一种数字孪生隧道试验系统的制作方法

1.本实用新型属于公路隧道实验领域,特别是涉及一种数字孪生隧道试验系统。


背景技术：

2.随着我国交通运输基础设施建设项目的增长，无论是新建的还是已建成的隧道必将面临越来越多的施工或健康运营监测问题。目前主要采用模型试验法、数值模拟法对建设前后的隧道进行科学研究和监测评估，模型试验能够直观形象地表现隧道结构承受围岩压力的变形和破坏，而且可以根据需要简单模拟各种地质结构，为建立新的理论或模型提供支撑(中国海洋大学.模拟含空洞地层隧道开挖沉降的三维模型隧道试验装置：201910022130.8[p].2020-04-10)。
[0003]
但是现有的隧道模型试验装置或系统仅仅为了解决建造中面临的问题而对建造过程进行模拟，或者对运营状态的衬砌作为主体研究其变位和围岩沉降，并未考虑新奥法隧道衬砌与锚杆和围岩共同作用下的力学行为，也没有提出对隧道结构在可能荷载作用下的力学行为的预测。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型所要解决的技术问题：现有的隧道模型试验装置或系统仅仅为了解决建造中面临的问题而对建造过程进行模拟，或者对运营状态的衬砌作为主体研究其变位和围岩沉降，并未考虑新奥法隧道衬砌与锚杆和围岩共同作用下的力学行为，也没有提出对隧道结构在可能荷载作用下的力学行为的预测。
[0005]
本实用新型至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]
一种数字孪生隧道试验系统，包括模型箱、填充物和隧道节段模型，用于对隧道结构进行模型试验和预测性验算，所述填充物位于模型箱内部；用于模拟隧道所处的围岩体；
[0007]
所述隧道节段模型包括用于模拟真实的隧道结构中的模筑混凝土二次衬砌的二次衬砌模型、用于模拟真实隧道初期支护中的钢格栅或钢拱架的初期支护模型、锚杆模型，所述锚杆模型与初期支护模型的竹材连接固定；所述填充物包裹锚杆模型。
[0008]
优选的，所述模型箱为透明有机玻璃板粘接而成且顶部开口的箱体，在底面开有用于泄水的水龙头，且模型箱架设在支架上。
[0009]
优选的，所述填充物包括若干染色的液体橡胶层，若干液体橡胶层之间的缝隙用塑料薄膜隔开并延伸至填充物的顶部；
[0010]
所述填充物的高度比模型箱的深度低，填充物顶部设有荷载分配梁，荷载分配梁与模型箱内壁之间的缝隙间充水，水渗入液体橡胶层或块之间的缝隙。
[0011]
优选的，所述二次衬砌模型采用3d打印件或者pvc管材制作，并在模型内表面粘贴应变片。
[0012]
优选的，所述锚杆模型采用竹条或木条制作，通过初期支护模型固定在二次衬砌模型外表面，所述锚杆模型的竹条或木条采用等间距或变间距布置。
[0013]
优选的，所述初期支护模型采用竹片或竹条制作为钢格栅或钢拱架，将其包裹在二次衬砌模型的外面；
[0014]
所述钢格栅或钢拱架的空隙间灌注透明液体橡胶形成整体的隧道节段模型。
[0015]
优选的，所述模型箱周围布置有激光传感器，模型箱各个侧面标记有多个像控点，在模型箱的内表面蚀刻长度标尺；
[0016]
所述模型箱相对的两个侧面之间设置对拉杆，对拉杆采用和模型箱相同的材料制作的拉杆，粘接在模型箱的内壁上。
[0017]
优选的，所述填充物的顶部放置平板状的荷载分配梁，荷载分配梁上叠加有砝码；所述荷载分配梁与填充物的接触面上布置荷载传感器。
[0018]
优选的，所述二次衬砌模型的内表面、初期支护模型、锚杆模型的不同位置粘贴全桥应变片。
[0019]
优选的，所述试验系统还包括使用通用有限元软件建立的符合模型箱中隧道节段模型及其周围填充物的物理力学特性的数字孪生有限元模型。
[0020]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：提供一种新奥法公路隧道运营状态下的模型试验装置并建立起与该模型试验装置对应的数字孪生有限元模型，通过试验和模型修正，验证模型对隧道结构力学行为的预测的可行性和可靠性，为实际的新奥法隧道运营状况的结构监测提供可靠的预测方法，探索建立新的隧道力学模型和验算方法。
