3d打印的隧道模型支护结构及安装方法及制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隧道模型试验技术，具体涉及3D打印的隧道模型支护结构及安装方法及制作方法。
【背景技术】
[0002]在隧道工程中，实际工程和结构的原型一般是尺寸较大且较为复杂，其力学性能和受力机理通常无法通过对结构直接进行研究而获得，而必须采用模型试验。在满足一定相似原理的前提下，模型试验相对于现场测试及数学模型可以更为便捷、全面、直观、准确地反映出隧道的各项数据和性能，对探究地下工程机理，以及工程实际起到指导作用。
[0003]目前，隧道模型试验的支护结构一般都是喷涂混凝土，或者添加铁丝网、小锚杆再进行喷涂混凝土。然而这并不能很好的满足模型试验的相似原理，会对后续的试验产生影响。并且，由于尺寸和结构的限制，考虑喷涂混凝土的凝固时间，隧道模型掘进速度和距离都要控制在一定范围内，这样就使得试验费时、费力，还并不能很好的满足模拟支护结构的效果。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有隧道模型试验支护结构的不足，提供的3D打印的隧道模型支护结构及安装方法及制作方法。
[0005]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]3D打印的隧道模型支护结构，包括若干段依次拼接的支护段，每段支护段包括若干个拼接的内衬，每个内衬均为3D打印件，在支护段的外侧设有支撑板，通过3D打印的内衬辅以支撑板作为支护结构，大大简化了隧道模型试验的支护布置，更为简单方便。
[0007]进一步地，所述支撑板的形状与所述支护段的形状形同。
[0008]进一步地，所述支撑板包括多段，相邻的支撑板通过链接板用紧固装置固定。
[0009]进一步地，所述支护段的形状由隧道的实际形状通过比例缩放得到。
[0010]进一步地，所述支护结构的两端的支护段通过压片固定在端部支撑板上。
[0011]进一步地，所述支撑板设在两相邻支护段之间，支护段的内侧通过压片与支撑板连接。
[0012]进一步地，打印所述内衬的材料为聚乳酸材料。
[0013]进一步地，所述相邻的内衬一个设有凸台，另一个设有与凸台配合的凹槽，通过凸台与凹槽配合，实现两个内衬的固定。
[0014]支护结构的安装方法，具体步骤如下:
[0015]1)将若干段内衬依次拼接，拼接若干段支护段；
[0016]2)将多段支撑板设在支护段的外侧，固定相邻的支撑板，构成一段支护结构，将一段支护结构的端部采用压片将端部支撑板与内衬固定；
[0017]3)将一段支护结构放置在隧道模型内，贴合挖出的内壁；
[0018]4)继续挖进隧道，将第二段支护结构中的支撑板放置在隧道内并进行拼接；
[0019]5)将若干段内衬依次拼接在支撑板内部，将内衬与支撑板固定；
[0020]6)隧道继续向前挖进，重复步骤4)到步骤5);
[0021]7)最后，将端部支撑板与末端内衬固定，完成完整的支护结构。
[0022]支护结构的制造方法，具体步骤如下:
[0023]1)按照满足试验的相似比条件，将实际隧道模型缩小至需要程度，确定隧道模型支护结构的基本尺寸；
[0024]2)为模拟实际隧道开挖情况和保证隧道模型试验开挖时的稳定性，将内衬在隧道延伸方向分成多段，宽度视实际情况而定；
[0025]3)采用3D打印机打印内衬。
[0026]本发明的有益效果是:
[0027]1)采用3D打印机打印支护内衬，大大简化了隧道模型试验的支护布置，更为方便快捷，并且可以使试验者根据实际情况为隧道试验模型量身定制支护结构，且支护结构模型用后可以回收进行多次试验，实现重复利用。
[0028]2)整个支护结构较为简单和方便，可以有效防止隧道模型内围岩变形，省去了传统的喷涂混凝土、添加锚杆等费事费力的工作。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的结构构造图。
[0030]图2是本发明的结构正视图。
[0031]图中1一第一内衬；2—第二内衬；3—第二内衬；4一第四内衬；5—第五内衬；6—第六内衬；7—端部上支撑板；8—端部下支撑板；9一上支撑板；10—下支撑板；11一端部压片；12—压片；13—连接板。
【具体实施方式】
[0032]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、完整的描述。
[0033]如图1所示，隧道试验模型支护结构包括若干段依次拼接的支护段，每段支护段均包括若干段内衬，具体地，为6段，即第一内衬1，第二内衬2，第三内衬3，第四内衬4，第五内衬5，第六内衬6，端部上支撑板7，端部下支撑板8，上支撑板9，下支撑板10、端部压片11和压片12、链接板13，第四内衬4，第五内衬5，第六内衬6具有一定的突起物，是因为这是个隧道模型，这就是实际隧道内的衬砌结构。
[0034]其中，内衬结构件上留有凸台和凹槽，可以使其能拼接成一个整体，如图2支护结构的正视图。整体结构的首部和尾部部分通过端部压片11将内衬部分固定到端部上支撑板7和端部下支撑板8上，其中两个支撑板则通过链接板13用内六角螺栓在外部连接在一起。中间部位内衬部分通过压片12与上支撑板9和下支撑板10固定，上支撑板9和下支撑板10部分同样是通过链接板13用内六角螺栓在内部连接在一起。
[0035]内衬结构件都是3D打印件。考虑到实际试验要求精度并不高和打印费用问题，选择打印精度和费用都适中的3D打印机MakerBot R印licatorZ18打印。聚乳酸(PLA)是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。机械性能及物理性能良好。PLA可以在沒有加热床情况下打印大型零件模型而边角不会翘起，具有较低的收缩率，即使打印较大尺寸的模型时也表现良好。同时，PLA具有较低的熔体强度，打印模型更容易塑形。所以，选取PLA材料作为支护结构模型的打印材料。
