CN109869167A - 一种隧道钢拱架防屈服伺服系统及变形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于隧道施工技术领域，涉及一种隧道钢拱架防屈服伺服系统及变形控制方法，该伺服系统包括用于向隧道钢拱架提供竖向支撑工作压力的支撑头、用于实时监测隧道钢拱架的竖向支撑压力和拱脚位移及应变的监测传感器、数控泵站以及总控设备；数控泵站分别与监测传感器以及支撑头相连；总控设备与数控泵站无线连接；监测传感器置于支撑头上；支撑头通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上。本发明可通过伺服装置和隧道钢拱架的配合，释放围岩形变压力，控制钢拱架的内力值，防止钢拱架内力过大产生屈服失稳，同时基于伺服系统实时控制系统的变形值和变形速率，实现围岩形变量的完全控制。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，尤其是涉及一种隧道钢拱架防屈服伺服系统及变形控制方法。
背景技术
隧道修建过程中，围岩变形造成的隧道支护结构失效问题是隧道施工安全隐患之一。采用新奥法施工时，由于围岩变形趋势的不确定性，难免会存在支护结构施作过早的情况，此时围岩应力尚未完全释放、围岩收敛变形仍会出现较大增长。为抵抗隧道变形，岩面初喷后，需架立钢拱架抵抗围岩的变形挤压荷载。当围岩变形过大时，围岩挤压力极大增加，钢拱架在形变挤压力下的内力急剧增长，拱脚处因内力过大易产生屈服，当钢拱架出现屈服时，围岩变形趋势难以得到抑制，易出现隧道塌方事故。故大变形隧道施工中，因地应力难以控制情况难以保证，需提升钢拱架支护的可靠性，在变形控制过程中需防止支撑结构内力过大出现的屈服，进一步引发工程事故。
为避免钢拱架的拱脚出现屈服而引发支护失效，现阶段相关的技术人员提出了两种解决思路：其一是采用增强支护刚度的方式抑制围岩的进一步变形，如增加锚杆和锁脚钢管、加密钢拱架等辅助施工方式，或是建立临时支撑体系，以分担钢拱架原有的围岩变形荷载，如符志华等发明了一种浅埋隧道应急液压应力补偿支撑装置，可在围岩变形较大处做临时支撑以补偿需求抗力，以减小围岩变形量，并可用于支撑处的位移监测。采用此手段，可分担原有钢拱架所受挤压力，防止钢拱架受力屈服，有效抑制围岩变形，但此方式将围岩的变形荷载分摊到新的支护结构体系上，施工成本急剧增加。其二是采用增加支护柔度的方式，使钢拱架在变形下仍留有足够的抗力而不出现屈服，从而让围岩内部应力得以缓慢释放，发挥围岩的自承载能力，直至挤压力小于钢拱架抗力，围岩变形趋于收敛。增加支护柔度一般从钢拱架结构入手，如田晔玮提出了一种隧道可缩式钢支撑支护结构，在拱架节点建立油缸缓冲机构连接，增加了隧道变形预留量，保护了隧道应力轮廓线。采用柔性支撑的方式，虽然可通过变形释放围岩应力，但钢拱架的刚度过无法合理调整，围岩变形的趋势可能无法得到抑制，易出现隧道坍塌，故采用此方式控制难度大大增加。因新奥法采用柔性支护的理念，将围岩应力释放后再进行支撑在受力上更具合理性，可减少施工成本，降低结构负担，但是在大变形隧道中柔性支护的可控性却未能得到合理解决。
因此，针对大变形隧道下的钢拱架，研制一种变形、应力可控的围岩变形控制装置，已成为隧道施工所急需。
发明内容
针对背景技术中存在的上述不足，本发明提供了一种隧道钢拱架防屈服伺服系统及变形控制方法，可通过伺服装置和隧道钢拱架的配合，释放围岩形变压力，控制钢拱架的内力值，防止钢拱架内力过大产生屈服失稳，同时基于伺服系统实时控制系统的变形值和变形速率，实现围岩形变量的完全控制。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种隧道钢拱架防屈服伺服系统，所述隧道钢拱架防屈服伺服系统包括用于向隧道钢拱架提供竖向支撑工作压力并控制隧道钢拱架工作状态的支撑头、用于实时监测隧道钢拱架的竖向支撑压力和拱脚位移及应变的监测传感器、用于接收、传递监测数据并依据监测数据反馈为千斤顶提供对应油压的数控泵站以及用于设置相应的参数指令并监测数控泵站正常运行的总控设备；所述数控泵站分别与监测传感器以及支撑头相连；所述总控设备与数控泵站无线连接；所述监测传感器置于支撑头上；所述支撑头通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上。
作为优选，本发明所采用的支撑头包括液压千斤顶、支承底座、机械锁、下部辅助构件以及上部辅助构件；所述支承底座整体呈凸字状；所述下部辅助构件套装在支承底座外部；所述上部辅助构件和支承底座自上而下依次设置且上部辅助构件和支承底座之间是非接触的；所述机械锁置于上部辅助构件以及下部辅助构件之间并分别与上部辅助构件以及下部辅助构件相连；所述液压千斤顶置于上部辅助构件内部并从上部辅助构件底部伸出后止靠在支承底座上表面；所述上部辅助构件通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上；所述数控泵站与液压千斤顶相连并驱动液压千斤顶从上部辅助构件底部伸出或缩回；所述监测传感器包括分别与数控泵站相连的轴力计、激光位移计以及应变计；所述轴力计置于液压千斤顶和支承底座之间；所述激光位移计置于上部辅助构件和下部辅助构件之间；所述应变计置于隧道钢拱架上。
