CN105973285A - 一种多功能智能锚杆及其安装布设方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能智能锚杆及其安装布设方法，包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、环氧树脂或植筋胶、铠装光缆和软塑料套管；所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅温度补偿辅助传感器安装在锚杆沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶封装；无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段。本发明既可用于土木、隧道、矿产等相关工程中的锚固加固，亦能对锚杆的承载能力、应力应变、以及损伤情况等的监测，更能用于围岩支护及围岩收敛变形和稳定性等的监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对隧道、岩土和边坡工程的多功能智能监测锚杆，主要用于土木、隧道、矿产等相关工程中的对锚杆的承载能力、应力应变、以及损伤情况等的监测，亦能用于围岩支护及围岩收敛变形和稳定性等的监测，同时，此锚杆本身的锚固加固作用没有改变，此多功能智能监测锚杆在监测的同时，也能起到其本来对围岩、边坡、挡土墙等的锚固加固作用。
背景技术
锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在开挖面周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护围岩或巷道等稳定的目的。它是一种积极防御的支护方法，是围岩、矿山等支护的重大变革。锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。因此锚杆已在很多土木、岩土、隧道、采矿等工程中被大量的使用，如基于新奥法的隧道开挖，锚杆使用量动辄几万根，另外如三峡水利工程，亦用了有十几万根各式锚杆。
随着锚杆支护的广泛使用，对于锚杆在围岩中的受力、承载能力、以及可能的损伤等情况进行实时或定期监测，从而对于围岩等的支护情况、变形收敛、以及稳定情况等作出判断显得尤为重要，且已经成为相关领域的重要课题。目前国内外对于锚杆在围岩等支护中的受力、承载、及损伤情况的测试方法基本可归纳为两大类，其中一类是使用测力锚杆、锚杆拉拔计、应变计及应变片通过锚杆“拉拔试验”来测试锚杆在拉拔作用下的受力情况和损伤情况；另一类则采用比较间接的方式，利用电磁波、声波等在不同介质层的反射差异来检测砂浆锚固体的饱和程度，间接评价锚固的受力及损伤情况。但这些方法从总体上看，存在着受环境影响大，耐久性差，长期稳定性差，测试误差大等缺点，对于像岩土、隧道、采矿等环境比较恶劣、施工方式粗放，但测试精度要求高的实际工程应用，其适用性尤显单薄。同时，在土木、岩土、隧道、采矿等工程中，在对于锚杆的受力测试同时，往往还需要测试土体及围岩的位移，甚至是岩层的脱离及其脱开间的程度，如在煤矿采矿中的巷道顶板发生的离层等情况。因此开发一种具有测试锚杆应力及围岩位移，且同时也能起到加固锚固作用的智能锚杆具有非常重要的工程实用意义。
近年来发展起来的光纤、光栅传感技术具有耐久性好，性能稳定、抗电磁干扰、便于分布式测量等优点，也对锚杆轴力检测、损伤识别等提出了新的思路。目前已有相关学者基于BOTDR、BOTDA等分布式光纤技术对锚杆支护进行了检测和监测，但是由于目前解调技术的瓶颈限制，其测试精度严重不足，且往往需要有闭合的光纤回路，考虑到如隧道的围岩变形等本身相对很小，且锚杆本身横截面不大，闭合的光纤回路往往由于较大的光纤曲率而带来的很大光损，因此其在实际工程中的实用性很小。而光栅由于精度高，应变测量能达到1με，而且封装后能防水，耐腐蚀，长期性能比较好，不仅能传感，而且也能用于传输数据，利于组网和实时监测，目前已经被广泛应用于桥梁等结构的应变监测中。但目前在锚杆上的应用，都是基于点式应变测试，只能得到非常局部的应变情况，无法准确地描述尺度比较大的锚杆全长的受力和变形状况，且不能对锚杆的损伤给出有效的判断。总的来说，目前的测试方法存在以下几个问题，首先单纯而简单地应用光纤和光栅技术，往往由于不仅其传感部分，而且其引线都容易损坏，不能适应这些实际工程粗放式的施工环境；其次锚杆结构尺度大，损伤分布范围广，传统的点式传感很难准确得捕捉到损伤；再者，传统的监测往往都忽视锚杆不同深度的应力应变变化，而实际围岩由于机械开挖和爆破的原因，往往在靠近开挖面的岩层会出现一些破碎，在围岩受力作用下，其内部将出现内力重分布，因此在锚杆不同深度的位置上，其应力应变很可能是不同的；更为重要的是，目前所已开发出来的智能锚杆都只停留在锚杆轴力及应变本身，而无法获取锚杆变形分布情况，也无法判断围岩等的位移；最后，传统的光栅测试，都是基于光栅与光栅间引线的熔接串联来实现的，但是光纤的熔接更易造成损坏断裂，且大大地增加其光损，从而影响其测试性能。
