3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法

摘要

本发明公开了一种3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法，包括模型槽、模型隧道打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备，利用3D打印技术实现隧道模型试验的精准施工和试验用土的精确控制填筑。本发明装置和施工方法解决了常规隧道缩尺模型试验中存在的隧道周围土体填筑不均匀、复杂隧道布置的隧道设置制作工艺复杂且耗时长，隧道与隧道之间的相对位置在设置过程中容易变动，隧道与土的接触面在布置过程中容易造成扰动等问题，利用3D打印技术可以浇筑复杂的隧道形式，可以在小空间内精准布置小角度交叉、交互的隧道；可以精确的控制隧道周土体的相对密实度和均匀性，并实现不同相对密实度的多层土的模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D打印技术，尤其是涉及一种3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法，主要适用于岩土工程模型试验等技术领域。

背景技术

土木工程的道路及火车轨道，特别是地铁的建设过程中，常常需要建造隧道，而隧道的建设投资大、周期长、风险高，并因其本身依存的地质环境的复杂性与预测的高误差性，而且在使用的期间内具有永久性特性，一旦建成就不可修改。因此对隧道进行试验研究其力学特性显得特别的重要。而隧道的足尺试验虽然可以模拟隧道的真实环境，但是大多的隧道有一定的埋深，这使得隧道的原位试验耗资巨大，且试验环境不可控。缩尺模型试验相较于足尺试验而言，是具有许多优势的，如可控制试验环境，成本较经济，试验时间可控，且可对多种不同的试验参数进行研究。因此，缩尺模型试验研究成为对隧道的性状研究的重要方法之一，越来越受到广大学者们的重视。隧道在建设的过程中往往会发生一定的变形，而常规的隧道模型试验的隧道都为空心圆柱。利用3D打印可以实现各种不同的隧道形式的打印，可以更好模拟隧道的真实状态。

本发明之前，中国发明专利“一种3D打印物理相似模拟模型试验台及应用方法”(专利号：ZL201510374179.1)，公开了一种利用3D打印机构进行模型铺设、加压开挖机构进行物理相似模拟试验研究复杂地质构造下矿产采动情况模拟；中国申请发明专利“应用3D打印技术的柱状节理岩体相似材料试样的制备方法”(申请号：201410744393.7)，公开了一种柱状节理岩体相似材料试样的制备方法；这两种技术方案中均利用3D打印技术针对模拟材料形成含节理的岩体相似材料。中国发明专利“一种建筑物梁构件的3D打印方法”(专利号：ZL201310697608.X)，公开了一种结合水泥基材料的3D打印建筑物梁构件及其养护的技术方案；中国发明专利“一种塔式3D打印机及其打印方法”(专利号：ZL201410009382.4)，公开了一种结合塔吊机、水泥基材料的3D打印建筑物的技术方案；这两种技术方案均结合水泥基材料施工建筑物及其构件。但是，已有的技术方案都是针对模拟岩体材料、水泥基材料等凝结材料，而尚未有针对散体材料的均匀性制配方面的技术方案，更没有结合散体材料和凝结材料同时制作的 3D打印技术。

因此，针对目前常规隧道模型试验材料制作及隧道的尺寸及布置的不足与缺陷；结合3D打印技术，针对复杂隧道模型试验情况，开发一种快速、精准制作与布置隧道周围土体精确均匀性布置的技术方案，显得尤为重要。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，提出一种3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法，解决了常规隧道缩尺模型试验中存在的隧道周围土体填筑不均匀(尤其是隧道模型附近)、复杂隧道布置的隧道设置制作工艺复杂且耗时长，隧道与隧道之间的相对位置在设置过程中容易变动，隧道与土的接触面在布置过程中容易造成扰动等问题，通过3D打印技术进行复杂隧道模型的浇筑与精确布置，3D打印砂雨法填筑模型隧道周围土体，并确保砂土填筑的相对密实度的精确控制。

技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置，其特征在于，该装置包括模型槽、模型隧道打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备；所述模型槽的上部开口、四周和底部密封，用于盛放砂体和模型隧道形成的试验模型；所述模型隧道打印设备用于打印模型隧道，包括空间位移控制组件和模型隧道材料供应组件，所述砂雨法砂土填筑设备用于部署砂体，包括撒砂操作组件和砂材供应组件；空间位移控制组件和撒砂操作组件分别通过固定部件固定在模型槽的外侧，隧道材料供应组件和砂材供应组件位于模型槽的上方。