作为优选，本发明所采用的液压千斤顶包括千斤顶底座以及千斤顶顶头；所述千斤顶底座上设置有进油管以及出油管；所述千斤顶底座设置在上部辅助构件内部；所述数控泵站分别与进油管以及出油管相连通并通过进油管以及出油管向千斤顶底座中输入或输出液压油；液压油驱动千斤顶顶头沿千斤顶底座的轴向从上部辅助构件底部伸出或缩回；所述轴力计置于千斤顶顶头和支承底座之间并与数控泵站相连。
作为优选，本发明所采用的支承底座包括底座支撑顶头以及底座盘；所述底座支撑顶头以及底座盘的结构均呈圆筒形；所述底座支撑顶头的外径小于底座盘的内径；所述底座支撑顶头以及底座盘整体呈凸字状；所述下部辅助构件套装在底座支撑顶头外部并止靠在底座盘的上表面上；所述轴力计置于千斤顶顶头和底座支撑顶头之间。
作为优选，本发明所采用的下部辅助构件包括自上而下依次设置的螺杆垫板和下支撑板；所述螺杆垫板以及下支撑板上均开设有圆形通孔；所述底座支撑顶头穿过螺杆垫板以及下支撑板的圆形通孔；所述机械锁置于上部辅助构件以及螺杆垫板之间并分别与上部辅助构件以及螺杆垫板相连；所述激光位移计包括激光发射头以及与激光发射头位置相对的反射棱镜；所述激光发射头设置在螺杆垫板上表面；所述反射棱镜设置在上部辅助构件下表面；所述激光发射头与数控泵站相连。
作为优选，本发明所采用的上部辅助构件包括自上而下依次连接的中支撑板、定位承压钢筒以及上支撑板；所述液压千斤顶固定在上支撑板上并从中支撑板底部伸出后止靠在支承底座上表面；所述定位承压钢筒至少是两个，所述定位承压钢筒均布在液压千斤顶圆周方向；所述机械锁置于中支撑板以及螺杆垫板之间并分别与中支撑板以及螺杆垫板相连；所述激光发射头设置在螺杆垫板上表面；所述反射棱镜设置在中支撑板的下表面；所述上支撑板通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上。
作为优选，本发明所采用的机械锁的数量与定位承压钢筒的数量相同；所述机械锁包括高强螺杆以及设置在高强螺杆上的高强螺母；所述高强螺杆的底部以及顶部分别伸入螺杆垫板以及整体结构呈n型的定位承压钢筒中；所述高强螺母是两个，两个高强螺母分列在高强螺杆的两端部并置于螺杆垫板的上表面以及定位承压钢筒的下表面。
作为优选，本发明所采用的支撑头还包括支撑头挡板；所述上部辅助构件以及支承底座自上而下整体置于支撑头挡板中；所述支撑头挡板包括支撑头侧挡板、支撑头底板以及支撑头前后插入式挡板；所述支撑头侧挡板上设置有挡板插槽；所述支撑头前后插入式挡板插入支撑头侧挡板上的挡板插槽中；所述支撑头侧挡板以及支撑头底板由同一幅钢板弯折而成；所述支撑头侧挡板、支撑头底板以及支撑头前后插入式挡板共同形成框状结构；所述支承底座固定在支撑头底板上表面。
作为优选，本发明所采用的数控泵站包括液压油泵、变频控制器、PLC控制器以及数据传送器；所述液压油泵与液压千斤顶相连并驱动液压千斤顶从上部辅助构件底部伸出或缩回；所述PLC控制器分别与轴力计、激光位移计以及应变计相连；所述数据传送控制器与总控设备无线连接；所述数据传送控制器依次通过PLC控制器以及变频控制器与液压油泵相连；所述应变计粘贴于钢拱架拱脚的腹板及翼缘处。
一种基于如前所记载的隧道钢拱架防屈服伺服系统的隧道钢拱架防屈服变形控制方法，所述方法包括以下步骤：
1)组装支撑头：隧道开挖前，将支承底座置于支撑头底板上，并将下部辅助构件安装于支承底座上，使螺杆垫板和下支撑板嵌套于底座支承头并平铺于底座盘上；随后在螺杆垫板上插入高强螺杆，并在螺杆垫板的上表面旋入高强螺母，使高强螺杆紧固于螺杆垫板上；旋拧高强螺杆使高强螺杆穿透螺杆垫板并与下支撑板形成挤压；在高强螺杆上拧入第二颗高强螺母至保证隧道限界的设计位移控制点，再将上部辅助构件安装于高强螺杆之上，使得高强螺杆顶部穿透中支撑板并插入定位承压钢筒的中空预留槽中，并调整各高强螺母的位置使中支撑板保持水平，完成支撑头的初始组装；
2)机械锁初始支撑：隧道开挖后，将步骤组装成型的支撑头放置于需提供竖向支撑的指定位置；将轴力计安装至底座支承顶头上端、将激光位移计通过磁力紧贴于中支撑板下表面和螺杆垫板上表面，随后将收缩的液压千斤顶呈倒立状态推送至上部辅助构件中部，并使突出的千斤顶顶头从中支撑板中伸出，将液压千斤顶定位；在监测传感器、数控泵站、总控设备数据传输检查无误后，将钢拱架拼接安装至支撑头上，并采用螺栓将钢拱架拱脚的连接垫板与上支撑板紧固锁定，使钢拱架的竖向荷载依次从上到下依次传递至上支撑板、定位承压钢筒、中支撑板、高强螺母、高强螺杆、螺杆垫板、下支撑板、底座盘以及支撑头底板，再传导值基底，即通过机械锁抵抗钢拱架的竖向荷载；将应变计粘贴于钢拱架拱架工字钢的翼缘和腹板处，再检查应变信号的数据传输效果；整个系统数据传输检查无误后，完成钢拱架的机械锁初始支撑；