为了提高结构应变测试的真实性、可靠性以及噪声鲁棒性，东南大学推出了长标距应变测试理念，以获取传感器标距内的平均应变，并成功运用于桥梁结构的健康监测中。但目前对于利用长标距光纤光栅进行锚杆承载情况、应力应变情况、损伤探测、以及围岩收敛变形和稳定性的测试和监测等研究在国内外检索尚无相关专利及相关文献。且至今开发的长标距应变传感器都是基于单个光栅独立封装而成，在需要多个传感器时，必须要通过光纤熔接机将传感器的引出光纤熔接起来，才能实现其串联目的。本发明将基于一体化集成多个传感单元的无熔接长标距多光栅传感器，提出一种新型的多功能智能锚杆。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有高精确度、高耐久性、结构简单、造价低廉的基于无熔接长标距多光栅传感器的多功能智能锚杆及其安装布设方法。
本发明采用的技术方案为：一种多功能智能锚杆，包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、环氧树脂或植筋胶、铠装光缆和软塑料套管；
所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器安装在锚杆沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶封装；
所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；
所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；
所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆连接，从锚杆内引出，所述铠装光缆穿于软塑料套管之中。
本发明的长标距光纤光栅多功能智能锚杆的安装布设方法，包括以下几个步骤：
(1)针对实际工程的具体情况，选定监测的具体位置；一般来说，可选择比较关键和危险的断面进行监测，在每个断面，选取有代表性的位置进行布设监测，如对于隧道断面，可选择顶部(约90度方向)、两腰(约45度和135度方向)及两底(约0度和180度方向)这5个部位进行布设监测；
(2)在所需布置锚杆的岩体或其他介质上沿深度方向钻孔，孔径比锚杆略大；同时，在距离监测断面不远的地方，安装并固定好光缆接线盒；
(3)将封装成一体的智能锚杆的无引出光缆的一端插入钻好的锚孔内并至一定的深度，将引出光缆圆润自然得顺着围岩或钢筋网或钢骨架等引出至预先固定好的线盒之中，途中作必要的固定和保护，完成智能锚杆的就位；
(4)向装入锚杆的孔道内注入速凝水泥砂浆，其中注浆质量控制和盖板等的设置可参考普通锚杆的安装手册；待水泥砂浆凝固即完成智能锚杆的布设安装；
(5)两根连接无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器并从智能锚杆内引出的引出光缆在穿入接线盒后，用光纤耦合器将两者耦合，耦合连接部位置于接线盒内，耦合后的输出光缆则从接线盒中引出，顺着隧道结构内壁，一直引至安置好的光纤光栅解调仪，并在途中作必要的固定和保护；
作为优选，所述基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆也可在岩体或其他介质上沿深度方向钻孔后，向孔道内装入速凝锚固药卷，然后插入锚杆，捅破速凝锚固药卷而实现固结安装。
作为优选，对于像泥层的较软粘性介质体，可以钻一个直径比锚杆略小的孔道，将锚杆直接插入，并在端部用锤击等方法顶入。
本发明的有益效果：
(1)本发明的智能锚杆原理简单可靠，测试方法新颖巧妙。本发明主要是利用安装在智能锚杆上的光纤光栅传感器测量智能锚杆在不同深度的应变值，从而推算锚杆在不同深度的轴力，从而对锚杆的承载能力以及其锚固力作出判断和评价，同时也能对围岩在荷载等的作用下内部产生变形和位移变化作出一定的判断；
(2)本发明的无熔接长标距多光栅传感器由多个串联的长标距光纤光栅传感单元组成，因此不仅测量不同深度的锚杆的应变和轴力情况，还能测量锚杆轴向的变形量，获取围岩等的沉降或滑移的位移；
(3)本发明的测试精度高，多点温度补偿的设置可以实现精确的温度补偿，其测试精度可达1με；
(4)本发明可对围岩多个位置的锚杆同时进行监测，可按照监测需求，在多个位置植入智能锚杆，实现一个区域的整体监测。
附图说明
图1为本发明的多功能智能锚杆构造示意图；
图2为图1的纵向剖视图；
图3为图1的横向剖视图；
图4为本发明无熔接长标距多光栅传感器构造示意图；
图5为本发明光纤光栅多点温度补偿辅助传感器构造示意图；
图6和7为本发明的多功能智能锚杆安装布设示意图；
图8为本发明的多功能智能锚杆变形量计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1-5所示，一种多功能智能锚杆，包括无熔接长标距多光栅传感器1、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2、环氧树脂或植筋胶3、铠装光缆4和软塑料套管5；