[0036]支撑板为钢支撑班，为冲压件。先做出合适的冲压模具，再放到压力机上对冷乳低碳钢板材进行冲压加工，得到相应形状的钢支撑板。端部压片11和压片12则是通过压力机对Q235板材折弯得到。
[0037]下面结合试验对其安装方法进行说明:
[0038]1、首先，在隧道模型外将内衬拼接一起、上支撑板9和下支撑板10用链接板13连接到一起，使用压片12将内衬固定到上支撑板9和下支撑板10上。
[0039]2、将已组装好模型向隧道试验模型内放置，放进隧道模型内，贴合已挖出的内壁。
[0040]3、在隧道模型内向前挖进一段距离，再将上支撑板9和下支撑板10分别放进隧道，在隧道内使用链接板13拼接到一起。
[0041]4、再次将内衬1-6放到隧道内，在隧道内将其拼接到一起。
[0042]5、使用压片12将前后两次拼接起来的内衬压到钢支撑板上，并用螺栓将压片固定。
[0043]6、隧道继续向前挖进，重复之前步骤3到步骤5，直到满足试验要求。
[0044]7、最后，用端部上支撑板7，端部下支撑板8拼接固定，采用端部压片11将最后的内衬固定住，完成完整的支护结构。
[0045]3D打印的隧道模型支护结构改变了传统喷涂材料的支护结构模拟方法，使得支护结构模拟更为简单和方便，可以有效防止隧道模型内围岩变形。且使用后可以快速拆卸，重复利用。
[0046]设计方法为:
[0047]—、按照满足试验的相似比条件，将实际隧道模型缩小至需要程度，确定隧道模型支护结构的基本尺寸，如隧道模型支护结构宽度、长度、路面到拱顶高度。其中，可根据3D打印时的材料、厚度及填充率调整隧道模型支护结构厚度；
[0048]二、为保证运输和向试验隧道放置的方便，将内衬部分分成六部分，并在接触部位留有凸台和凹槽。内衬六部分划分应当遵循合理的原则，可视实际情况决定；
[0049]三、为模拟实际隧道开挖情况和保证隧道模型试验开挖时的稳定性，将内衬在隧道延伸方向分成多段，长度视实际情况而定；
[0050]四、考虑到支护结构模型的受力情况和整体性，在首尾和中间部位将钢支撑板作为内衬的支撑骨架，钢支撑板厚度和宽度可根据实际隧道受力选择。
[0051]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.3D打印的隧道模型支护结构，其特征在于，包括若干段依次拼接的支护段，每段支护段包括若干个拼接的内衬，每个内衬均为3D打印件，在支护段的外侧设有支撑板。2.如权利要求1所述的支护结构，其特征在于，所述支撑板的形状与所述支护段的形状形同。3.如权利要求1或2所述的支护结构，其特征在于，所述支撑板包括多段，相邻的支撑板通过链接板用紧固装置固定。4.如权利要求1所述的支护结构，其特征在于，所述支护段的形状由隧道的实际形状通过比例缩放得到。5.如权利要求1或2或4所述的支护结构，其特征在于，所述支护结构的两端的支护段通过压片固定在端部支撑板上。6.如权利要求1或4所述的支护结构，其特征在于，所述支撑板设在两相邻支护段之间，支护段的内侧通过压片与支撑板连接。7.如权利要求1或2所述的支护结构，其特征在于，打印所述内衬的材料为聚乳酸材料。8.如权利要求1所述的支护结构，其特征在于，所述相邻的内衬一个设有凸台，另一个设有与凸台配合的凹槽。9.如权利要求1-8中任一项所述的支护结构的安装方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)将若干段内衬依次拼接，拼接若干段支护段； 2)将多段支撑板设在支护段的外侧，固定相邻的支撑板，构成一段支护结构，将一段支护结构的端部采用压片将端部支撑板与内衬固定； 3)将一段支护结构放置在隧道模型内，贴合挖出的内壁； 4)继续挖进隧道，将第二段支护结构中的支撑板放置在隧道内并进行拼接； 5)将若干段内衬依次拼接在支撑板内部，将内衬与支撑板固定； 6)隧道继续向前挖进，重复步骤4)到步骤5); 7)最后，将端部支撑板与末端内衬固定，完成完整的支护结构。10.如权利要求1-8中任一项所述的支护结构的制造方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)按照满足试验的相似比条件，将实际隧道模型缩小至需要程度，确定隧道模型支护结构的基本尺寸； 2)为模拟实际隧道开挖情况和保证隧道模型试验开挖时的稳定性，将内衬在隧道延伸方向分成多段，宽度视实际情况而定； 3)采用3D打印机打印内衬。
【专利摘要】本发明公开了3D打印的隧道模型支护结构及安装方法及制作方法，支护结构包括若干段依次拼接的支护段，每段支护段包括若干个拼接的内衬，每个内衬均为3D打印件，在支护段的外侧设有支撑板。本发明的有益效果是：采用3D打印机打印支护内衬，大大简化了隧道模型试验的支护布置，更为方便快捷，并且可以使试验者根据实际情况为隧道试验模型量身定制支护结构，且支护结构模型用后可以回收进行多次试验，实现重复利用；整个支护结构较为简单和方便，可以有效防止隧道模型内围岩变形，省去了传统的喷涂混凝土、添加锚杆等费事费力的工作。
【IPC分类】G01M99/00
【公开号】CN105403427
【申请号】CN201510980751
【发明人】张霄, 张庆松, 戚厚羿, 李术才, 李梦天, 刘振国, 李鹏, 李相辉, 左金鑫
【申请人】山东大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月23日