3)千斤顶支撑：在总控设备上输入略小于钢支撑自重的设计初始工作压力，并通过无线传输方式传送控制信号至数控泵站，控制信号经数据传送器接收后，传递至PLC控制器，再进一步调整变频控制器以改变液压油泵内的油量，最后通过进油管及出油管的油压传递，给液压千斤顶输入初始工作压力，此时液压千斤顶的顶头开始伸张，千斤顶顶头与轴力计紧贴，并推动千斤顶底座与上支撑板接触；随着液压千斤顶伸开，液压千斤顶开始产生工作压力，分担机械锁承受的荷载，直至到达初始工作压力；初始工作压力稳定后，在总控设备处调节油压参数，使液压千斤顶的工作压力不断增加，液压千斤顶开始成为主要的承压设备，直至激光位移计监测的距离增加，且机械锁上部的高强螺母与中支撑板出现一定的孔隙，失去了对钢拱架的竖向支撑，工作压力全部转移至液压千斤顶上；维持液压千斤顶的工作压力，使钢拱架与岩面初喷紧贴，对围岩的变形产生支护作用力；
4)工作压力调控：在总控设备中输入设计的工作压力控制值、竖向位移控制值、竖向位移速率控制值、钢拱架拱脚各点的应变控制值，并传送值数控泵站，数据经数据传送器接收后进一步传输给PLC控制器；在围岩变形过程中，改变PLC控制器内部的控制目标，以钢拱架的竖向位移值和位移速度尽量小为控制目的，使得液压千斤顶随着竖向位移的增加工作压力不断增大，以实现围岩变形控制；
5)工作压力锁定：在围岩压力充分释放后，围岩变形趋于稳定时，将机械锁的上部高强螺母拧紧并紧贴于中支撑板，随后逐步释放液压油泵的油量，将工作压力再逐渐转移至机械锁，将支撑头的工作压力锁定；工作压力锁定后，将液压千斤顶收缩并取出，并收回监测传感器；在支撑头侧挡板的挡板插槽中插入支撑头前后挡板，使挡板四周封闭，随之通过支撑头挡板和上支撑板之间的缝隙中向封闭的支撑头内灌注混凝土，使支撑头内部形成一个整体的承载结构，进一步对整个岩面进行复喷混凝土以及进行下一阶段的施工，完成围岩变形的控制。
本发明的的优点是：
本发明提供了一种隧道钢拱架防屈服伺服系统及变形控制方法，包括用于向隧道钢拱架提供竖向支撑工作压力并控制隧道钢拱架工作状态的支撑头、用于实时监测隧道钢拱架的竖向支撑压力和拱脚位移及应变的监测传感器、用于接收、传递监测数据并依据监测数据反馈为千斤顶提供对应油压的数控泵站以及用于设置相应的参数指令并监测数控泵站正常运行的总控设备；数控泵站分别与监测传感器以及支撑头相连；总控设备与数控泵站无线连接；监测传感器置于支撑头上；支撑头通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上。本发明在总控设备上输入略小于钢支撑自重的设计初始工作压力，并通过无线传输方式传送控制信号至数控泵站，控制信号经数据传送器接收后，传递至PLC控制器，再进一步调整变频控制器以改变液压油泵内的油量，最后通过进油管及出油管的油压传递，给液压千斤顶输入初始工作压力，此时液压千斤顶的顶头开始伸张，千斤顶顶头与轴力计紧贴，并推动千斤顶底座与上支撑板接触；随着液压千斤顶伸开，液压千斤顶开始产生工作压力，分担机械锁承受的荷载，直至到达初始工作压力；初始工作压力稳定后，在总控设备处调节油压参数，使液压千斤顶的工作压力不断增加，液压千斤顶开始成为主要的承压设备，直至激光位移计监测的距离增加，且机械锁上部的高强螺母与中支撑板出现一定的孔隙，失去了对钢拱架的竖向支撑，工作压力全部转移至液压千斤顶上；维持液压千斤顶的工作压力，使钢拱架与岩面初喷紧贴，对围岩的变形产生支护作用力；在总控设备中输入设计的工作压力控制值、竖向位移控制值、竖向位移速率控制值、钢拱架拱脚各点的应变控制值，并传送值数控泵站，数据经数据传送器接收后进一步传输给PLC控制器；在围岩变形过程中，改变PLC控制器内部的控制目标，以钢拱架的竖向位移值和位移速度尽量小为控制目的，使得液压千斤顶随着竖向位移的增加工作压力不断增大，以实现围岩变形控制。与现有技术相比，具有以下优势：(1)在围岩变形控制过程中，可实时监测钢拱架的内力状态，并在工作压力、应变达到警戒值时释放位移，避免钢拱架出现屈服。(2)采用柔性支护的原理，充分发挥围岩的自承载能力，在大变形隧道中的支护中，相对于刚性强支护，施工成本更低，经济效益更好。本发明解决了大变形隧道中采用钢拱架抵抗围岩变形时易产生拱脚屈服现象，从而导致支护失效，本装置可实时监测拱架内力、释放围岩形变，相比于刚性支护有着更好的经济效益。
附图说明
下面将结合本发明实施例中的例图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明隧道钢拱架防屈服伺服系统整体侧视示意图；
图2为支撑头结构侧视示意图；
图3为支撑头结构俯视剖面示意图；
图4为数控泵站示意图；
图5为支撑头与钢拱架的连接示意图。
图中：
