CN110715760B - 全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程锚杆支护结构轴力监测技术领域，具体涉及一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置及实验方法。旨在解决现阶段隧道施工锚杆受力的检测困难的问题。本发明包括组装式待测锚杆，测力计安装在组装式待测锚杆上，其外部套装有异形保护套，在组装式待测锚杆的底部端部安装有固定其在隧道围岩上的斜面垫板；组装式待测锚杆包括至少3节螺纹钢筋，螺纹钢筋的两端开设有螺纹，每两根螺纹钢筋间经由螺纹配合安装测力计；异形保护套为中空圆柱形套管，两侧端面分别设置有至少两个相对称的外倾斜喇叭状挡片组。优点在于：锚杆受力均匀，避免锚杆端头剪应力破坏，避免安装过程中导线挤压磨损破坏，确保了全长粘结锚杆分段轴力测试。

Description

全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置及实验方法

技术领域

本发明涉及隧道工程锚杆支护结构轴力监测技术领域，具体涉及一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置及试验方法。

背景技术

随着国家基础设施建设的大力发展，长距离的铁路隧道和水工隧洞越来越多，在这种长距离山岭隧道的施工中敞开式TBM应用非常常见，其施工中锚杆支护是必不可少的工序，因此隧道工程设计与施工中，为了解锚杆受力情况，分析锚杆轴力变化规律，优化锚杆设计，须在隧道工程施工中对锚杆轴力进行监测分析。

在敞开式TBM掘进施工中，虽然其搭载的锚杆钻机可在有限的空间内进行钻孔施工，但由于敞开式TBM大型设备的特殊性，锚杆钻机工作时只能沿着固定的环形梁行走，无法自行旋转角度，锚杆钻孔无法垂直岩面进行施工，因此施工安装锚杆的轴线与隧道轮廓岩面呈一定夹角，实际施工中安装垫板和球垫时并不能产生相对回转，并且在垫板与锚杆接触处产生应力集中，容易导致锚杆剪切破坏，无法测试出锚杆真实受力情况。同时由于锚杆施工工序的影响，绑扎在锚杆杆体上监测仪器导线也容易被挤压磨损破坏，造成无法读取传感器数据，导致锚杆轴力监测试验失败。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现阶段隧道施工锚杆受理的检测困难的问题。

本发明的具体方案是：

设计一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置，包括组装式待测锚杆，测力计安装在组装式待测锚杆上，其外部套装有异形保护套，在所述组装式待测锚杆的底部端部安装有固定其在隧道围岩上的斜面垫板；所述组装式待测锚杆包括至少3节螺纹钢筋，所述螺纹钢筋的两端开设有螺纹，每两根螺纹钢筋间经由螺纹配合安装测力计；所述异形保护套为中空圆柱形套管，两侧端面分别设置有至少两个相对称的外倾斜喇叭状挡片组；所述斜面垫板设置有锚杆穿孔和导线穿孔。

具体实施中，组装式待测锚杆中螺纹钢筋的长度自中部向端部渐短。

具体实施中，所述测力计为中间小两端大圆柱形传感器，两端各设有与螺纹钢筋螺纹相配合的螺纹。

具体实施中，所述斜面垫板设置有锚杆穿孔和导线穿孔，锚杆穿孔和导线穿孔在垫板斜面处入口端相交，而锚杆穿孔出口位于垫板正面，而导线穿孔出口位于侧面，其中斜面垫板正面边长Lb为100~150mm，厚度h为8~10mm，厚度H、垫板斜面夹角α满足如下设计：

其中：r-锚杆钻机钻杆行走半径（m）；R-TBM隧道开挖半径（m）。

具体实施中，所述异形保护套为中空圆柱形套管，两侧端面分别设置有4个相对称的外倾斜喇叭状挡片组，挡片组中的挡片设置为外部宽内部窄形式，与中空圆柱形套管呈一体式设计。

所述测力计为纺锤状或杠铃状回转体形传感器，两端为具有内螺纹的中空圆柱形。所述异形保护套与所述测力计间设有自锁式形位配合。所述异形保护套上设有导线通孔。

一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测的实验方法，使用上述的全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置，包括如下步骤：

（1）安装：将测力计传感器穿入异形保护套内，使异形保护套两端卡在测力计小截面中部处，并将导线从开口处引出；按中间长两头短的原则旋转分段螺纹钢依次将其端头装入有内螺纹的测力计中空圆形端头，实现通过传感器端头连接分段螺纹钢组合成待测锚杆，将所有传感器导线沿待测锚杆杆体绑扎固定，将锚杆外部端头穿过锚杆穿孔，同时将所有导线穿过导线穿孔，并安装锚杆端头固定螺母。

（2）钻孔：利用TBM设备搭载的锚杆钻机进行钻孔，待钻孔深度达到设计要求后利用高压风管对钻孔进行清孔处理，将注浆管插入锚杆孔最深处，通过注浆泵将配制拌和好的砂浆注入锚杆孔内，边注浆边拔出注浆管，直到砂浆灌满锚杆孔。

