本实用新型涉及隧道工程教学模型领域，特别是一种隧道衬砌围岩相互作用的教学模型。
背景技术：
近年来，随着我国基础设施建设的大力发展，城市地下空间开发作为新兴产业在国民经济中发挥越来越重要的作用，我国大部分大中型城市均在修建城市地铁或轻轨工程。城市地下空间开发的蓬勃发展必然导致专业人才需求与日俱增，截止目前，我国开办城市地下空间工程专业及土木工程（地下工程）专业高校已达到40多所。
在城市地下空间工程专业及土木工程专业教学过程中，隧道工程作为比较常见的一门学科，比较好的教学方式为演示教学，让学生非常直观清晰地了解到衬砌受力、支撑支护和围岩变形等一系列的过程和机理。然而，由于受到各方面条件的限制，很多学校视演示教学为包袱，演示教学由此在整个培养方案中的比例极其低微，即使有些高校在隧道工程专业教学过程中使用演示教学，也只限于一些动画演示和二维试验演示，导致现有的相关产品无法满足演示教学要求。
鉴于演示教学在整个培养方案中占据重要地位，它的缺失不利于学生对知识的综合利用与融会贯通，与实际工程脱节，导致人才培养不能体现新时代城市地下空间开发的特征，人才培养质量也不能完全满足社会发展和用人单位的需要。因此，对我国高等学校城市地下空间工程以及土木工程（地下工程）专业而言，在工程隧道类及相关专业课程中推行教学模型进行演示教学势在必行，开发出满足需求的教学模型更是刻不容缓。
在隧道施工过程中，隧道施工设计支撑措施及评价该支撑措施对相邻结构的影响都是根据经验判断。例如，隧道衬砌通常是根据经验设计得到，因为它不像其它的混凝土结构能够精确设计，而在教学过程中，很难让学生了解到隧道衬砌围岩的相互作用过程，衬砌围岩和支护结构的受力、变形情况更是难以理解和观察，而传统的衬砌模型只能进行二维衬砌试验，只能通过衬砌试验了解到隧道某一截面上衬砌围岩和支护结构的受力变形情况。
技术实现要素：
本实用新型的发明目的在于：针对在教学过程中学生难以理解隧道衬砌围岩的相互作用过程，而传统的二维衬砌模型只能进行二维衬砌试验，导致无法观察到整个隧道长度范围内衬砌围岩的受力变形情况的问题，提供一种隧道隧道衬砌围岩相互作用的教学模型，该教学模型包括立体结构的模型主体，通过在布置好的模型主体内装入填充料的方式，模拟出隧道施工过程中衬砌围岩的相互作用，并根据布置在模型主体内的测量模块准确测量到填充料的状态参数，从而准确地了解到整个隧道长度范围内衬砌围岩的受力变形情况。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种隧道衬砌围岩相互作用的教学模型，包括模型主体和监测装置，其中：
所述模型主体包含用于盛装填充料的模型箱，所述模型箱上开设有模拟隧道的模型孔，该模型孔贯通模型箱前后壁，在所述模型孔上布置有用于模拟隧道衬砌结构的支护结构，所述模型箱的顶部设有用于灌注填充料的进料口；
所述监测装置包括安装在模型箱内的测量模块，用于监测填充料的松动位移和应力。
通过在模型孔上布置支护结构，将模型主体组装并调试好支护结构的参数后盛装填充料，使填充料对该教学模型进行加载，这种先进行支护，后进行加载的方式，能使围岩和支护结构的受力、变形与实际情况更为符合。
本方案的教学模型通过设置模型主体，通过往模型主体的模型箱内盛装填充料的方式，使填充料作用于模型主体的支护结构上，从而模拟出实际施工过程中隧道衬砌围岩的相互作用，在通过布置在模型箱内的测量模块，测量到填充料的状态参数，从而准确地了解到整个隧道长度范围内衬砌围岩的受力变形情况，使教学更加直观、生动，学生更容易了解到隧道衬砌围岩的相互作用过程。