所述无熔接长标距多光栅传感器1和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2安装在锚杆6沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶3封装；
所述无熔接长标距多光栅传感器1包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；
所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；
所述无熔接长标距多光栅传感器1和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2分别与铠装光缆4连接，从锚杆6内引出，所述铠装光缆4穿于软塑料套管5之中。
上述一种多功能智能锚杆的制作方法，包括以下几个步骤：
(1)制作无熔接长标距多光栅传感器
(a1)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅；
(a2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，根据工程测试要求设计出每个光栅的锚固点位置，并在套管上根据锚固位置切出多个缺口，穿入带有多个光栅的单模光纤，调整光栅与套管缺口的位置；
(a3)将光纤两端通过牵引装置施加一定的预应力，同时在套管缺口处注入固结胶水形成锚固，固结后将牵引装置放开，从而封装出含多个连续的长标距光纤光栅传感单元且没有熔接点的长标距多光栅传感器；
(a4)对于每个长标距光纤光栅传感单元来说，套管内的光纤的两端分别通过固结胶与套管相固定，其余部分的光纤与套管内壁无接触或虽有轻微接触，但摩擦力极小可忽略；
(a5)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行无熔接长标距多光栅传感器本身的一体化封装加固；
(2)制作多点温度补偿辅助传感器
(b1)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅；这些光栅的位置设计可以与无熔接长标距多光栅传感器中的多个光栅一一对应，或者按照沿锚杆长度进行温度插值的思想进行温补光栅位置设计；这些光栅的波长不仅在温度补偿传感器内不能有相同，且与无熔接长标距多光栅传感器之中的光栅波长亦不能有相同的波长；
(b2)选用一个细的光滑套管，内口径比光纤略粗，在套管的一层用胶封闭，将刻好的多光栅两端尾纤的某一端剪短，然后插入套管内，使其中的光栅的位置处于设计好的某个位置附近，且剪短尾纤侧的尾纤缩在套管内部且距离套管尾部有一定距离，此距离以此尾纤不会碰到套管尾部封装的胶水为原则，然后在套管两端处注入少许固结胶水，使之封闭形成一个含多个光栅的温补传感器。
(b3)对于封装于套管内的带多个光栅的光纤尾纤，其一端缩在套管内完全自由，另一端与套管固结并作为引出线引出，光纤在套管内能完全自由滑动；
(b4)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂，进行温度补偿辅助传感器本身的一体化封装加固；
(3)制作多功能智能锚杆
(c1)选用实体锚杆，并沿纵向开一个小槽；准备两根长度适中的铠装光缆，并穿于一根直径与硬度适中的软塑料套管之中，铠装光缆比软塑料套管略长，两头露出；
(c2)将制作好的无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器固定于锚杆所开的小槽内，并分别用铠装光缆连接，从锚杆内引出；无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆进行熔焊的熔焊接头位于锚杆小槽内，且铠装光缆在小槽内保留具有能起到锚固作用的长度，这样封装后外部光缆的受力不会导致内部传感器受力；
(c3)在锚杆小槽内注入环氧树脂或植筋胶至填平，将无熔接长标距多光栅传感器和多点温度补偿辅助传感器与锚杆封装为一体，形成最终的多功能智能锚杆。
如图6和7所示，本发明的多功能智能锚杆的安装布设方法，包括以下几个步骤：
(1)针对实际工程的具体情况，选定监测的具体位置；一般来说，可选择比较关键和危险的断面进行监测，在每个断面，选取有代表性的位置进行布设监测，如对于隧道断面，可选择顶部(约90度方向)、两腰(约45度和135度方向)及两底(约0度和180度方向)这5个部位进行布设监测；
(2)在所需布置锚杆的岩体或其他介质上沿深度方向钻孔，孔径比锚杆略大；同时，在距离监测断面不远的地方，安装并固定好光缆接线盒；
(3)将封装成一体的智能锚杆的无引出光缆的一端插入钻好的锚孔内并至一定的深度，将引出光缆圆润自然得顺着围岩或钢筋网或钢骨架等引出至预先固定好的线盒之中，途中作必要的固定和保护，完成智能锚杆的就位；
(4)向装入锚杆的孔道内注入速凝水泥砂浆，其中注浆质量控制和盖板等的设置可参考普通锚杆的安装手册；待水泥砂浆凝固即完成智能锚杆的布设安装；