其中，所述空间位移控制组件包括：X1滑轨、Y1滑轨、Z11滑轨和Z12滑轨及移动部件；所述X1滑轨、Y1滑轨与Z11滑轨均为直线型，Z12滑轨为L型；Y1滑轨水平放置，其两端分别由固定部件固定在所述模型槽的外侧；Y1滑轨与Z11滑轨之间，X1滑轨与Z11滑轨之间，X1滑轨与Z12滑轨之间均通过移动部件连接；所述模型隧道材料供应组件包括：料池和料浆泵以及连通两者的输料管；料池用于盛放料浆，其内设置有搅拌装置；料浆泵位于Z12滑轨的末端，料浆泵内设置有加热装置，下方设置有出料口，用于输出加热后的料浆；所述移动部件、搅拌装置、料浆泵、加热装置与所述控制设备电连接。

其中，所述砂雨法砂土填筑设备的撒砂操作组件包括：Y2滑轨、Z21滑轨、Z22滑轨、X2滑轨及移动部件；Y2滑轨、Z21滑轨、Z22滑轨、X2滑轨(10)均为直线型，Y2滑轨水平放置，其两端分别由固定部件固定，Y2滑轨与Z21滑轨之间，Z21滑轨与 X2滑轨之间，X2滑轨与Z22滑轨之间都通过移动部件连接；所述砂材供应组件包括：砂池和出砂口以及将两者连通的输砂管；砂池内盛放砂料，其底部设置有阀门，用于控制出砂速度；出砂口位于Z22滑轨的末端，所述阀门与所述控制设备电连接。

同时，本发明还提供了一种上述3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置进行打印施工的方法，包括以下步骤：

(1)利用三维制图软件设计隧道模型的形状、尺寸及其在隧道周土体中的布置位置，以及隧道周土体分层与相对密实度；

(2)将料浆及砂分别装入所述模型隧道材料供应组件的料池与所述砂材供应组件的砂池中，打开料池中的搅拌装置，速度调为360～720r/min，打开所述模型隧道材料供应组件的料浆泵中的加热装置，温度控制为10～50℃；

(3)根据试验参数及绘制的三维立体模型，调整所述料池和砂池与所述模型槽的相对高度，将料池与砂池的位置调整到高于模型槽0.1～1m处，通过阀门调节至需要的速度，模型隧道打印设备开始打印模型隧道，砂雨法砂土填筑设备开始撒砂，所述模型隧道的打印高度高于填埋砂的高度。

与现有常规隧道模型试验制作技术相比，本发明中的3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法具有以下优点：

1、模型隧道可浇筑成不同的形状，并且不限制于单根隧道，还可以打印多条，布置方式可以是正交，也可以是小角度相交。

2、隧道的覆土上一般有建筑物，特别是地铁，利用3D打印还可以还原隧道的真实情况。并且利用隧道材料选择为胶结材料时，由于土体材料为散粒材料，这样在浇筑过程中两者会有一定的相互侵入，使隧道-土接触面更真实。

3、控制设备利用3D打印技术实现砂雨法的填筑操作，可以保证撒砂高度的一致，同时，其扫略的速度均匀，使得土体的均匀性更好，并能较精确的达到要求的相对密实度，同时还能根据高度及撒砂速度的变化，实现不同密实度的多层土的模拟。

附图说明

图1为本发明中3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置的结构示意图；

图2为图1中试验制作装置在打印过程中的右视图；

图3为本发明中3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置中的模型隧道的布置示意图；图3(a)为两个隧道在同一平面交互的布置结构；图3(b)为两个隧道在同 一平面交互的另一种布置结构；图3(c)为三个隧道在不同平面交互的布置结构；

图4为模型隧道的多种横截面形状示意图；图4(a)为圆形截面，图4(b)为长方形截面，图4(c)为六边形截面，图4(d)为五边形截面，图4(e)为不规则图形截面，图4(f)为圆拱形截面，图4(g)为跑道型截面；

