CN113107565A - 隧道支护体系锁脚锚管的内力测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧道支护体系锁脚锚管的内力测量装置及方法，用于台阶法隧道开挖支护结构锁脚锚管的内力测量，该设备包括监测结构与安装辅助设备，监测结构由细条状硬板、监测光纤、尾纤接头、光收发模块和信号处理系统组成，安装辅助设备由预制管盖、TPU内衬软管和充气装置组成。该方法是在锁脚锚管内安装监测结构，在每根锁脚锚管沿内侧管顶、管底和内壁两侧共布设四条监测带，横剖面中监测点将锁脚锚管四等分；通过安装辅助设备将监测光纤安装至布设点位；将光信号传递至光收发模块；信号处理系统对光收发模块中的信息进行处理以获取锁脚锚管的应力应变状态。本发明可高效完成锁脚锚管的内力测量，且便于施工、可靠性强，既保证了锚管自身结构的完整性，又提升了监测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及于台阶法隧道支护工程中锁脚锚管结构的受力特性测试。
背景技术
隧道工程支护结构受力复杂，支护体系一般包括超前支护、初期支护及二次衬砌。初期支护作为隧道工程最重要的一道受力结构，其承载能力直接决定了隧道施工及运营过程中的安全程度。在采用台阶法开挖时，中下台阶开挖在短期内造成上台阶的钢拱架悬空、导致初期支护暂时缺失，可能引发地层出现超过允许范围的过度变形。锁脚锚管打设于钢拱架拱脚部位，可有效抑制初期支护过程中由于台阶开挖导致钢架悬空、支护不足引起的地层变形，广泛应用于软弱围岩及地层变形控制严格的隧道工程中。
尽管锁脚锚管在软弱围岩中支护体系的变形控制能力已为工程界所认可，目前对锁脚锚管受力机制的认识仍然较大不足，实际工程中多采用经验设计。这其中的主要原因之一即为锁脚锚管的受力特征较难测定。目前针对锁脚锚管的现场测试方法尚不成熟，主要以在锁脚锚管外侧贴设应变片或光栅光纤测力，这种布设方法存在两个问题：（1）由于钻孔孔径与锁脚锚管外径极为接近，锁脚锚管插入钻孔过程中，直接粘贴于锁脚锚管外侧的测试元件常被围岩剐蹭破坏、导致监测元器件失效；（2）为了使监测元器件顺利走线、且使其和锁脚锚管能较好的粘合并避免元器件线路损伤，常在锁脚锚管外侧打磨沟槽，不仅增加施工难度，且导致监测元器件走线处的锚管壁厚减小，其受力特性会因此发生改变；若沟槽较浅，则难以确保锁脚锚管打设过程中监测元器件不被岩壁剐蹭、导致线路破损。因此，为深入研究锁脚锚管的受力特性，有必要开发新型的锚管力学特性测试方法。
发明内容
发明目的：为了解决上述技术问题，本发明提供一种隧道支护体系锁脚锚管的内力测量装置及方法。
技术方案：本发明人的隧道支护体系锁脚锚管的内力测量装置，用于台阶法隧道开挖支护结构锁脚锚管的内力测量，包括监测结构与安装辅助设备，
所述监测结构包括细条状硬板、监测光纤、尾纤接头、光收发模块和信号处理系统，所述监测光纤粘贴于细条状硬板上呈U型环路，光收发模块通过尾纤接头采集信息传送至信号处理系统分析结果；
所述安装辅助设备包括预制管盖、内衬软管和充气装置，所述TPU内衬软管用于填充锁脚锚管，所述预制管盖用于封堵锁脚锚管的两端，所述预制管盖安装在内衬软管的两端，所述充气装置经软管穿过一端的管盖与内衬软管连通。
使用时，
（1）监测结构由条状亚克力板（4m×1cm×3mm）、光纤、尾纤接头、光收发模块和信号处理系统构成；亚克力板顶端预留小孔，板面一侧涂胶，胶水优选为航空航天专用胶，简称航空胶或航空胶；光纤粘贴于亚克力板上呈“U”型环路，光收发模块通过尾纤接头采集信息传送至信号处理系统分析结果。
（2）监测结构的安装辅助设备包括预制管盖（其内径等同于锁脚锚管外径）、TPU内衬软管和充气装置；在锁脚锚管内安装监测结构时，先将一块贴上光纤的亚克力板拖入管内并翻转、使贴有光纤一侧朝下贴向内侧管底；再将内衬软管和另一块贴上光纤的亚克力板同时拖入管内，使亚克力板贴有光纤一侧朝上；在锁脚锚管两端安装预制管盖，内衬软管的充气管通过管盖上的开孔导出，使用充气装置对内衬软管充气，内衬软管充气膨胀后将抬升上部亚克力板至内侧管顶，并通过充气气压使上下两块亚克力板与内侧管壁贴合；保持气压稳定，待航空胶凝固后撤去气压、打开管盖并取出内衬软管，实现管顶、管底监测带的安装。
