CN114320463A - 一种地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，包括如下步骤：确定断层滑移带的位置和监测区域；在所述监测区域内确定摩擦力测量装置的安装点位和所述摩擦力测量装置安装方向；安装和固定所述摩擦力测量装置；将所述摩擦力测量装置的电缆隐藏到地下工程衬砌的预留孔洞中，并施工地下工程衬砌；将所述摩擦力测量装置的电缆沿所述预留孔洞引出，并与数据采集设备信号连接，实现所述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力数据的自动采集。本发明的测量方法施工简单，易于操作，可以实现地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的实时监测，有利于判断地下工程衬砌结构的安全状况，降低因断层滑移带等特殊地质条件诱发的安全事故的发生风险。
Description
技术领域
本发明涉及围岩接触面摩擦力测量技术领域。具体地说是一种地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法。
背景技术
铁路隧道、矿山井巷等地下工程修建施工中，会遇到断层滑移带等特殊地质构造的地层，地震作用或施工中疏水爆破作业都可能对这种破碎的岩体造成局部过载，并进而诱发断层滑移带周边岩局部活化，大幅增加施工难度与工程风险大幅增加，严重的甚至会演变为灾害事故。为有效预防上述风险，降低事故危害，结构健康监测被大量应用于地下工程建设过程。在结构健康在线监测领域中，地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方面相对于其他监测发展相对滞后，仍有待进一步发展提升。地下工程衬砌与围岩接触面的摩擦力在测量时容易受到周围工程结构及围岩的影响，所以直接对两者的接触面进行测量十分困难，需要使用特殊测量装置和方法才能实现。因此，目前关于通过测量地下工程衬砌与围岩接触面的摩擦力来监测地下结构的安全状况的方法还很缺乏。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，以实现通过测量地下工程衬砌与围岩接触面的摩擦力来监测地下结构的安全状况，降低因断层滑移带等特殊地质条件诱发的地下工程建设安全事故的发生风险。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，包括如下步骤：
步骤A：通过超前探测，确定断层滑移带的位置，划定接触面摩擦力的监测区域；
步骤B：掘进并揭露所述断层滑移带，完成隧道的初期支护；在所述监测区域内确定摩擦力测量装置的安装点位和所述摩擦力测量装置安装方向；
步骤C：安装和固定所述摩擦力测量装置，所述摩擦力测量装置的摩擦力测量接触面与初期支护的表面抵紧；所述摩擦力测量装置包括用于测量接触面摩擦力的测量机构、用于固定和支撑所述测量机构的固定支撑机构和用于消除所述测量机构周围压力影响的阻断机构；所述测量机构和所述阻断机构均固定安装在所述固定支撑机构上，所述测量机构位于所述阻断机构、所述固定支撑机构和围岩围成的空间内；
步骤D：将所述摩擦力测量装置的电缆隐藏到地下工程衬砌的预留孔洞中，并施工所述地下工程衬砌；
步骤E：待所述地下工程衬砌施工完毕后，将所述摩擦力测量装置的电缆沿所述预留孔洞引出，并与数据采集设备信号连接，实现所述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力数据的自动采集。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，在步骤A中，选取所述断层滑移带前3～5榀钢拱架至所述断层滑移带后3～5榀钢拱架的范围作为所述监测区域；或者选取所述断层滑移带上侧至所述断层滑移带下侧的范围作为所述监测区域。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，在步骤B中，所述摩擦力测量装置的安装方向为：与所述断层滑移带平行，或者与所述隧道掘进方向的中轴线垂直，或者围岩可能发生滑移的其它方向。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，所述测量机构包括滑动垫板、摩擦盒和感应器；所述固定支撑机构包括底座托盘，所述底座托盘上开设有底座托盘固定孔，底座固定钢筋的一端通过底座托盘固定孔固定安装在所述底座托盘上；所述地下工程衬砌为现浇混凝土衬砌结构时，包括如下步骤：