其中：1为固定部件，2为模型槽，3为料池，4为输料管，5为砂池，6为阀门，7为输砂管，8为搅拌装置，9为移动部件，10为X2滑轨，11为Z21滑轨，12为出砂口，13为Z22滑轨，14为Y2滑轨，15为模型隧道，16为出料口，17为料浆泵，18为数据线，19为控制设备，20为X1滑轨，21为Z11滑轨，22为Z12滑轨，23为Y1滑轨，24为砂体。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明专利的具体实施方式，本发明专利的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

实施例1：

图1、图2中的3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置，3D打印隧道或采空区上方桩基模型试验装置，包括：模型槽2、模型隧道打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备；模型槽2一般设置放置在地面或者承重台上，其上部开口、四周和底部密封，用于盛放砂体24和模型隧道15形成的试验模型；模型隧道打印设备用于打印模型隧道15，包括空间位移控制组件和模型隧道材料供应组件，砂雨法砂土填筑设备用于部署砂体24，包括撒砂操作组件和砂材供应组件；空间位移控制组件和撒砂操作组件分别通过固定部件1固定在模型槽2的外侧，隧道材料供应组件和砂材供应组件位于模型槽2的上方。

模型隧道打印设备的空间位移控制组件包括：X1滑轨20、Y1滑轨23、Z1滑轨及移动部件9，Z1滑轨又包括Z11滑轨21和Z12滑轨22两个滑轨；X1滑轨20、Y1滑轨23与Z11滑轨21均为直线型，Z12滑轨22为L型；Y1滑轨23水平放置，其两端分别由固定部件1固定；Y1滑轨23与Z11滑轨21之间，X1滑轨20与Z11滑轨21之间，X1滑轨20与Z12滑轨22之间均通过移动部件9连接，使得Z11滑轨21的一端可沿着Y1滑轨23滑动，X1滑轨20的一端可沿着Z11滑轨21上滑动，Z12滑轨22的一端可沿着X1滑轨20滑动。模型隧道材料供应组件包括：料池3和料浆泵17以及连通两者的输料管4；料池3用于盛放料浆，其内设置有搅拌装置8，搅拌装置8由搅拌杆、 十字形搅拌头和电动转机组成；料浆泵17位于Z12滑轨22的末端，料浆泵17内设置有加热装置(图中未示出)，下方设置有出料口16，用于输出加热后的料浆。

砂雨法砂土填筑设备的撒砂操作组件包括：Y2滑轨14、Z21滑轨11、Z22滑轨13、X2滑轨10及移动部件9；Y2滑轨14、Z21滑轨11、Z22滑轨13、X2滑轨10均为直线型，其中，Y2滑轨14水平放置，其两端分别由固定部件1固定，Y2滑轨14与Z21滑轨11之间，Z21滑轨11与X2滑轨10之间，X2滑轨10与Z22滑轨13之间都通过移动部件9连接，使得Z21滑轨11的一端可沿Y2滑轨14滑动，X2滑轨10可沿Z21滑轨11滑动，Z22滑轨13的一端可沿X2滑轨10滑动。砂材供应组件包括：砂池5和出砂口12以及将两者连通的输砂管7；砂池1内盛放砂，其底部设置有阀门6，用于控制出砂速度；出砂口12位于Z22滑轨13的末端。

上述移动部件9、搅拌装置8、料浆泵17及阀门6通过数据线18与控制设备19电连接；模型隧道打印设备与砂雨法砂土填筑设备相互独立，提高打印的效率。

本实施例中模型槽2的长为2m，宽为1.5m，高度为2m，外环滑轨15的长为2.5m、宽为2m、直径为3mm，相应尺寸不限于此，可根据试验设计要求，将模型槽2的长制作为2～5m、宽为1.5～2m、高度为2～3m，模型槽2的材料为钢材或有机玻璃或钢化玻璃。