1-支撑头、11-液压千斤顶、111-进油管、112-出油管、113-千斤顶顶头、114-千斤顶底座；12-支承底座、121-底座支承顶头、122-底座盘、13-机械锁、131-高强螺杆、132-高强螺母、14-下部辅助构件、141-下支撑板、142-螺杆垫板；15-上部辅助构件、151-中支撑板、152-定位承压钢筒、153-上支撑板、16-支撑头挡板、161-支撑头侧挡板、162-支撑头底板、163-支撑头前后插入式挡板、164-挡板插槽；2-监测传感器、21-轴力计、211-轴力计信号电缆、22-激光位移计、221-激光发射头、222-反射棱镜、223-位移信号电缆、23-应变计、231-应变信号电缆；3-数控泵站、31-液压油泵、32-变频控制器、33-PLC控制器、34-数据传送器；4-总控设备；5-钢拱架、51-工字钢、52-连接垫板；6-隧道衬砌、61-岩面初喷、62-初支及二衬。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作进一步详细叙述但不作为本发明的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“底”“前”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，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是特指或暗示所指的元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1，一种隧道钢拱架防屈服伺服系统，包括：支撑头1，用于提供竖向支撑工作压力并控制钢拱架工作状态；监测传感器2，用于实时监测钢拱架的竖向支撑压力、拱脚位移及应变；数控泵站3，用于接收、传递监测数据，并依据数据反馈为千斤顶提供对应油压；总控设备4，用于设置相应的参数指令并监测系统运行状态。
如图1、2、3，支撑头1是由液压千斤顶11、支承底座12、机械锁13、下部辅助构件14、上部辅助构件15、支撑头挡板16组成的组合式支撑结构，可为钢拱架提供所需的支撑力并控制钢拱架工作状态。
如图2，液压千斤顶11是由进油管111、出油管112、千斤顶顶头113、千斤顶底座114组成，倒放于支撑头1的上部辅助构件15的内部，千斤顶底座114与上支撑板153挤压，千斤顶顶头113经轴力计21与支承底座12间接挤压；由数控泵站3控制油压，并通过进油管111和出油管112传递油压以控制工作压力，从而满足围岩变形过程中所需的支撑工作压力和位移释放量。
如图2、3，支承底座12为分段式钢圆筒，由圆筒形的底座支撑顶头121和直径更大的圆筒形底座盘122组成，用于承接上部结构传递下来的荷载，并提供所需的竖向支撑力；在围岩变形阶段，底座支承顶头121通过轴力计21与千斤顶顶头113间接挤压，承接液压千斤顶11传递的竖向荷载，支承顶头121两侧的底座盘122与下支撑板141直接挤压，承接机械锁13传递的竖向荷载。
如图2、3，机械锁13是由高强螺杆131、高强螺母132组成，用于在围岩变形稳定后锁定拱底的竖向支撑；高强螺杆131为高强度大直径的钢制圆筒，外侧设置有螺纹，分别布置于千斤顶顶头133的四周，为围岩变形稳定后的传力构件；高强螺母132为钢制的八角螺母，于每根高强螺杆131上分别旋入2颗，在围岩变形稳定后，两颗高强螺母132分别与下部的螺杆垫板142和上部的中支撑板151直接挤压，锁定支撑压力。
如图2、3，下部辅助构件14由下支撑板141和螺杆垫板142组成，用于传递高强螺杆131竖向荷载；其中下支撑板141为中部凿有圆形通孔的方形钢板，圆形通孔和底座支承顶头121的半径相同，下支撑板141可套在支承底座上12，底面与底座盘122直接接触，传递荷载；螺杆垫板142为尺寸与下支撑板141相同的方形钢板，中部同样凿有与底座支承顶头121相同半径的圆形通孔，且在高强螺杆131所处的位置凿有与螺杆外径相同的圆形通孔，其可配合高强螺母132将螺杆131下端固定。
如图2所示，上部辅助构件15是由中支撑板151、定位承压钢筒152、上支撑板153连接而成的组合式承载结构，各构件之间紧密焊接相连，用于传递围岩变形稳定后的竖向荷载。其中中支撑板151为方形的钢板，中部开凿有与千斤顶顶头113半径相同的中部通孔，在高强螺杆131贯穿处设置有于螺杆外径相同的圆形通孔；定位承压钢筒152为中空的厚壁圆钢筒，中孔内径和螺杆131外径一致，布置于中支撑板151的螺杆圆形通孔处，在围岩变形过程中，为高强螺杆131提供竖向位移通道，并可控制高强螺杆131的安装垂直度，同时其与上支撑板153和下支撑板151连接，将上支撑板153上承接的荷载传递给下支撑板151；上支撑板153为方形的钢板，开凿有一环螺孔，可通过螺栓与钢拱架5的连接垫板52紧密连接，以直接承受钢拱架5的竖向荷载，上支撑板153底面与定位承压钢筒152直接连接，将上部的荷载传递给中支撑板151。
如图2、3，支撑头挡板16为包裹支撑头1内部承载构件的钢板，由支撑头侧挡板161、支撑头底板162、支撑头前后插入式挡板163以及侧挡板上的挡板插槽164组成；支撑头侧挡板161、支撑头底板162、支撑头前后插入式挡板163均为一定厚度的钢板；其中支撑头侧挡板161与钢拱架工字钢51的翼缘平面平行，与其腹板平面垂直；支撑头底板162和支撑头侧挡板161由同一幅钢板弯折而成，并与支撑底座12直接接触，为支承底座12提供平整的受力面；支撑头侧挡板161上开凿有支撑头挡板插槽164，后期可插入支撑头前后插入式挡板163，将整个支撑头1包裹，用于后期的浇筑成型。