步骤A1：对掘进工作面进行超前探测，确定所述断层滑移带位置；选取所述断层滑移带前后两侧之间的范围作为接触面摩擦力的所述监测区域；
步骤B1：继续掘进，并在揭露所述断层滑移带之后完成所述隧道的初期支护；在所述监测区域内的所述初期支护表面确定所述摩擦力测量装置的安装点位，所述安装点位为两个或两个以上；用测量设备对所述安装点位进行测量定位并编号，同时根据所述断层滑移带的位置和方向确定所述摩擦力测量装置的安装方向；
步骤C1：在衬砌钢筋绑扎过程中，将所述摩擦盒内装满与所述地下工程衬砌同标号的混凝土，然后将所述摩擦力测量装置按照其安装方向使得所述摩擦盒内的混凝土外表面抵顶在所述初期支护的表面，所述摩擦盒内的混凝土外表面即为所述摩擦力测量接触面，并通过将所述底座托盘四角的所述底座固定钢筋与衬砌钢筋网牢固绑扎，完成所述摩擦力测量装置固定；
步骤D1：将各个点位的所述摩擦力测量装置的电缆沿所述衬砌钢筋网汇总后一并隐藏至所述地下工程衬砌的预留孔洞中；进行混凝土的浇筑，以完成所述地下工程衬砌的施工；
步骤E1：待所述地下工程衬砌脱模后，所述地下工程衬砌的施工完毕；将所述摩擦力测量装置的电缆由所述预留孔洞引出，与数据采集设备信号连接，实现所述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力数据的自动采集。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，所述测量机构包括滑动垫板、摩擦盒和感应器；所述固定支撑机构包括底座托盘，所述底座托盘上的四角开设有底座托盘固定孔；所述地下工程衬砌为混凝土预制件拼装衬砌结构时，包括如下步骤：
步骤A2：根据地质钻孔或工作面超前探测资料，确定所述断层滑移带的位置，选取断层滑移带上下两侧之间的范围为作接触面摩擦力的监测区域，同时确定该范围所对应的所述混凝土预制件的拼装编号；
步骤B2：掘进并揭露所述断层滑移带，完成隧道的初期支护；根据探测资料揭露的所述断层滑移带的位置和方向，确定不同拼装编号的所述混凝土预制件上所述摩擦力测量装置的安装点位和安装方向；
步骤C2：在所述混凝土预制件的制作过程中，将所述摩擦力测量装置的摩擦盒中装满与所述地下工程衬砌同标号的混凝土，然后在所述混凝土预制件模板的外周侧模板对应的位置上按照步骤B2中确定好的方向安装所述摩擦力测量装置，使得所述摩擦盒内的混凝土外表面抵顶在所述外周侧模板的内表面上，所述摩擦盒内的混凝土外表面即为所述摩擦力测量接触面；通过所述底座托盘四角上的所述底座托盘固定孔并采用固定螺栓将所述摩擦力测量装置固定在所述外周侧模板对应的位置上；
步骤D2：将所述混凝土预制件的钢筋笼放入所述预制件模板内，并将所述摩擦力测量装置的电缆沿着钢筋走线并隐藏在所述预制件模板的内周侧模板上的预留孔洞内，然后向所述预制件模板浇筑混凝土，以完成所述混凝土预制件的浇筑施工；
步骤E2：待所述混凝土预制件脱模后，将所述摩擦力测量装置的电缆由所述预留孔洞引出；按照拼装编号在所述监测区域内完成全部所述混凝土预制件的拼装，所述地下工程衬砌的施工完毕；将所述摩擦力测量装置的电缆沿着所述地下工程衬砌的内表面汇总，并与数据采集设备信号连接，实现所述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力数据的自动采集。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，所述滑动垫板上开设有摩擦盒侧滑限位槽，所述摩擦盒上设置有摩擦盒侧滑限位台阶，所述摩擦盒通过所述摩擦盒侧滑限位台阶和所述摩擦盒侧滑限位槽的凹凸配合作用安装在所述滑动垫板上；所述摩擦盒侧滑限位台阶和所述摩擦盒侧滑限位槽的形状和大小相匹配，并且所述摩擦盒侧滑限位台阶与所述摩擦盒侧滑限位槽之间间隙配合以使得所述摩擦盒可以沿所述摩擦盒侧滑限位槽的长度方向滑动，所述摩擦盒侧滑限位槽的长度方向与所述感应器的长度方向平行；