(5)两根连接无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器并从智能锚杆内引出的引出光缆在穿入接线盒后，用光纤耦合器将两者耦合，耦合连接部位置于接线盒内，耦合后的输出光缆则从接线盒中引出，顺着隧道结构内壁，一直引至安置好的光纤光栅解调仪，并在途中作必要的固定和保护；
(6)智能锚杆与其他锚杆和刚骨架等都安装就位之后，随即喷射混凝土进行喷锚，完成该断面位置的衬砌施工。
所述基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆也可在岩体或其他介质上沿深度方向钻孔后，向孔道内装入速凝锚固药卷，然后插入锚杆，捅破速凝锚固药卷而实现固结安装。对于像泥层的较软粘性介质体，可以钻一个直径比锚杆略小的孔道，将锚杆直接插入，并在端部用锤击等方法顶入。
本发明的基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆的工作原理如下：
本发明的基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆，是将含有多个传感单元的长标距光纤光栅传感器安装并封装于锚杆之内，因此锚杆因受力而引起的应变将被长标距光纤光栅传感器的所有传感单元捕捉，由于有多个传感单元，因此能捕捉到锚杆不同位置的应变，继而推算出锚杆在不同位置的应力以及承载情况。同时，可根据锚杆长度方向的长标距应变分布，在可不计其弯曲影响时，可以获得其沿轴向方向的位移。变形量的计算可如下进行：先求出经过温度补偿后的每个长标距传感单元标距内的应变值，然后乘以其标距长度得到该长标距传感单元的变形量，然后累计整个锚杆上的变形量。如图8所示，通过测出标距L1、L2和L3之间的平均应变ε1、ε2和ε3，则可根据公式Δ＝ε1·L1+ε2·L2+ε3·L3求出锚杆两端的总位移量Δ。对于围岩来讲，特别是对于新奥法隧道开挖等用爆破等手段开挖的时候，会使得岩层出现一定程度的破碎，因此加入锚杆进行支护后，在不同深度的应力应变也将不同，因此本发明的智能锚杆能比较准确得反映出由于岩层内部内力重分布而引起的应力不均情况，从而能准确得反映锚杆真实的受力及承载支护情况。多个智能锚杆布置在围岩的不同位置，可以用来监测该区域的锚杆承载情况，以及围岩支护和稳定情况，这对围岩监测非常重要。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种多功能智能锚杆，其特征在于：包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、环氧树脂或植筋胶、铠装光缆和软塑料套管；
所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器安装在锚杆沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶封装；
所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；
所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；
所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆连接，从锚杆内引出，所述铠装光缆穿于软塑料套管之中。
2.根据权利要求1所述一种多功能智能锚杆的安装布设方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
(1)针对实际工程的具体情况，选定监测的具体位置；选择比较关键和危险的断面进行监测，在每个断面，选取有代表性的位置进行布设监测；
(2)在所需布置锚杆的岩体或其他介质上沿深度方向钻孔，孔径比锚杆大；同时，在距离监测断面不远的地方，安装并固定好光缆接线盒；
(3)将封装成一体的智能锚杆的无引出光缆的一端插入钻好的锚孔内，将引出光缆圆润自然得顺着围岩或钢筋网或钢骨架引出至预先固定好的线盒之中，途中作固定和保护，完成智能锚杆的就位；
(4)向装入锚杆的孔道内注入速凝水泥砂浆，待水泥砂浆凝固即完成智能锚杆的布设安装；
(5)两根连接无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器并从智能锚杆内引出的引出光缆在穿入接线盒后，用光纤耦合器将两者耦合，耦合连接部位置于接线盒内，耦合后的输出光缆则从接线盒中引出，顺着隧道结构内壁，一直引至安置好的光纤光栅解调仪，并在途中作固定和保护。
3.根据权利要求2所述的一种多功能智能锚杆的安装布设方法，其特征在于：所述多功能智能锚杆在岩体或其他介质上沿深度方向钻孔后，将智能锚杆插入并在孔道内 注入速凝水泥砂浆，或先在孔道内装入速凝锚固药卷，然后插入锚杆，捅破速凝锚固药卷而实现固结安装。
4.根据权利要求2所述的多功能智能锚杆的安装布设方法，其特征在于：对于像泥层的较软粘性介质体，钻一个直径比锚杆略小的孔道，将锚杆直接插入，并在端部用锤击方法顶入。
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