附图说明
[0021]
图1为本实用新型一种数字孪生隧道试验系统结构示意图。
[0022]
图例说明：1、模型箱；11、水龙头；12、支架；2、填充物；3、二次衬砌模型；4、初期支护模型；5、锚杆模型；6、荷载分配梁。
具体实施方式
[0023]
下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的示例性实施例所限制；相反，提供这一实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的应用或技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0024]
本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
[0025]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0026]
在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第
一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0027]
本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
[0028]
如图1所示，本实用新型一种数字孪生隧道试验系统，包括模型箱1、箱内填充物2、荷载分配梁6和隧道节段模型，用于对隧道结构进行模型试验和预测性验算。隧道节段模型包括二次衬砌模型3、初期支护模型4、锚杆模型5；在模型箱1的底面开有一个用于泄水的水龙头11，且模型箱架设在支架12上；在模型箱1的周围还需要设置数个高清激光传感器；为形成数字孪生隧道试验，还需要建立与模型箱1中隧道节段模型与填充物2的物理力学特性相同的数字孪生有限元模型。
[0029]
所述模型箱1的外表面应该标记出像控点，用于高清激光传感器设定为测量计算隧道节段模型位移的固定参照点。
[0030]
作为优选的实施例，模型箱1的内表满应蚀刻出长度标尺，便于观察和估计模型箱1中模型的位移。
[0031]
为避免在填充物2顶部加上过大的荷载时模型箱1的侧面发生不可忽略的平面外变形，在模型箱1的两个相对内表面之间设置和模型箱1侧面同样材料的对拉杆，对拉杆的两端粘接在模型箱1相对的内表面上。
[0032]
所述填充物2的顶面应为平面，且顶面低于模型箱1上部的开口用于安置荷载分配梁6；填充物之间应有贯通模型箱1的底面与填充物2顶面之间的分层面，模拟实际围岩体的结构面。
[0033]
所述填充物2用于模拟隧道所处的围岩体，采用染色的液体橡胶分层分块填充固结，以模拟真实岩体中的结构面产状和区分不同岩层，液体橡胶层或块之间的缝隙用塑料薄膜隔开并延伸至填充物2的顶部；填充物2的高度比模型箱1的深度低，用于在模型箱1内的填充物2顶部加水和放置荷载分配梁6，水渗入液体橡胶层或块之间的缝隙，以模拟实际围岩结构面中裂隙水的作用；
[0034]
所述隧道节段模型包括二次衬砌模型3、初期支护模型4、锚杆模型5；
[0035]
所述二次衬砌模型3采用3d打印件或者pvc管材制作，用于模拟真实的隧道结构中的模筑混凝土二次衬砌，并在模型内表面粘贴应变片；
[0036]
所述初期支护模型4采用结构设计用的竹片或竹条按比例制作为钢格栅或钢拱架，用于模拟真实隧道初期支护中的钢格栅或钢拱架，将其包裹在二次衬砌模型3的外面；
[0037]
所述锚杆模型5采用竹条或木条制作，与初期支护模型4的竹材连接固定，可采用等间距或变间距布置；随后，在竹材制作的钢格栅或钢拱架的空隙间灌注透明液体橡胶形成整体的隧道节段模型，将隧道节段模型放入模型箱1，依次分层分块灌入剩余需要的液体橡胶，凝固成型；填充物2包裹锚杆模型5，模拟新奥法中的锚杆和围岩共同承受一部分围岩压力的情况。