本实施例中Y1滑轨14和Y2滑轨23长为2m，直径为3mm，材料为钢材，相应尺寸不限于此，长度为2～2.5m，直径为3～5mm，材料为钢材或铝合金均可以。

本实施例中搅拌装置8在制作期间不间断搅拌以保证胶结材料的流动性，搅拌速度为360r/min，功率为100W；料池3的进料口端直径为0.3m，输料口端直径为4分，圆柱端高度为0.1m，圆台端高度为0.2m；输料管4的直径为4分；相应尺寸不限于此，可根据试验设计要求，搅拌装置8的搅拌速度可设为360～720r/min，功率为100～300W；料池3的进料口端直径可为0.3～0.5m，输料口端直径为4分～1寸，圆柱端高度为0.1～0.3m，圆台端高度为0.1～0.2m；输料管4的直径可根据料池输料口端或输砂口端直径确定，为4分～1寸；料浆为胶结材料，其材料为混凝土、水泥砂浆、石灰或石膏。出料口16其尺寸和形状根据试验要求决定，形状可为扁形或圆形，孔径为1～10mm(本实施例为3mm)。

砂池1的进料口端直径为0.3～0.5m，输砂口端直径为4分～1寸，圆柱端高度为0.1～0.3m，圆台端高度为0.1～0.2m(本实施例进料口端直径为0.3m，输砂口端直径为4 分，圆柱端高度为0.1m，圆台端高度为0.1m)；阀门6可控制砂的出砂速度，出砂速度为0.05～0.1m³/h(本实施例为0.05m³/h)；输砂管7的直径根据料池输料口端或输砂口端直径确定，为4分～1寸(本实施例为4分)；出砂口12的形状为扁形或圆形(本实施例为圆形)，出砂口网眼孔径为1～4mm(本实施例为1mm)，可控制出料或出砂速度为0.05～0.1m³/h(本实施例为0.05m³/h)。

实施例2：

实施例1中的3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置打印试验模型，其施工过程包括以下步骤：

(1)确定模型的结构，确定模型中各构件的材料：利用AutoCAD、3Dmax、ProE、UG或Solidworks三维制图软件，设计隧道模型15的形状、尺寸及其在隧道周土体中的布置位置，以及隧道周土体分层与相对密实度。

所述模型隧道15，其横截面形状可以为图1、3所示的圆形，也可以为图4所示的长方形、或者各种多边形，以及不规则图形、圆拱形或跑道型，隧道长可设计为300～4550mm(本实施例为1000mm)；若横截面为圆形则其直径可设计为15～150mm；若横截面为长方形则其边长可设计为15～150mm；若为多边形则其边长可设计为15～150mm；隧道既可以为图1中所示的单条，也可以为如图3所示的多条，例如：两到四条隧道在同一平面交互，角度为30°～90°，也可为不同平面交互，角度为0°～180°，隧道与隧道之间距离可以设计为5～150cm。

利用砂雨法控制相对密实度为30～80％(本实施例为50％)，可以在不同位置设置不同相对密实度的砂土以模拟多层土情况。

(2)备料：将料浆及砂分别装入料池3与砂池5中，打开料池3的搅拌装置8，速度调为360～720r/min(本实施例为360r/min)，打开料浆泵17的加热装置，温度控制为10～50℃(本实施例为10℃)。

模型隧道15的材料，其材料为混凝土、水泥砂浆、石灰或石膏(本实施例为水泥砂浆)；隧道周土为砂土，材料为福建标准砂或地区天然砂(本实施例为福建标准砂)，粒径为细砂、中砂或粗砂(本实施例为细砂)，级配为良好或不良(本实施例为良好)，砂雨法控制相对密实度30～80％(本实施例为50％)，计算出撒砂的高度为0.2～0.7m(本实施例为0.5m)、出砂速度为0.05～0.1m³/h(本实施例为0.05m³/h)。

(3)施工制作：根据试验参数及绘制的三维立体模型，调整料池3和砂池5与模 型槽2的相对高度，将料池3与砂池5的位置调整到高于模型槽0.1～1m处(本实施例为0.5m)，通过阀门6调节至需要的速度，模型隧道打印设备开始打印模型隧道，砂雨法砂土填筑设备开始撒砂；保证模型隧道的打印高度略高于填埋砂的高度。

打印期间可根据试验要求，在模型槽2中埋置测量元器件(如土压力盒、沉降标)，并且在打印过程中可变化出砂口12距砂面的距离，以实现多层土(如开始为30cm，其后为50cm，第三层为70cm)。

(4)模型试验：模型布置完成后，开展相关的模型试验。