如图1、2、3，监测传感器2包括轴力计21、激光位移计22、应变计23，用于监测支撑过程中钢拱架5的拱脚沉降、位移及应变状态；其中轴力计21放置于千斤顶顶头113和底座支承顶头121之间，用于在加压过程中实时监测支承底座12与千斤顶顶头113之间的工作压力，并可通过轴力信号电缆211传递轴力信号至PLC控制器33；激光位移传感器22由激光发射头221、反射棱镜222、位移信号电缆223组成，用于传输钢拱架5拱脚的竖向位移值及位移偏差，激光发射头221和反射棱镜222底部均布置有磁铁，可紧密吸附于钢板防止掉落，激光发射头221射出光信号后，反射棱镜172将光信号反射回激光发射头221，从而通过反射时间实时监测两点之间的位移值，得到的位移信号可通过位移信号电缆223传输至PLC控制器33；应变计23粘贴于钢拱架5拱脚的腹板及翼缘处，用于监测拱脚的应变状态，并可通过应变计信号电缆231传递应变数据至PLC控制器33。
如图4，数控泵站3由液压油泵31、变频控制器32、PLC控制器33、数据传送器34组成，用于接收并传送控制信号、传递监测信号、并依据命令提供不同的液压状态。其中液压油泵31可通过进油管111和出油管112管道向液压千斤顶11输入不同的油量以提供不同的工作压力；变频控制器32可直接控制液压油泵31的输出油量，进而液压千斤顶11的工作状态；PLC控制器33用于控制数控泵站内的整个电气系统，可直接显示工作压力、位移、应变、超载情况、系统工作状况，并依据指令改变变频控制器32的输出频率，实现对液压油泵31内的油量和油压输出控制；数据传送控制器34可将工作压力、位移等数据传送至总控设备4，在总控设备4执行新指令时，可将控制命令再传导值PLC控制器33，进一步控制变频控制器32、液压油泵31，从而改变支撑头1的工作压力值。
如图1，总控设备4为整个系统的状态监控室，可实时监测记录传输过来的监测信号数据及报警数据，并可发送相应的指令；出现异常现象时，可直接在总控室输入参数控制命令调节系统状态。
一种隧道钢拱架防屈服伺服系统及变形控制方法，操作步骤包括如下：
1)支撑头初始组装：隧道开挖前，事先组装支撑头1构件。首先将支承底座12置于支撑头底板162上，并将下部辅助构件14安装于支承底座12上，使螺杆垫板142和下支撑板141嵌套于底座支承头121并平铺于底座盘122上；随后在螺杆垫板142的4个螺杆预留通孔中插入高强螺杆131，并旋入高强螺母132，使高强螺杆131紧固于螺杆垫板142上，进一步旋拧螺杆131使其穿透螺杆垫板142的通孔并与下支撑板141形成挤压；在每根高强螺杆131上拧入第二颗高强螺母132至保证隧道限界的设计位移控制点，再将装置的上部辅助构件15安装于4根高强螺杆131之上，使得螺杆顶部穿透中支撑板151的预留孔，插入定位承压钢筒152的中空预留槽中，并调整各螺母132的位置使中支撑板142保持水平，完成支撑头1的初始组装。
2)机械锁初始支撑：隧道开挖后，将初始组装的支撑头1放置于需提供竖向支撑的指定位置，并依次将轴力计21安装至底座支承顶头121上端、将激光位移计22通过磁力紧贴于中支撑板151和螺杆垫板142的四角，随后将收缩的液压千斤顶11呈倒立状态推送至上部辅助构件15中部，并使突出的千斤顶顶头113嵌入中支撑板151中部的预留圆形通孔，将液压千斤顶11定位；在监测传感器2、数控泵站3、总控设备4数据传输检查无误后，将钢拱架5拼接安装至支撑头1上，并采用螺栓将拱脚的连接垫板52与上支撑板153紧固锁定，使钢拱架5的竖向荷载依次从上到下依次传递至上支撑板153、定位承压钢筒152、中支撑板151、高强螺母132、高强螺杆131、螺杆垫板142、下支撑板141、底座盘122、支撑头底板162，再传导值基底，即通过机械锁13抵抗钢拱架的竖向荷载；进一步将应变计23粘贴于钢拱架5拱架工字钢51的翼缘和腹板处，再检查应变信号的数据传输效果；整个系统数据传输检查无误后，完成钢拱架5的机械锁初始支撑。
3)千斤顶支撑：在总控设备4上输入略小于钢支撑自重的设计初始工作压力，并通过无线传输方式传送控制信号至数控泵站3，控制信号经数据传送器34接收后，传递至PLC控制器33，再进一步调整变频控制器32以改变液压油泵31内的油量，最后通过进油管111及出油管112的油压传递，给液压千斤顶11输入初始工作压力，此时液压千斤顶11的顶头113开始伸张，千斤顶顶头113与轴力计21紧贴，并推动千斤顶底座114与上支撑板153接触；随着液压千斤顶11伸开，千斤顶开始产生工作压力，分担机械锁13承受的荷载，直至到达初始工作压力。初始工作压力稳定后，在总控设备4处调节油压参数，通过一系列信号传送控制，使液压千斤顶11的工作压力不断增加，液压千斤顶11开始成为主要的承压设备，直至激光位移计22监测的距离增加，且机械锁13上部的高强螺母132与中支撑板151出现一定的孔隙，失去了对钢拱架5的竖向支撑，工作压力全部转移至液压千斤顶11；此时维持液压千斤顶11的工作压力，使钢拱架5与岩面初喷61紧贴，对围岩的变形产生一定的支护作用力。
