采用橡胶或者海绵材料制成；四个侧面采用透明亚克力板包覆，顶面空置。
3.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，所述地聚物基填料内部还形成有裂隙和孔洞，用于模拟隧道围岩内天然存在的裂隙和孔洞。
4.根据权利要求1所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，地聚物材料采用以重量份数计的如下成分配置而成：硅灰：4~5份、粉煤灰：3~3.6份、碱激发材料：0.33~0.5份、聚丙烯纤维：0.22~0.30份、铜尾矿：2~2.5份、高炉矿渣：2~2.5份、增稠剂：0.002~0.006份、减水剂：0.009~0.011份、水：4.4~6份、细沙：7.5份、粗砂：2.5份，其中碱激发材料以naoh和nasio3按照1：3的重量比复配而成。
5.根据权利要求4所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，根据地勘报告按抗压强度将实际围岩等级划分为6个级别，从最好到最差分为i到vi级，使用6种不同配比的地聚物材料来模拟6种不同的围岩等级；其中：
6.根据权利要求2所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，还包括加载装置，所述加载装置包括第二柔性层、钢板、滑块、反力梁以及千斤顶，所述第二柔性层铺设在所述地聚物基填料的顶部，并完全覆盖所述地聚物基填料，所述钢板铺设在所述第二柔性层的顶部，并完全覆盖所述第二柔性层；所述滑块安装在所述模型箱顶部的角钢上，可以沿角钢直线滑动以调整位置，所述反力梁固定在所述滑块上，与所述滑块的运动状态保持一致，所述千斤顶安装在所述反力梁的下方，并触接所述钢板，通过所述千斤顶给所述钢板施加荷载，并将荷载传导至所述地聚物基填料，用于模拟地层荷载。
7.根据权利要求5所述的隧道开挖室内模型系统，其特征在于，还包括开挖模拟装置，所述开挖模拟装置包括加热圆环以及导线，所述加...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗正东，罗逍，张根宝，王炜杰，董辉，许福，苏永华，陈英豪，邓蘭庭，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：
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