一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟系统及模拟方法

摘要

本发明属于道路建筑材料技术领域，公开了一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟系统及模拟方法，以解决现有技术中评价二次衬砌混凝土中存在的技术问题，该系统包括内层拱形模板、外层拱形模板、浇筑口及观察口、重力传感器、微型振动器、数据采集器及变压器；该方法可准确模拟浇筑过程中衬砌混凝土在模板内拱顶、拱腰等不同位置的流动情况和填充效果，本方法通过浇筑及振捣时间、衬砌模板压强变化及衬砌混凝土硬化后表面形貌三种指标对衬砌混凝土在浇筑施工过程中的施工性能进行评价，评价指标综合全面、相互印证，评价结果精准可靠。本发明对于隧道二次衬砌混凝土施工性能评价及浇筑施工质量控制具有重要的理论意义和实际价值。

说明书

技术领域

本发明涉及道路建筑材料技术领域，具体涉及一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟系统及模拟方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展和交通强国战略的不断实施，铁路与公路交通建设的需求日益增加。我国山区面积广大，隧道工程在交通建设中占据了很大比重。山岭隧道二次衬砌施工时，采用隧道全断面衬砌模板台车，通过泵送混凝土的方式进行浇筑，两侧边墙是通过台车拱肩部的浇筑孔进行泵送，拱顶部衬砌是通过台车顶部的浇筑孔向上泵送，这两种方式施工人员都是通过振捣窗在一次衬砌与模板台车之间形成的狭小空间内进行振捣。作业空间狭窄、部位多变等不利的施工条件，不仅给混凝土的浇筑与振捣带来了极大困难，且无法直接观测混凝土在模板内的流动情况，所以，在二次衬砌成型硬化后易出现衬砌厚度不均匀，背后存在空洞等问题，进而导致隧道衬砌混凝土密实性下降，强度降低，应力分布不均匀，存在一定的开裂脱落风险。因此，如何精准评价混凝土的施工性能和填充效果对隧道二次衬砌施工质量控制意义重大。

目前，评价衬砌混凝土工作性能及填充效果的试验方法有坍落扩展度试验、加振实验、U型箱充填高度试验等，这些试验方法虽然能对混凝土流动性、填充性等进行一定的测试评价，但由于测试仪器设备的局限性，试验评价指标较为单一，且试验环境与隧道二次衬砌特殊的施工条件相差较大，无法精准反映混凝土在衬砌模板中的施工性能和填充效果，现有技术无法解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中评价二次衬砌混凝土中存在的技术问题，提供了一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟系统及模拟方法.

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟系统，包括内层拱形模板，内层拱形模板上可拆卸装有与内层拱形模板相适配的外层拱形模板，外层拱形模板与内层拱形模板之间形成用于浇筑混凝土间隙，所述外层拱形模板上设有浇筑口及观察口；所述内层拱形模板上沿圆周方向及长度方向均布设有多个重力传感器，内层拱形模板底部还固定有微型振动器，所述重力传感器连接有数据采集器及变压器。

进一步地，重力传感器分为三组，一组设置在拱形模板拱顶处，另外两组设置在拱形模板的拱腰处，且每一组为沿拱形模板长度方向设置的三个。

进一步地，内层拱形模板及外层拱形模板的圆弧尺寸与隧道实际尺寸比例为1:25。

进一步地，观察口为长条形观察口。

一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、在内层拱形模板及外层拱形模板内刷一层油或脱模剂，然后通过螺栓及螺母将内外模板进行紧固安装；

步骤二、将混凝土等分为两部分，将一部分拌合完成后进行拱腰浇筑阶段，并进行计时，浇筑时从外层拱形模板的浇筑口进行浇筑；

步骤三、浇筑完成后，记录拱腰浇筑阶段浇筑时间，并开启附着型微型振动器进行混凝土振捣，并从观察口观察混凝土的流动情况，待混凝土液面达到水平时停止振捣并记录拱腰浇筑振捣时间；

步骤四、将步骤二中等分后的另一部分混凝土进行拌合完成后开始拱顶浇筑阶段并计时，待混凝土溢出浇筑口时开启附着型微型振动器进行振捣，通过观察口观察混凝土填充情况，待模型充满时停止浇筑和振捣，并记录拱顶浇筑阶段浇筑时间和拱顶浇筑振捣时间；

步骤五、混凝土浇筑完成后，导出数据采集器数据，关闭数据采集器，通过数据处理得到浇筑过程中各测试点模板所受压强变化；

步骤六、混凝土终凝后，拆除模型模板，观察混凝土衬砌表面的形貌并进行拍照，对图片进行直接观察或二值化处理分析；

步骤七、采用浇筑及振捣时间、衬砌模板压强变化及衬砌混凝土硬化后表面形貌三种指标对衬砌混凝土在内层拱形模板内的拱顶、拱腰不同位置处的流动情况和填充效果进行评价二次衬砌混凝土的性能。

进一步地，附着型微型振动器的振动频率为50 Hz。

进一步地，内层拱形模板的两侧底部均粘贴有厚度为1 cm的橡胶垫。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明根据隧道工程实际施工情况设计模板模型，可通过室内试验较为真实的还原隧道二次衬砌特殊的浇筑施工条件，准确模拟浇筑过程中衬砌混凝土在模板内拱顶、拱腰等不同位置的流动情况和填充效果。本方法通过浇筑及振捣时间、衬砌模板压强变化及衬砌混凝土硬化后表面形貌三种指标对衬砌混凝土在浇筑施工过程中的施工性能进行评价，评价指标综合全面、相互印证，评价结果精准可靠。通过本方法在隧道二次衬砌混凝土试配及浇筑前对混凝土施工性能进行评价，可有效控制混凝土填充效果，进而保证混凝土硬化后的强度及长期服役过程中的耐久性能，降低隧道衬砌开裂脱落风险，保证交通的正常运行和行人的生命财产安全。本发明对于隧道二次衬砌混凝土施工性能评价及浇筑施工质量控制具有重要的理论意义和实际价值。