（3）每根锁脚锚管沿内侧管顶、管底和内壁两侧共布设四条监测带，横剖面中监测点将锁脚锚管四等分；通过辅助设备将监测光纤安装至布设点位；光纤尾纤接头封装于塑料瓶中，避免后续施工和现场尘粉对接头的破坏，读数时取出、将光信号传递至光收发模块；信号处理系统对光收发模块中的信息进行处理以获取锁脚锚管的应力应变状态。
发明原理：为避免锁脚锚管插入围岩过程中，外壁监测元件与围岩接触发生剐蹭破坏，将监测元件粘贴于预制细条状亚克力板上，构成监测结构，通过亚克力板将监测元件贴于锁脚锚管内部指定位置，利用锚管本身实现保护监测元件免受围岩剐蹭破坏的目的。同时，该监测结构可对锁脚锚管的应力应变状态进行监测，揭示锁脚锚管的受力特性。
通过TPU内衬软管将监测结构粘贴于设计位置。预先准备内衬软管，其外径等于锁脚锚管内径，将监测结构放于内衬软管上后一同置于锁脚锚管内部，并在锁脚锚管两端安装预制管盖，内衬软管的导管穿过管盖预留孔与充气装置相连，给内衬软管充气加压使其膨胀，将顶部监测结构抬升至与锁脚锚管内壁接触，通过气压使管顶和管底监测结构与锁脚锚管完全接触，待航天胶充分凝固后，监测结构可贴附于锁脚锚管内壁从而正常工作。管盖与锁脚锚管管身共同分担内衬软管内部气压，保证了内衬软管使用过程中的安全性。
有益效果：（1）借助亚克力板将光纤布设于锁脚锚管内部，实现对光纤的保护，在锁脚锚管打设入孔的过程中，监测结构可避免剐蹭，正常运行；而且锁脚锚管的长径往往达到三四百甚至更高，借助亚力克板的挺度方可将光纤妥当放入其中；
（2）监测结构可对锁脚锚管实现应力应变测试，监测结果可用于锁脚锚管的受力特性研究；
（3）选用材料易于获取，光纤布设时无需在锚管管身钻孔或预开沟槽等方式，采用内衬软管加压使监测结构与锁脚锚管内壁完全贴附。监测设备的布设保证了锚管自身结构的完整性，监测结果对比传统监测方法准确可靠。
附图说明
图1为锁脚锚管测点位置横断面图；
图2为监测元件与保护结构位置关系示意图；
图3为锁脚锚管内部布设监测结构方法示意图；
图4为两侧监测结构安装过程横断面示意图；
图中：1为锁脚锚管；2为亚克力板；3为光纤；4为尾纤接头；5为光收发模块；6为信号处理系统；7为预留孔洞；8为TPU内衬软管；9为充气装置；10为预制管盖。
具体实施方式
本实施例的台阶法隧道锁脚锚管的内力测量装置如图1、图2和图3所示，包括监测结构与安装辅助设备。监测结构包括条状亚克力板2、光纤3、尾纤接头4、光收发模块5和信号处理系统6。亚克力板2呈细条状，顶端预留小孔，尺寸4m×1cm×3mm，板面一侧涂有航天胶；光纤3作为监测元件，粘贴于亚克力板2上呈“U”型环路，光收发模块5通过尾纤接头4采集信息传送至信号处理系统6分析结果。监测结构的安装辅助设备包括预制管盖10，TPU内衬软管8和充气装置9；预制管盖10的外径等于锁脚锚管2的内径。
如图4所示，在锁脚锚管内安装监测结构时，先将一块贴上光纤的亚克力板拖入管内并翻转、使贴有光纤一侧朝下贴向内侧管底；再将内衬软管和另一块贴上光纤的亚克力板同时拖入管内，使亚克力板贴有光纤一侧朝上；在锁脚锚管两端安装预制管盖，内衬软管的充气管通过管盖上的开孔导出，使用充气装置对内衬软管充气，内衬软管充气膨胀后将抬升上部亚克力板至内侧管顶，并通过充气气压使上下两块亚克力板与内侧管壁贴合；保持气压稳定，待航空胶凝固后撤去气压、打开管盖并取出内衬软管，实现管顶、管底监测带的安装。
在每根锁脚锚管沿内侧管顶、管底和内壁两侧共布设四条监测带，横剖面中监测点将锁脚锚管四等分；通过辅助设备将监测光纤安装至布设点位；光纤尾纤接头封装于塑料瓶中，避免后续施工和现场尘粉对接头的破坏，读数时取出、将光信号传递至光收发模块；信号处理系统对光收发模块中的信息进行处理以获取锁脚锚管的应力应变状态。
使用时，具体包括以下施工步骤：
（1）锁脚锚管管身内壁预留标记，每根锁脚锚管沿内侧管顶、管底和内壁两侧共布设四条监测带，监测带合理规避锚管侧壁的注浆孔，横剖面中监测点将锁脚锚管四等分；