将模拟隧道的模型孔贯通模型箱的前后壁，从而在模型箱的前后壁之间形成整体的隧道结构，并且在该隧道结构上布置模拟衬砌结构的支护结构，从而使该教学模型为三维衬砌模型，能进行三维衬砌实验过程，模拟出整个隧道长度范围内衬砌围岩的受力变形情况。
从进料口内逐渐加入填充料，使该教学模型能模拟出围岩在动态作用下的变形和受力状态。
本方案中的支护结构模拟隧道施工过程中的衬砌结构，在使用教学模型进行演示模拟试验教学时，分析隧道衬砌的变形动态情况，由于支护结构和模型孔一起贯通模型箱的前后壁，形成三维的衬砌模型结构，而传统的衬砌试验只能进行二维衬砌试验，试验中采用“先支护，后加载”的工艺过程，即先进行隧道的支护工作，等衬砌参数调试好后再进行通过填充材料对模型进行加载。
作为本实用新型的优选方案，所述支护结构为复合式结构，包括分别用于模拟一次衬砌、二次衬砌的第一支护结构和第二支护结构，所述第一支护结构和第二支护结构沿模型孔径向方向紧贴布置。
通过布置第一支护结构和第二支护结构，从而模拟出隧道的一次衬砌和二次衬砌，使用于填充在模型箱内的填充料与实际工程中的围岩相互作用情况相同。
作为本实用新型的优选方案，所述支护结构上铺设有防水层，该支护结构使用的材料包括石膏、滑石粉、水和干料，所述第一支护结构的石膏、滑石粉、水和干料重量配合比为4:3:3:4，所述第二支护结构的石膏、滑石粉、水和干料重量配合比为4:5:4:4。
作为本实用新型的优选方案，所述防水层为四氯乙烯塑料薄膜。
作为本实用新型的优选方案，所述支护结构为环形结构，在支护结构的外环面上还安装有用于模拟隧道锚杆的多个支杆。
支护结构安装在模型孔上，形成部分圆环结构，在支护结构的外侧（即靠近填充料一侧）安装支杆，模拟隧道衬砌结构的锚杆，使支杆伸入到填充料中，对隧道结构形成支撑，防止垮塌，使该教学模型能模拟出现实工况，更贴近实际工况，分析时更加准确、合理。
作为本实用新型的优选方案，所述支杆为铜漆包线，多个所述支杆的间距为0.1m×0.1m，围绕支护结构的内部布施。
通过布置支杆，使该教学模型更加贴近实际隧道施工的工况，使衬砌围岩相互作用更加贴近实际，便于分析出实际工况中围岩相互作用的规律。
作为本实用新型的优选方案，所述模型主体还包括用于安装在进料口的填充料控制装置，所述填充料控制装置包括止浆塞和垫板，所述止浆塞和垫板为一体成型的结构。
当用于模拟围岩的填充料具有一定的流变特性时，为了更好地控制将填充料装入模型箱的过程，在进料口处布置控制装置，根据需要往模型箱内部注入需求的填充料。
作为本实用新型的优选方案，所述模型箱为六个玻璃板拼接形成的立方体结构，且该立方体结构的模型箱呈扁平状，所述进料口包括进料口一和进料口二，两个所述进料口分别开设在模型箱顶板两端。
模型箱采用玻璃板制得，可以很直观地观察到衬砌的变形情况。
在模型箱顶板的两端分别布置进料口一和进料口二，通过进料口一和进料口二同时往模型箱内装入填充料，使模型箱内的填充料盛装更加均匀，模拟出实际隧道施工过程中，隧道外侧的围岩在某个时间段处于相对静止状态。
所述进料口可拆卸式安装有封头。设置封头，使进料口可打开和闭合。
作为本实用新型的优选方案，所述监测装置还包括用于显示填充料状态参数的监测平台，所述测量模块连接至监测平台。
通过布置监测平台，测量模块连接至监测平台，所述测量模块将测量到的填充料状态参数传输至监测平台，并通过监测平台进行展示，从而通过监测平台动态监测到填充料的动态变化状态，从而更准确、直观地了解到隧道实际开挖过程中，衬砌外侧围岩的相互作用情况，便于进行教学、讲解。