（3）插入钻杆锚孔：将待测锚杆缓慢插入锚杆钻孔，直到锚杆端头到达设计深度，通过扳手拧紧锚杆端头固定螺母，使垫板斜面紧贴隧道岩面，并将传感器导线与采集仪相连，读取锚杆测力计传感器读数，实现锚杆轴力现场监测，锚杆轴力计算公式为：

其中P—被测段锚杆轴力(KN)；K—测力计的灵敏度系数(KN/Hz2)； f0—测力计的初始频率值；fi—测力计工作频率值。

本发明的有益效果在于：

不仅可以使锚杆固定端头垫板与锚杆垂直，确保锚杆沿轴线受力，避免锚杆剪切破坏，还可为轴力监测仪器导线提供保护措施，确保能够读取传感器数据，实现锚杆轴力现场测试；

因此隧道工程设计与施工中，为了解锚杆受力情况，分析锚杆轴力变化规律，优化锚杆设计，须在隧道工程施工中对锚杆轴力进行监测分析。

本发明不仅实现了锚杆固定端头垫板与锚杆垂直，保证了锚杆沿轴线受力，避免锚杆剪切破坏，还为轴力监测仪器导线提供保护措施，确保能够读取传感器数据；该发明作为全长粘结倾斜锚杆轴力监测试验装置，确定了锚杆固定端部轴线受力，确保了传感器导线不被挤压磨损破坏，可真实地掌握锚杆不同截面处轴力情况，分析锚杆受力变化规律，为锚杆支护结构设计与优化提供了可靠的实测数据；该试验装置现场安装简单，易于操作，可有效地提高锚杆轴力现场监测试验成功率和真实性。

附图说明

图1 敞开式TBM隧道工程锚杆钻机钻孔示意图；

图2 一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置使用示意图；

图3 锚杆端头加固放大图；

图4 斜面垫板正视图；

图5斜面垫板俯视图；

图6斜面垫板左视图；

图7斜面垫板仰视图；

图8 轴力监测部位示意图；

图9 异形保护套A-A视图；

图10 异形断面B-B断面图。

图中：1待测锚杆，2测试断面，3钻孔，4隧道围岩，5斜面垫板，6螺母，7锚杆穿孔，8导线穿孔，9测力计传感器，10传感器导线，11异形保护套，12挡片，13锚杆钻机，14隧道轮廓，15主大梁，16环形梁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置，参见图1至图10，包括组装式待测锚杆，测力计安装在组装式待测锚杆上，其外部套装有异形保护套，在所述组装式待测锚杆的底部端部安装有固定其在隧道围岩上的斜面垫板；所述组装式待测锚杆包括至少3节螺纹钢筋，所述螺纹钢筋的两端开设有螺纹，每两根螺纹钢筋间经由螺纹配合安装测力计；所述异形保护套为中空圆柱形套管，两侧端面分别设置有至少两个相对称的外倾斜喇叭状挡片组；所述斜面垫板设置有锚杆穿孔和导线穿孔。

组装式待测锚杆中螺纹钢筋的长度自中部向端部渐短。

所述测力计为中间小两端大圆柱形传感器，两端各设有与螺纹钢筋螺纹相配合的螺纹。

所述斜面垫板设置有锚杆穿孔和导线穿孔，锚杆穿孔和导线穿孔在垫板斜面处入口端相交，而锚杆穿孔出口位于垫板正面，而导线穿孔出口位于侧面，其中斜面垫板正面边长Lb为100~150mm，厚度h为8~10mm，厚度H、垫板斜面夹角α满足如下设计：

其中：r-锚杆钻机钻杆行走半径（m）；R-TBM隧道开挖半径（m）。

所述异形保护套为中空圆柱形套管，两侧端面分别设置有4个相对称的外倾斜喇叭状挡片组，挡片组中的挡片设置为外部宽内部窄形式，与中空圆柱形套管呈一体式设计。

所述异形保护套与所述测力计间设有自锁式形位配合。工作过程中，按中间长两头短的原则进行组装，之后添加检测元件，中间长两头短的组装形式进一步提高了设备的稳定性、使其受力更为合理。斜面垫板的设计进一步保证组装的高贴合性，保证受力点的设计的合理，同时便于组装和维护。

所述异形保护套上设有导线通孔。

本实施例中，螺纹钢筋表面凹凸不平，在注浆阶段，可以增加注浆后的粘结力。

一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测的实验方法，使用上述的全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置，包括如下步骤：

（1）安装：将测力计传感器穿入异形保护套内，使异形保护套两端卡在测力计小截面中部处，并将导线从开口处引出；按中间长两头短的原则旋转分段螺纹钢依次将其端头装入有内螺纹的测力计中空圆形端头，实现通过传感器端头连接分段螺纹钢组合成待测锚杆，将所有传感器导线沿待测锚杆杆体绑扎固定，将锚杆外部端头穿过锚杆穿孔，同时将所有导线穿过导线穿孔，并安装锚杆端头固定螺母；