[0038]
作为优选的实施例，所述填充物2的顶部放置平板状的荷载分配梁6，使用砝码在荷载分配梁6上堆叠加载以改变隧道节段模型与填充物共同承受的荷载；荷载分配梁6采用刚度较大的材料制作，其与填充物2的接触面上均匀布置荷载传感器以观测加载值。
[0039]
作为优选的实施例，在隧道节段模型的二次衬砌模型3的内表面、初期支护模型4、锚杆模型5的不同位置还粘贴了全桥应变片，用于监测在荷载作用下隧道节段模型的应变数据。
[0040]
所述试验系统还包括使用通用有限元软件建立的符合模型箱1中的隧道节段模型及其周围填充物2的物理力学特性的数字孪生有限元模型，并将其与从模型箱1模型试验中采集和计算得到的应力、应变、位移数据比较；通过重复上述过程，不断修正模型箱1模型试验的数字孪生有限元模型，最终使得数字孪生有限元模型的计算结果与模型试验的结果吻合，从而实现数字孪生有限元模型对新的荷载作用下的隧道节段模型力学行为的预测；在此基础上，可将这一套方法移植到真实的隧道监测需求上。
[0041]
本实用新型一种数字孪生隧道试验系统的示例性实施例通过以下步骤实现：
[0042]
使用pvc管材或者3d打印的方式制作隧道节段模型的二次衬砌模型3，使用结构试验用的竹片或竹条和粘胶制作新奥法隧道初期支护模型4的钢格栅或钢拱架模型，使用竹条或木条制作隧道节段模型的锚杆模型5，在二次衬砌模型3、初期支护模型4和锚杆模型5需要的位置粘贴应变片，按照真实隧道的结构将隧道节段模型的二次衬砌模型3、初期支护模型4的钢格栅或钢拱架模型、锚杆模型5组装在一起，理顺应变片连接线，在钢格栅或钢拱架模型中的空隙灌入透明的液体橡胶，待凝固成型后，形成初期支护模型4和隧道节段模型。
[0043]
使用透明有机玻璃板粘接模型箱1，在模型箱1的底面钻孔并连接一个水龙头11用于排出填充物2层块缝隙间的水；为方便操作，模型箱1还需要架设在支架12上。
[0044]
使用楔块和塑料薄膜构造需要的结构面产状，在模型箱1中灌入最底层的填充物2即液体橡胶，最底层液体橡胶成型后的厚度应保证其在发生较大的变形时隧道节段模型不会触底；当液体橡胶的厚度满足要求后，在模型箱1中放入隧道节段模型，隧道节段模型的长度等于模型箱内部两个较近表面的距离，将应变片引出线在模型箱1内壁粘贴固定好之后，按照设计需要灌入剩下的填充物2；待最后的填充物2成型后，隧道节段模型的初期支护模型4和锚杆模型5包裹埋在填充物2内，即制作一个新奥法隧道节段模型试验箱。
[0045]
通过力学试验，确定模型箱1中填充物2和隧道节段模型中各组成材料的弹性模量、泊松比等力学特性，获得其他物理特性，结合现有的隧道有限元建模和设计计算理论，使用通用有限元软件建立与模型箱1中的模型的物理力学特性吻合的数字孪生有限元模型；在填充物顶部放置一个由刚度较大的材料切割制作的荷载分配梁6，荷载分配梁6与模型箱1箱壁之间留有缝隙，在荷载分配梁6上堆叠砝码，在荷载分配梁6和模型箱1箱体的缝隙中注水，使水渗入填充物2不同层块液体橡胶中间的缝隙，通过砝码和水的不同组合模拟不同的围岩压力和岩体裂隙水状况；架设在模型箱1周围的高清激光传感器实时监测隧道节段模型中锚杆模型5、初期支护模型4和二次衬砌模型3的位移，采集应变片的数据可得到隧道节段模型不同位置的应变，同时在数字孪生有限元模型加上等价的荷载，得出数字孪生有限元模型的应力、应变和位移结果，与模型箱1中模型试验的结果进行对照，然后修正数字孪生有限元模型；改变荷载分配梁6上的砝码组合，重复上述模型试验和数字孪生有限元模型修正的步骤，直到数字孪生有限元模型的计算结果可以和模型箱1试验结果吻合后，在数字孪生有限元模型上加新的荷载得到一个新的计算结果，在模型箱1上用砝码加上等同的荷载，观测模型箱1中模型的力学行为，验证数字孪生有限元模型对模型箱1中隧道节
段模型力学行为的预测能力。
[0046]
以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。