（2）预制条状亚克力板，将光纤粘贴于亚克力板上呈“U”型环路并固定。亚克力板与光纤共同构成具有自我保护性的监测结构；将航天胶沿光纤线路走向涂于监测结构贴有光纤侧，安装底部监测结构时，将亚克力板一端预留孔洞并穿过棉绳，通过拖拉棉绳将监测结构牵引于锁脚锚管内部，光纤侧朝上以避免拖拉过程中与管底内壁接触；到达指定位置后，翻转监测结构180°，使涂有航天胶一侧与锁脚锚管接触，使光纤初步固定于工作位置后取出棉绳；
（3）TPU内衬软管顶部放置预涂航天胶的监测结构，航天胶朝向锚管管顶。将内衬软管与监测结构一同平稳缓慢拉入锁脚锚管，避免扰动底部已放置好的监测结构。内衬软管长度不少于锚管。内衬软管单侧开口且接有导气管，其穿过锚管管盖上的预留孔洞与充气装置相连。充气前检查软管各连接处的密封性；通过充气加压使内衬软管膨胀，推动顶部监测结构与锁脚锚管接触，并充分挤压顶部和底部监测结构；保持气压稳定约15分钟，待预涂航天胶完全凝固后释放软管内气压，拆下管盖和充气装置，取出内衬软管，完成内侧管顶和管底监测结构的布设；
（4）将已完成两侧监测结构布设的锁脚锚管沿轴向旋转90°，至监测结构位于左、右两侧后停止。重复（2）、（3）操作，完成剩余两侧监测结构的布设；为避免后续施工和现场尘粉对接头的破坏，光纤尾纤接头封装于塑料瓶中；
（5）锁脚锚管安装过程中，型钢拱架中预先安装固定钢板，导向钢管进而与固定钢板焊接。锁脚锚管沿导向钢管插入后，二者通过车丝或焊接牢固连接。焊接时，锚管端口内壁填充隔热棉，光纤所有冗余裸露部分通过高温胶带包裹隔热棉封装，避免焊接高温损坏监测元件；
（6）喷射混凝土前，将监测元件的冗余部分封装于PVC管中，管两侧使用土工布包裹，喷射后拆除土工布，取出尾纤接头。
（7）监测元件伸出的光纤尾纤接头与光收发模块相连，工作时信号处理系统对监测数据进行分析，得到监测结果。
Claims (5)
1.一种隧道支护体系锁脚锚管的内力测量装置，用于台阶法隧道开挖支护结构锁脚锚管的内力测量，其特征在于：包括监测结构与安装辅助设备，
所述监测结构包括细条状硬板、监测光纤、尾纤接头、光收发模块和信号处理系统，所述监测光纤粘贴于细条状硬板上呈U型环路，光收发模块通过尾纤接头采集信息传送至信号处理系统分析结果；
所述安装辅助设备包括预制管盖、内衬软管和充气装置，所述TPU内衬软管用于填充锁脚锚管，所述预制管盖用于封堵锁脚锚管的两端，所述预制管盖安装在内衬软管的两端，所述充气装置经软管穿过一端的管盖与内衬软管连通。
2.根据权利要求1所述的隧道支护体系锁脚锚管的内力测量装置，其特征在于：所述细条状硬板是一侧涂胶的亚克力板，所述内衬软管是TPU软管。
3.一种隧道支护体系锁脚锚管的内力测量方法，其特征在于：在锁脚锚管内安装监测结构，在每根锁脚锚管沿内侧管顶、管底和内壁两侧共布设四条监测带，横剖面中监测点将锁脚锚管四等分；通过安装辅助设备将监测光纤安装至布设点位；将光信号传递至光收发模块；信号处理系统对光收发模块中的信息进行处理以获取锁脚锚管的应力应变状态。
4.根据权利要求3所述的隧道支护体系锁脚锚管的内力测量方法，其特征在于：先将一块贴上光纤的亚克力板拖入锁脚锚管内并翻转、使贴有光纤一侧朝下贴向内侧管底；再将内衬软管和另一块贴上光纤的亚克力板同时拖入锁脚锚管内，使亚克力板贴有光纤一侧朝上；在锁脚锚管两端安装预制管盖，内衬软管的充气管通过管盖上的开孔导出，使用充气装置对内衬软管充气，内衬软管充气膨胀后抬升上部亚克力板至锁脚锚管内侧管顶，并通过充气气压使上下两块亚克力板与锁脚锚管内侧管壁贴合；保持气压稳定，待胶凝固后撤去气压、打开管盖并取出内衬软管，实现管顶、管底监测带的安装。
5.根据权利要求3所述的隧道支护体系锁脚锚管的内力测量方法，其特征在于：光纤尾纤接头封装于塑料瓶中，避免后续施工和现场尘粉对接头的破坏，读数时取出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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