（2）钻孔：利用TBM设备搭载的锚杆钻机进行钻孔，待钻孔深度达到设计要求后利用高压风管对钻孔进行清孔处理，将注浆管插入锚杆孔最深处，通过注浆泵将配制拌和好的砂浆注入锚杆孔内，边注浆边拔出注浆管，直到砂浆灌满锚杆孔；

（3）插入钻杆锚孔：将待测锚杆缓慢插入锚杆钻孔，直到锚杆端头到达设计深度，通过扳手拧紧锚杆端头固定螺母，使垫板斜面紧贴隧道岩面，并将传感器导线与采集仪相连，读取锚杆测力计传感器读数，实现锚杆轴力现场监测，锚杆轴力计算公式为：

其中P—被测段锚杆轴力(KN)；K—测力计的灵敏度系数(KN/Hz2)； f0—测力计的初始频率值；fi—测力计工作频率值。

本实施例中，其中斜面垫板正面边长L为100mm，厚度h为10mm，则通过公式计算，厚度H为79.76mm、垫板斜面夹角α为55.10°（隧道开挖直径R=3.515m，锚杆钻机钻杆行走半径r=2.011m）。

在本实施例中，全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置的安装试验方法，读取锚杆某断面测力计传感器读数fi为1444.07Hz，初始读数f0为1437.22Hz，则此时该断面处锚杆轴力P为1.03KN（测力计的灵敏度系数K 为5.887×10-5KN/Hz2）。

实施例2

本实施例原理同实施例1，具体不同之处在于，所述测力计为纺锤状回转体形传感器，两端为具有内螺纹的中空圆柱形。两端粗便于受力，中间细便于与其他组件的配合和相关测量的实现，尤其是异形套的宽度小于回转体长度的2/3，通过弧面摩擦力实现设备间的自锁，以便在注浆过程中保证设备的稳定。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置，其特征在于：包括组装式待测锚杆，测力计安装在组装式待测锚杆上，其外部套装有异形保护套，在所述组装式待测锚杆的底部端部安装有固定其在隧道围岩上的斜面垫板；

所述组装式待测锚杆包括至少3节螺纹钢筋，所述螺纹钢筋的两端开设有螺纹，每两根螺纹钢筋间经由螺纹配合安装测力计；

组装式待测锚杆中螺纹钢筋的长度自中部向端部渐短,所述测力计为中间小两端大圆柱形传感器，两端各设有与螺纹钢筋螺纹相配合的螺纹;

所述斜面垫板设置有锚杆穿孔和导线穿孔，锚杆穿孔和导线穿孔在垫板斜面处入口端相交，而锚杆穿孔出口位于垫板正面，而导线穿孔出口位于侧面，其中斜面垫板正面边长Lb为100~150mm，厚度h为8~10mm，厚度H、垫板斜面夹角α满足如下设计：

所述异形保护套为中空圆柱形套管，两侧端面分别设置有4个相对称的外倾斜喇叭状挡片组，挡片组中的挡片设置为外部宽内部窄形式，与中空圆柱形套管呈一体式设计,所述测力计为纺锤状或杠铃状回转体形传感器，两端为具有内螺纹的中空圆柱形,所述异形保护套与所述测力计间设有自锁式形位配合。

2.如权利要求1所述的全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置，其特征在于：所述异形保护套上设有导线通孔。

3.一种全长粘结倾斜锚杆轴力监测的实验方法，使用如权利要求1所述的全长粘结倾斜锚杆轴力监测装置，其特征在于，包括如下步骤：

（1）安装：将测力计传感器穿入异形保护套内，使异形保护套两端卡在测力计小截面中部处，并将导线从开口处引出；按中间长两头短的原则旋转分段螺纹钢依次将其端头装入有内螺纹的测力计中空圆形端头，实现通过传感器端头连接分段螺纹钢组合成待测锚杆，将所有传感器导线沿待测锚杆杆体绑扎固定，将锚杆外部端头穿过锚杆穿孔，同时将所有导线穿过导线穿孔，并安装锚杆端头固定螺母;

（2）钻孔：利用TBM设备搭载的锚杆钻机进行钻孔，待钻孔深度达到设计要求后利用高压风管对钻孔进行清孔处理，将注浆管插入锚杆孔最深处，通过注浆泵将配制拌和好的砂浆注入锚杆孔内，边注浆边拔出注浆管，直到砂浆灌满锚杆孔;

（3）插入钻杆锚孔：将待测锚杆缓慢插入锚杆钻孔，直到锚杆端头到达设计深度，通过扳手拧紧锚杆端头固定螺母，使垫板斜面紧贴隧道岩面，并将传感器导线与采集仪相连，读取锚杆测力计传感器读数，实现锚杆轴力现场监测，锚杆轴力计算公式为：

其中P—被测段锚杆轴力(KN)；K—测力计的灵敏度系数(KN/Hz2)； f0—测力计的初始频率值；fi—测力计工作频率值。

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