该监测平台既可以布置在模型箱上，也可以单独设置，通过传输线与测量模块连接，进行动态参数数据显示。
作为本实用新型的优选方案，所述监测装置包括用于处理填充料状态参数的信号处理模块，所述信号处理模块内置于监测平台和/或安装在模型箱内，所述信号处理模块同时连接测量模块，用于接收填充料的状态参数并处理后二次输出。
通过布置信号处理模块，用于对测量模块测量到的填充料状态参数进行处理，得到围岩相互作用的特征和规律，从而对处理后的数据进行二次输出，此处所述的二次输出是相对于将填充料状态参数原始数据输出而言：监测平台对测量模块测量到的填充料状态参数（未处理的初始数据）原始输出为一次输出，监测平台对信号处理模块处理后的数据输出为二次输出。
设置信号处理模块，既能通过监测平台观察到围岩相互作用的直接状态，又能通过信号处理模块处理后得到围岩相互作用的内部机理和规律，从而增加该教学模型功能。
作为本实用新型的优选方案，所述测量模块包括用于监测围岩内部松动位移的位移传感器和用于监测隧道衬砌结构应力的应变计传感器，所述位移传感器和应变计传感器均配置有独立的UPS电源及数据采集存储器。
所述位移传感器为多点式位移传感器，在所述模型孔的多个截面上均布置有多个位移传感器，在每个截面上，多个所述位移传感器沿着模型孔的径向方向设置，每个位移传感器位于距离衬砌结构多个半径距离处。沿模型孔的径向方向，向背离模型孔孔心一侧方向依次布置多个位移传感器，用于测量衬砌结构外侧不同位置的围岩内部松动情况。
所述应变计传感器设置在模型孔孔壁衬砌内的多个点上，用于监测隧道多个位置的衬砌结构上的应力。
配置独立的UPS电源，能不间断地对模型箱内的填充料状态参数进行测量，同样地，配置独立的数据采集存储器，能不间断地对模型箱内的填充料状态参数进行保存，防止在普通电源中断状态下，数据发生丢失。
当布置包括位移传感器和应变计传感器的测量模块后，监测平台能输出其中任一项或者多项的数据，同时通过布置在监测平台上的切换功能，监测平台还能输出一项或者多项的二次输出数据。
作为本实用新型的优选方案，所述位移传感器和应变计传感器均分别连接有各自的信号处理模块，使各自的信号处理模块从对应的传感器采集、获取信息。
作为本实用新型的优选方案，所述填充料的成份包括砂、CaCO3、滑石粉、石膏、水和干料。
采取上述的填充料，使该教学模型在使用过程中，其模拟的隧道衬砌围岩相互作用更加贴近实际情况，并且使衬砌围岩相互作用的过程更加明显，便于进行观察和教学。
作为本实用新型的优选方案，砂、CaCO3、滑石粉、石膏、水和干料的重量配合比为1： 1.3： 2.5： 0.2：0.31： 1。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1、通过在模型孔上布置支护结构，将模型主体组装并调试好支护结构的参数后盛装填充料，使填充料对该教学模型进行加载，这种先进行支护，后进行加载的方式，能使围岩和支护结构的受力、变形与实际情况更为符合；
2、本实用新型的教学模型通过设置模型主体，通过往模型主体的模型箱内盛装填充料的方式，使填充料作用于模型主体的支护结构上，从而模拟出实际施工过程中隧道衬砌围岩的相互作用，在通过布置在模型箱内的测量模块，测量到填充料的状态参数，从而准确地了解到整个隧道长度范围内衬砌围岩的受力变形情况，使教学更加直观、生动，学生更容易了解到隧道衬砌围岩的相互作用过程；
3、通过布置监测平台，测量模块连接至监测平台，所述测量模块将测量到的填充料状态参数传输至监测平台，并通过监测平台进行展示，从而通过监测平台动态监测到填充料的动态变化状态，从而更准确、直观地了解到隧道实际开挖过程中，衬砌外侧围岩的相互作用情况，便于进行教学、讲解；