4)工作压力调控：在总控设备4中输入设计的工作压力控制值、竖向位移控制值、竖向位移速率控制值、钢拱架5拱脚各点的应变控制值，并传送值数控泵站3，数据经数据传送器34接收后进一步传输给PLC控制器33。在围岩变形过程中，改变PLC控制器33内部的控制目标，以钢拱架的竖向位移值和位移速度尽量小为控制目的，使得液压千斤顶11随着竖向位移的增加工作压力不断增大，以实现围岩变形控制。为防止钢拱架5的拱脚出现屈服，将轴力计21、激光位移计22、应变计23的监测数据实时传输到PLC控制器33中，并在PLC控制器33中输入命令以达到如下控制效果：①设置工作压力值为1级控制值，在监测的工作压力值达到了设计控制值的90％时，PLC控制器33发出1级警报，并自动改变变频控制器32的输出频率以减小液压油泵31的设计油量值，释放液压千斤顶11的约束作用，从而使得钢拱架5的拱脚可缓慢向下移动，适当减小工作压力；②设置拱脚应变值为2级控制值，在监测的各向应变值及应变偏差达到设计控制值的80％时，PLC控制器33发出2级警报，同时减少液压油泵31的双倍设计油量值，增加拱脚位移值，释放钢拱架拱脚的弹性变形；③设置拱脚位移值和位移速率为3级控制指标，当监测的拱脚位移和位移速率达到设计控制值的70％时，PLC控制器33发出3级警报，并通过数据传送器34传递警报信息至总控设备4，此时需采用隧道辅助施工措施加强围岩变形控制，以防止围岩变形过大，而导致钢拱架5竖向位移趋近机械锁13的设计位移控制点，造成钢拱架5无法释放围岩变形而产生屈服失效。
5)工作压力锁定：在围岩压力充分释放后，围岩变形趋于稳定，各项监测值也维持小范围波动，不再出现警报情况，此时将机械锁13的上部高强螺母132拧紧并紧贴于中支撑板151，随后逐步释放液压油泵31的油量，将工作压力再逐渐转移至机械锁13，从而将支撑头1的工作压力锁定；工作压力锁定后，将液压千斤顶11收缩并取出，并收回监测传感器2。接着在支撑头侧挡板161的挡板插槽164中插入支撑头前后挡板163，使挡板四周封闭，随之通过支撑头挡板16和上支撑板153之间的缝隙中向封闭的支撑头1内灌注混凝土，使支撑头1内部形成一个整体的承载结构，进一步对整个岩面进行复喷混凝土以及进行下一阶段的施工，完成围岩变形的控制。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述隧道钢拱架防屈服伺服系统包括用于向隧道钢拱架提供竖向支撑工作压力并控制隧道钢拱架工作状态的支撑头(1)、用于实时监测隧道钢拱架的竖向支撑压力和拱脚位移及应变的监测传感器(2)、用于接收、传递监测数据并依据监测数据反馈为千斤顶提供对应油压的数控泵站(3)以及用于设置相应的参数指令并监测数控泵站(3)正常运行的总控设备(4)；所述数控泵站(3)分别与监测传感器(2)以及支撑头(1)相连；所述总控设备(4)与数控泵站(3)无线连接；所述监测传感器(2)置于支撑头(1)上；所述支撑头(1)通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上。
2.根据权利要求1所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述支撑头(1)包括液压千斤顶(11)、支承底座(12)、机械锁(13)、下部辅助构件(14)以及上部辅助构件(15)；所述支承底座(12)整体呈凸字状；所述下部辅助构件(14)套装在支承底座(12)外部；所述上部辅助构件(15)和支承底座(12)自上而下依次设置且上部辅助构件(15)和支承底座(12)之间是非接触的；所述机械锁(13)置于上部辅助构件(15)以及下部辅助构件(14)之间并分别与上部辅助构件(15)以及下部辅助构件(14)相连；所述液压千斤顶(11)置于上部辅助构件(15)内部并从上部辅助构件(15)底部伸出后止靠在支承底座(12)上表面；所述上部辅助构件(15)通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上；所述数控泵站(3)与液压千斤顶(11)相连并驱动液压千斤顶(11)从上部辅助构件(15)底部伸出或缩回；所述监测传感器(2)包括分别与数控泵站(3)相连的轴力计(21)、激光位移计(22)以及应变计(23)；所述轴力计(21)置于液压千斤顶(11)和支承底座(12)之间；所述激光位移计(22)置于上部辅助构件(15)和下部辅助构件(14)之间；所述应变计(23)置于隧道钢拱架上。