附图说明

图1为本发明模板模型的主视图。

图2为本发明模板模型的侧视图。

图3为本发明模板模型的俯视图。

图4数据测试采集连线示意图。

图5为本发明衬砌混凝土浇筑时间图。

图6发明衬砌混凝土振捣时间图。

图7（a）为中流动性衬砌混凝土左侧拱腰浇筑过程中模板压强变化示意图。

图8（b）为传统衬砌混凝土左侧拱腰浇筑过程中模板压强变化示意图。

图9（c）为中流动性衬砌混凝土右侧拱腰浇筑过程中模板压强变化示意图。

图10（d）为传统衬砌混凝土右侧拱腰浇筑过程中模板压强变化示意图。

图11（e）为中流动性衬砌混凝土拱顶浇筑过程中模板压强变化示意图。

图12（f）为传统衬砌混凝土拱顶浇筑过程中模板压强变化示意图。

图13（a）为中流动性衬砌混凝土硬化后衬砌表面形貌。

图14（b）、图15（c）、图16（d）为传统衬砌混凝土硬化后衬砌表面形貌。

图17为局部中流动性衬砌混凝土表面形貌图。

图18为图17中流动性衬砌混凝土表面形貌二值化处理图。

图19为局部传统衬砌混凝土表面形貌。

图20为图19传统衬砌混凝土表面形貌二值化处理图。

附图标记含义如下：1. 外层拱形模板；2. 内层拱形模板；3.螺栓；4. 浇筑口；5.观察口；6. 重力传感器；7. 微型振动器；8. 橡胶垫。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟系统，包括内层拱形模板2，内层拱形模板2上通过螺栓3紧固装有与内层拱形模板2相适配的外层拱形模板1，外层拱形模板1与内层拱形模板2之间形成用于浇筑混凝土间隙，外层拱形模板1上设有浇筑口4及观察口5，观察口5为长条形观察口。内层拱形模板2上沿圆周方向及长度方向均布设有多个重力传感器6，内层拱形模板2底部还固定有微型振动器7，重力传感器6的一端连接有数据采集器，重力传感器6的另一端连接有变压器，重力传感器6分为三组，一组设置在拱形模板2拱顶处，另外两组设置在拱形模板2的拱腰处，且每一组为沿拱形模板2长度方向设置的三个。内层拱形模板2的两侧底部均粘贴有厚度为1cm的橡胶垫8。

内层拱形模板2及外层拱形模板1的圆弧尺寸与隧道实际尺寸比例为1:25。

实施例1：利用中流动性衬砌混凝土进行试验，混凝土坍落度为22.5cm。

一种隧道二次衬砌混凝土施工模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、在内层拱形模板2及外层拱形模板1内刷一层油或脱模剂，然后通过螺栓及螺母将内外模板进行紧固安装。

步骤二、将混凝土等分为两部分，将一部分拌合完成后进行拱腰浇筑阶段，并进行计时，浇筑时从外层拱形模板1的浇筑口4进行浇筑。

步骤三、浇筑完成后，记录拱腰浇筑阶段浇筑时间，（如图5）并开启附着型微型振动器7进行混凝土振捣，并从观察口5观察混凝土的流动情况，待混凝土液面达到水平时停止振捣并记录拱腰浇筑振捣时间（如图6）。

步骤四、将步骤二中等分后的另一部分混凝土进行拌合完成后开始拱顶浇筑阶段并计时，待混凝土溢出浇筑口4时开启附着型微型振动器7进行振捣，通过观察口5观察混凝土填充情况，待模型充满时停止浇筑和振捣，并记录拱顶浇筑阶段浇筑时间（如图5）和拱顶浇筑振捣时间（如图6）。

步骤五、混凝土浇筑完成后，导出数据采集器数据，关闭数据采集器，通过数据处理得到浇筑过程中各测试点模板所受压强变化。（图7、图9、图11）

步骤六、混凝土终凝后，拆除模型模板，观察混凝土衬砌表面的形貌并进行拍照（图13、图17），对图片（图17）进行二值化处理分析。（如图18）

实施例2：利用传统衬砌混凝土进行试验，混凝土坍落度为17cm。

步骤与上述步骤相同，混凝土浇筑完成后，导出数据采集器数据，关闭数据采集器，通过数据处理得到浇筑过程中各测试点模板所受压强变化。（图8、图10、图12）

传统衬砌混凝土表面的形貌拍照（如图14、图15、图16、图19），对图19进行二值化处理分析。（如图20）

采用浇筑及振捣时间、衬砌模板压强变化及衬砌混凝土硬化后表面形貌三种指标对衬砌混凝土在内层拱形模板2内的拱顶、拱腰不同位置处的流动情况和填充效果进行评价二次衬砌混凝土的性能。

由结果可知中流动性衬砌混凝土所需浇筑及振捣时间较短，浇筑完成后模板各位置压强大小较为接近，混凝土硬化后衬砌表面较平整光滑，气孔较少，说明实施例1中所用的中流动性衬砌混凝土在隧道二次衬砌模板中施工性能较好，而传统衬砌混凝土所需浇筑及振捣时间较长，浇筑完成后模板不同位置压强大小存在差异较大的现象，混凝土硬化后衬砌表面气孔较多，孔洞直径较大，且存在充填不密实的现象，说明实施例2所用传统衬砌混凝土在隧道二次衬砌模板中施工性能较差。