3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种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

技术介绍
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。本专利技术之前，中国专利技术专利“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；中国申请专利技术专利“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。中国专利技术专利“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；中国专利技术专利“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。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术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，本专利技术提供了一种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，本专利技术还提供了一种上述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，本专利技术中的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为本专利技术中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为本专利技术中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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（2）、模型隧道打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备（19）；所述模型槽（2）的上部开口、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；所述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，所述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。

【技术特征摘要】
1.一种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（2）、模型隧道打印设备、砂雨法砂土填筑设备和控制设备（19）；所述模型槽（2）的上部开口、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；所述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，所述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。2.根据权利要求1所述的3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置，其特征在于，所述空间位移控制组件包括：X1滑轨（20）、Y1滑轨（23）、Z11滑轨（21）和Z12滑轨（22）及移动部件（9）；所述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）固定在所述模型槽（2）的外侧；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；所述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）；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，下方设置有出料口（16），用于输出加热后的料浆；所述移动部件（9）、搅拌装置（8）、料浆泵（17）、加热装置与所述控制设备（19）电连接。3.根据权利要求2所述的3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置，其特征在于，所述料浆采用胶结材料。4.根据权利要求3所述的3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置，其特征在于，所述胶结材料为混凝土、水泥砂浆、石灰或石膏。5.根据权利要求1所述的3D打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置，其特征在于，所述砂雨法砂土填筑设备的撒砂操作组件包括：Y2滑轨（14）、Z21...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭怀风，孔纲强，李辉，郝耀虎，孟珍珠，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32