所述感应器位于所述滑动垫板与所述摩擦盒形成的空间内，且所述感应器的一端通过感应器安装固定板固定安装在所述固定支撑机构上，另一端通过螺栓与所述摩擦盒固定连接；
所述滑动垫板固定安装在所述固定支撑机构上；所述固定支撑机构上设有电缆固定接头，所述感应器的感应器电缆通过所述电缆固定接头穿出到所述固定支撑机构的下方；所述阻断机构套箍在所述摩擦盒的四周外侧壁面上；
所述滑动垫板由非金属材质制作而成，所述非金属材质为PTFE聚四氟乙烯塑料、PEEK聚醚醚酮塑料、PEKK聚醚酮酮塑料、FRP纤维增强复合塑料、PPS聚苯硫醚塑料、酚醛塑料或PVC聚氯乙烯塑料中的一种或两种及以上的组合；所述底座托盘为金属板。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，所述摩擦盒为顶面开口、底面设有感应器安装保护罩的大金属盒，所述感应器安装保护罩为底面开口的小金属盒，且所述感应器安装保护罩临近所述感应器安装固定板的侧面为开口状，且侧面开口的尺寸与所述感应器安装固定板的尺寸相匹配；所述感应器安装保护罩与所述摩擦盒的侧壁以及所述摩擦盒的底面一体成型；
所述感应器位于所述感应器安装保护罩内，且所述感应器的另一端通过感应器固定螺母与所述感应器安装保护罩远离所述感应器安装固定板的内侧壁固定连接；
所述感应器安装固定板的一端通过感应器安装固定板斜撑固定安装在所述固定支撑机构上，另一端穿过所述滑动垫板的预留矩形孔与所述感应器固定连接；所述滑动垫板通过沉头螺钉固定安装在所述固定支撑机构上。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，所述阻断机构包括可塑外壳和位于所述可塑外壳四周的可塑外壳限位挡板，所述可塑外壳的外侧面抵顶在所述可塑外壳限位挡板上；所述可塑外壳限位挡板固定安装在所述固定支撑机构上，所述可塑外壳也固定安装在所述固定支撑机构上，所述可塑外壳的内侧面紧贴所述测量机构；所述可塑外壳限位挡板有两个或两个以上，两个或两个以上的所述可塑外壳限位挡板围绕所述测量机构圆周方向等间距分布，靠近所述测量机构的感应器的所述可塑外壳限位挡板上开有豁口；所述可塑外壳由乙丙橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶或硫化橡胶中的一种或两种及以上的材料制作而成。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，所述可塑外壳包括上部中空结构段、中间分割槽段和下部实心结构段，所述上部中空结构段通过所述中间分割槽段与所述下部实心结构段固定连接，所述中间分割槽段的横向厚度小于所述下部实心结构段和所述上部中空结构段的横向厚度，并且所述中间分割槽段外侧与所述可塑外壳的外侧面平齐，所述上部中空结构段与所述下部实心结构段之间形成沿横向的分割槽，且所述分割槽的开口端朝向所述测量机构；所述上部中空结构段邻近所述测量机构的侧壁上自上而下依次设置有1道唇边条和两道或两道以上相同长度的抵紧条，所述唇边条与相邻的所述抵紧条之间以及相邻的所述抵紧条之间为阻断槽，所述上部中空结构段内自上而下依次设置有两个或两个以上的椭圆空心孔；所述下部实心结构段为底部可胶结固定的固定条，所述固定条的底部通过胶结的方式固定在所述固定支撑机构上；
在自然状态下：在朝向所述测量机构的方向上所述唇边条端头与所述固定条端头上下平齐，所述唇边条的横向长度小于所述抵紧条的横向长度；在所述可塑外壳套箍到所述测量机构上的状态下：所述抵紧条在所述测量机构的挤压作用下发生侧弯，此时所述唇边条端头、所述抵紧条端头与所述固定条均紧贴所述测量机构；在所述测量装置的工作状态下：所述唇边条、所述抵紧条和所述椭圆空心孔均发生变形，所述唇边条的端头和所述抵紧条的端头至所述可塑外壳外侧面的横向距离相等，且小于所述固定条朝向所述测量机构的端头至所述可塑外壳外侧面的横向距离。