4、位移传感器和应变计传感器均配置独立的UPS电源，能不间断地对模型箱内的填充料状态参数进行测量，同样地，位移传感器和应变计传感器均配置独立的数据采集存储器，能不间断地对模型箱内的填充料状态参数进行保存，防止在普通电源中断状态下，数据发生丢失；
5、模型箱采用玻璃板制得，可以很直观地观察到衬砌的变形情况。
附图说明
图1为本实用新型教学模型的框架组成图。
图2为本实用新型教学模型的模型主体结构示意图。
图中标记：1-模型箱，2-模型孔，3-支护结构，31-第一支护结构，32-第二支护结构，4-进料口，41-进料口一，42-进料口二，5-防水层，6-支杆。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例
如图1和图2所示，隧道衬砌围岩相互作用的教学模型，包括模型主体和监测装置，其中：
所述模型主体包含用于盛装填充料的模型箱1，所述模型箱1上开设有模拟隧道的模型孔2，该模型孔2贯通模型箱1的前后壁，在所述模型孔2上布置有用于模拟隧道衬砌结构的支护结构3，所述模型箱1的顶部设有用于灌注填充料的进料口4，所述监测装置包括安装在模型箱1内的测量模块，所述测量模块用于监测填充料的松动位移和应力。
通过在模型孔上布置支护结构，将模型主体组装并调试好支护结构的参数后盛装填充料，使填充料对该教学模型进行加载，这种先进行支护，后进行加载的方式，能使围岩和支护结构的受力、变形与实际情况更为符合。
本方案的教学模型通过设置模型主体，通过往模型主体的模型箱内盛装填充料的方式，使填充料作用于模型主体的支护结构上，从而模拟出实际施工过程中隧道衬砌围岩的相互作用，在通过布置在模型箱内的测量模块，测量到填充料的状态参数，从而准确地了解到整个隧道长度范围内衬砌围岩的受力变形情况，使教学更加直观、生动，学生更容易了解到隧道衬砌围岩的相互作用过程。
将模拟隧道的模型孔贯通模型箱的前后壁，从而在模型箱的前后壁之间形成整体的隧道结构，并且在该隧道结构上布置模拟衬砌结构的支护结构，从而使该教学模型为三维衬砌模型，能进行三维衬砌实验过程，模拟出整个隧道长度范围内衬砌围岩的受力变形情况。
从进料口内逐渐加入填充料，使该教学模型能模拟出围岩在动态作用下的变形和受力状态。
本实施例的教学模型采用的支护结构和模型孔一起贯通模型箱的前后壁，形成三维衬砌模型结构，而传统的衬砌试验只能进行二维衬砌试验，试验中采用“先支护，后加载”的工艺过程，即先进行隧道的支护工作，等衬砌参数调试好后再进行通过填充材料对模型进行加载。
为了真实模拟隧道工况，模型孔为不规则圆洞。
作为其中一种优选的实施方式，所述支护结构3为复合式结构，包括分别用于模拟一次衬砌、二次衬砌的第一支护结构31和第二支护结构32，所述第一支护结构31和第二支护结构32沿模型孔2径向方向紧贴布置。
模拟隧道衬砌的支护结构采用石膏等凝固料包裹细铁丝网模拟，凝固料中除包括石膏外，还有滑石粉和干料，配合水后形成凝固料进行使用，第一支护结构和第二支护结构的材料及重量配合比分别为：
第一支护结构31，石膏：滑石粉(1： 0.75)，水：干料(0.75： 1)；
第二支护结构32，石膏：滑石粉(1： 1.25)，水：干料(1： 1)。
在模拟隧道衬砌的支护结构3上还铺设有防水层5，防水层5为四氯乙烯塑料薄膜，厚度hw=0.2 mm。