3.根据权利要求2所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述液压千斤顶(11)包括千斤顶底座(114)以及千斤顶顶头(113)；所述千斤顶底座(114)上设置有进油管(111)以及出油管(112)；所述千斤顶底座(114)设置在上部辅助构件(15)内部；所述数控泵站(3)分别与进油管(111)以及出油管(112)相连通并通过进油管(111)以及出油管(112)向千斤顶底座(114)中输入或输出液压油；液压油驱动千斤顶顶头(113)沿千斤顶底座(114)的轴向从上部辅助构件(15)底部伸出或缩回；所述轴力计(21)置于千斤顶顶头(113)和支承底座(12)之间并与数控泵站(3)相连。
4.根据权利要求3所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述支承底座(12)包括底座支撑顶头(121)以及底座盘(122)；所述底座支撑顶头(121)以及底座盘(122)的结构均呈圆筒形；所述底座支撑顶头(121)的外径小于底座盘(122)的内径；所述底座支撑顶头(121)以及底座盘(122)整体呈凸字状；所述下部辅助构件(14)套装在底座支撑顶头(121)外部并止靠在底座盘(122)的上表面上；所述轴力计(21)置于千斤顶顶头(113)和底座支撑顶头(121)之间。
5.根据权利要求4所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述下部辅助构件(14)包括自上而下依次设置的螺杆垫板(142)和下支撑板(141)；所述螺杆垫板(142)以及下支撑板(141)上均开设有圆形通孔；所述底座支撑顶头(121)穿过螺杆垫板(142)以及下支撑板(141)的圆形通孔；所述机械锁(13)置于上部辅助构件(15)以及螺杆垫板(142)之间并分别与上部辅助构件(15)以及螺杆垫板(142)相连；所述激光位移计(22)包括激光发射头(221)以及与激光发射头(221)位置相对的反射棱镜(222)；所述激光发射头(221)设置在螺杆垫板(142)上表面；所述反射棱镜(222)设置在上部辅助构件(15)下表面；所述激光发射头(221)与数控泵站(3)相连。
6.根据权利要求5所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述上部辅助构件(15)包括自上而下依次连接的中支撑板(151)、定位承压钢筒(152)以及上支撑板(153)；所述液压千斤顶(11)固定在上支撑板(153)上并从中支撑板(151)底部伸出后止靠在支承底座(12)上表面；所述定位承压钢筒(152)至少是两个，所述定位承压钢筒(152)均布在液压千斤顶(11)圆周方向；所述机械锁(13)置于中支撑板(151)以及螺杆垫板(142)之间并分别与中支撑板(151)以及螺杆垫板(142)相连；所述激光发射头(221)设置在螺杆垫板(142)上表面；所述反射棱镜(222)设置在中支撑板(151)的下表面；所述上支撑板(153)通过隧道钢拱架支撑在岩面初喷面上。
7.根据权利要求6所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述机械锁(13)的数量与定位承压钢筒(152)的数量相同；所述机械锁(13)包括高强螺杆(131)以及设置在高强螺杆(131)上的高强螺母(132)；所述高强螺杆(131)的底部以及顶部分别伸入螺杆垫板(142)以及整体结构呈n型的定位承压钢筒(152)中；所述高强螺母(132)是两个，两个高强螺母(132)分列在高强螺杆(131)的两端部并置于螺杆垫板(142)的上表面以及定位承压钢筒(152)的下表面。
8.根据权利要求2-7任一所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述支撑头(1)还包括支撑头挡板(16)；所述上部辅助构件(15)以及支承底座(12)自上而下整体置于支撑头挡板(16)中；所述支撑头挡板(16)包括支撑头侧挡板(161)、支撑头底板(162)以及支撑头前后插入式挡板(163)；所述支撑头侧挡板(161)上设置有挡板插槽(164)；所述支撑头前后插入式挡板(163)插入支撑头侧挡板(161)上的挡板插槽(164)中；所述支撑头侧挡板(161)以及支撑头底板(162)由同一幅钢板弯折而成；所述支撑头侧挡板(161)、支撑头底板(162)以及支撑头前后插入式挡板(163)共同形成框状结构；所述支承底座(12)固定在支撑头底板(162)上表面。
9.根据权利要求8所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统，其特征在于：所述数控泵站(3)包括液压油泵(31)、变频控制器(32)、PLC控制器(33)以及数据传送器(34)；所述液压油泵(31)与液压千斤顶(11)相连并驱动液压千斤顶(11)从上部辅助构件(15)底部伸出或缩回；所述PLC控制器(33)分别与轴力计(21)、激光位移计(22)以及应变计(23)相连；所述数据传送控制器(34)与总控设备(4)无线连接；所述数据传送控制器(34)依次通过PLC控制器(33)以及变频控制器(32)与液压油泵(31)相连；所述应变计(23)粘贴于钢拱架(5)拱脚的腹板及翼缘处。
10.一种基于如权利要求9所述的隧道钢拱架防屈服伺服系统的隧道钢拱架防屈服变形控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)组装支撑头：隧道开挖前，将支承底座(12)置于支撑头底板(162)上，并将下部辅助构件(14)安装于支承底座(12)上，使螺杆垫板(142)和下支撑板(141)嵌套于底座支承头(121)并平铺于底座盘(122)上；随后在螺杆垫板(142)上插入高强螺杆(131)，并在螺杆垫板(142)的上表面旋入高强螺母(132)，使高强螺杆(131)紧固于螺杆垫板(142)上；旋拧高强螺杆(131)使高强螺杆(131)穿透螺杆垫板(142)并与下支撑板(141)形成挤压；在高强螺杆(131)上拧入第二颗高强螺母(132)至保证隧道限界的设计位移控制点，再将上部辅助构件(15)安装于高强螺杆(131)之上，使得高强螺杆(131)顶部穿透中支撑板(151)并插入定位承压钢筒(152)的中空预留槽中，并调整各高强螺母(132)的位置使中支撑板(142)保持水平，完成支撑头(1)的初始组装；
2)机械锁初始支撑：隧道开挖后，将步骤1)组装成型的支撑头(1)放置于需提供竖向支撑的指定位置；将轴力计(21)安装至底座支承顶头(121)上端、将激光位移计(22)通过磁力紧贴于中支撑板(151)下表面和螺杆垫板(142)上表面，随后将收缩的液压千斤顶(11)呈倒立状态推送至上部辅助构件(15)中部，并使突出的千斤顶顶头(113)从中支撑板(151)中伸出，将液压千斤顶(11)定位；在监测传感器(2)、数控泵站(3)、总控设备(4)数据传输检查无误后，将钢拱架(5)拼接安装至支撑头(1)上，并采用螺栓将钢拱架(5)拱脚的连接垫板(52)与上支撑板(153)紧固锁定，使钢拱架(5)的竖向荷载依次从上到下依次传递至上支撑板(153)、定位承压钢筒(152)、中支撑板(151)、高强螺母(132)、高强螺杆(131)、螺杆垫板(142)、下支撑板(141)、底座盘(122)以及支撑头底板(162)，再传导值基底，即通过机械锁(13)抵抗钢拱架的竖向荷载；将应变计(23)粘贴于钢拱架(5)拱架工字钢(51)的翼缘和腹板处，再检查应变信号的数据传输效果；整个系统数据传输检查无误后，完成钢拱架(5)的机械锁初始支撑；
3)千斤顶支撑：在总控设备(4)上输入略小于钢支撑自重的设计初始工作压力，并通过无线传输方式传送控制信号至数控泵站(3)，控制信号经数据传送器(34)接收后，传递至PLC控制器(33)，再进一步调整变频控制器(32)以改变液压油泵(31)内的油量，最后通过进油管(111)及出油管(112)的油压传递，给液压千斤顶(11)输入初始工作压力，此时液压千斤顶(11)的顶头(113)开始伸张，千斤顶顶头(113)与轴力计(21)紧贴，并推动千斤顶底座(114)与上支撑板(153)接触；随着液压千斤顶(11)伸开，液压千斤顶(11)开始产生工作压力，分担机械锁(13)承受的荷载，直至到达初始工作压力；初始工作压力稳定后，在总控设备(4)处调节油压参数，使液压千斤顶(11)的工作压力不断增加，液压千斤顶(11)开始成为主要的承压设备，直至激光位移计(22)监测的距离增加，且机械锁(13)上部的高强螺母(132)与中支撑板出现一定的孔隙，失去了对钢拱架(5)的竖向支撑，工作压力全部转移至液压千斤顶(11)上；维持液压千斤顶(11)的工作压力，使钢拱架(5)与岩面初喷(61)紧贴，对围岩的变形产生支护作用力；
4)工作压力调控：在总控设备(4)中输入设计的工作压力控制值、竖向位移控制值、竖向位移速率控制值、钢拱架(5)拱脚各点的应变控制值，并传送值数控泵站(3)，数据经数据传送器(34)接收后进一步传输给PLC控制器(33)；在围岩变形过程中，改变PLC控制器(33)内部的控制目标，以钢拱架的竖向位移值和位移速度尽量小为控制目的，使得液压千斤顶(11)随着竖向位移的增加工作压力不断增大，以实现围岩变形控制；
5)工作压力锁定：在围岩压力充分释放后，围岩变形趋于稳定时，将机械锁(13)的上部高强螺母(132)拧紧并紧贴于中支撑板(151)，随后逐步释放液压油泵(31)的油量，将工作压力再逐渐转移至机械锁(13)，将支撑头(1)的工作压力锁定；工作压力锁定后，将液压千斤顶(11)收缩并取出，并收回监测传感器(2)；在支撑头侧挡板(161)的挡板插槽(164)中插入支撑头前后挡板(163)，使挡板四周封闭，随之通过支撑头挡板(16)和上支撑板(153)之间的缝隙中向封闭的支撑头(1)内灌注混凝土，使支撑头(1)内部形成一个整体的承载结构，进一步对整个岩面进行复喷混凝土以及进行下一阶段的施工，完成围岩变形的控制。
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