进一步地，支护结构3为环形结构，在支护结构3的外环面上还安装有用于模拟隧道锚杆的多个支杆6，支护结构3安装在模型孔2上，形成部分圆环结构，在支护结构3的外侧（即靠近填充料一侧）安装支杆6，模拟隧道衬砌结构的锚杆，使支杆6伸入到填充料中，对隧道结构形成支撑，防止垮塌，使该教学模型能模拟出现实工况，更贴近实际工况，分析时更加准确、合理。
作为其中一种优选的实施方式，所述支杆6为铜漆包线，其直径为0.2 mm，多个所述支杆6的布置间距为0.1m×0.1m，围绕支护结构3的外环壁面布施。
作为其中一种优选的实施方式，所述模型主体还包括用于安装在进料口4的填充料控制装置，所述填充料控制装置包括止浆塞和垫板，所述止浆塞和垫板为一体成型的结构。
本实施例中，模型箱1为六个玻璃板拼接形成的立方体结构，且该立方体结构的模型箱1呈扁平状，具体地，模型箱1的尺寸（长×宽×高）=0.7m×0.7m×0.2m，进料口4包括进料口一41和进料口二42，两个所述进料口4分别开设在模型箱1的顶板两端，在进料口4上还安装有使进料口封闭和打开的封头，封头与模型箱可拆卸式连接。
作为其中一种优选的实施方式，所述监测装置包括用于显示填充料状态参数的监测平台，所述测量模块连接至监测平台，同时，监测装置包括用于处理填充料状态参数的信号处理模块，所述信号处理模块内置于监测平台和/或安装在模型箱内，所述信号处理模块同时连接测量模块，用于接收填充料的状态参数并处理后二次输出。
通过布置信号处理模块，用于对测量模块测量到的填充料状态参数进行处理，得到围岩相互作用的特征和规律，从而对处理后的数据进行二次输出，此处所述的二次输出是相对于将填充料状态参数原始数据输出而言：监测平台对测量模块测量到的填充料状态参数（未处理的初始数据）原始输出为一次输出，监测平台对信号处理模块处理后的数据输出为二次输出。
设置信号处理模块，既能通过监测平台观察到围岩相互作用的直接状态，又能通过信号处理模块处理后得到围岩相互作用的内部机理和规律，从而增加该教学模型功能。
作为其中的一种实施方式，所述测量模块包括用于监测围岩内部松动位移的位移传感器和用于监测隧道衬砌结构应力的应变计传感器，所述位移传感器和应变计传感器均配置有独立的UPS电源及数据采集存储器。
所述位移传感器为多点式位移传感器，在所述模型孔的多个截面上均布置有多个位移传感器，在每个截面上，多个所述位移传感器沿着模型孔的径向方向设置，每个位移传感器位于距离衬砌结构多个半径距离处，。沿模型孔的径向方向，向背离模型孔孔心一侧方向依次布置多个位移传感器，用于测量衬砌结构外侧不同位置的围岩内部松动情况。
本实施例中，多点式位移传感器安装在模型孔断面90°、180°和270°处，用于监测支护结构的推动位移。
所述应变计传感器设置在模型孔孔壁衬砌内的多个点上，用于监测隧道多个位置的衬砌结构上的应力。
配置独立的UPS电源，能不间断地对模型箱内的填充料状态参数进行测量，同样地，配置独立的数据采集存储器，能不间断地对模型箱内的填充料状态参数进行保存，防止在普通电源中断状态下，数据发生丢失。
当布置包括位移传感器和应变计传感器的测量模块后，监测平台能输出其中任一项或者多项的数据，同时通过布置在监测平台上的切换功能，监测平台还能输出一项或者多项的二次输出数据。
作为其中一种优选的实施方式，所述位移传感器和应变计传感器均分别连接有各自的信号处理模块，使各自的信号处理模块从对应的传感器采集、获取信息。
作为其中的一种实施方式，填充料的材料及重量配合比为：砂： CaCo3：滑石粉：石膏(1： 1.3： 2.5： 0.2)，水：干料0.31： 1。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。