上述地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，在自然状态下：所述唇边条的横向长度比所述抵紧条的横向长度小15～30％；所述椭圆空心孔的横截面积是所述上部中空结构段的横截面积的10～20％。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
(1)本发明中使用的测量装置的测量原理是：利用可塑外壳壳身挤压变形特性阻断周边混凝土对摩擦盒内试件的作用和约束限制，将摩擦盒内被测混凝土试件与围岩接触面的摩擦力通过摩擦盒传导至底部与其相连的感应器，感应器可将感知到的接触摩擦力转换为钢弦频率的变化量或电阻元件的阻值变化量，感应器输出的频率或电阻等模拟量信号再通过数据采集终端被采集，最后经过软件数据处理后还原为摩擦力值。
(2)本发明提供的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法施工简单，易于操作，可以实现对地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的实时监测，有利于判断地下工程衬砌结构的安全状况，降低因断层滑移带等特殊地质条件诱发的地下工程建设安全事故的发生风险。
附图说明
图1本发明摩擦力测量装置结构示意图；
图2本发明摩擦力测量装置组装图；
图3本发明摩擦力测量装置另一张组装图；
图4本发明摩擦力测量装置组装体剖视图；
图5本发明摩擦力测量装置剖面图；
图6本发明摩擦力测量装置中可塑外壳的横断面图；
图7本发明摩擦力测量装置中可塑外壳自然状态下结构示意图；
图8本发明摩擦力测量装置中可塑外壳组装状态下结构示意图；
图9本发明摩擦力测量装置中可塑外壳测量状态下结构示意图；
图10本发明实施例1摩擦力测量装置的安装示意图；
图11本发明实施例2摩擦力测量装置的安装示意图；
图12本发明摩擦力测量装置的安装位置和安装方向示意图。
图中附图标记表示为：1-可塑外壳；2-摩擦盒；3-感应器安装保护罩；4-感应器；5-底座托盘；6-可塑外壳限位挡板；7-感应器固定螺母；8-底座托盘固定孔；9-感应器安装固定板；10-沉头螺钉；11-滑动垫板；12-摩擦盒侧滑限位槽；13-摩擦盒侧滑限位台阶；14-电缆固定接头；15-感应器安装固定板斜撑；16-底座固定钢筋；17-唇边条；18-抵紧条；19-固定条；20-椭圆空心孔；21-分割槽；22-围岩；23-膨胀混凝土；24-固定螺栓；25-外周侧模板；26-滑移方向；27-断层滑移带；28-初期支护；29-地下工程衬砌；30-隧道；31-钢拱架；32-垂直隧道轴线方向布置的摩擦力测量装置；33-平行断层滑移带方向布置的摩擦力测量装置。
具体实施方式
实施例1
本实施例以现浇衬砌的铁路隧道为施工测试点，采用地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法进行测定监测，摩擦力测量装置的安装示意图如图10所示，具体施工步骤如下：
步骤A1：对掘进工作面进行超前探测，确定断层滑移带27位置；选取断层滑移带27前5榀钢拱架31至断层滑移带27后5榀钢拱架31的范围作为监测区域；
步骤B1：继续掘进，并在揭露断层滑移带27之后完成隧道30的初期支护28；在监测区域内的初期支护28表面确定摩擦力测量装置的安装点位，安装点位为两个或两个以上；用测量设备对安装点位进行测量定位并编号，同时根据断层滑移带27的位置和方向确定摩擦力测量装置的安装方向；摩擦力测量装置的安装方向为：与断层滑移带27的滑移方向26平行，或者与隧道30掘进方向的中轴线垂直，如图12所示，本实施例垂直隧道轴线方向布置的摩擦力测量装置32共安装3个，平行断层滑移带方向布置的摩擦力测量装置共安装4个；
步骤C1：在衬砌钢筋绑扎过程中，将摩擦盒2内装满与地下工程衬砌29同标号的混凝土，然后将摩擦力测量装置按照其安装方向抵顶在初期支护28的表面(在本实施例中，使得摩擦力测量装置中摩擦盒内的混凝土外表面抵顶在初期支护28的表面，摩擦盒2内的混凝土外表面即为摩擦力测量接触面)，并通过将底座托盘5四角的底座固定钢筋16与衬砌钢筋网牢固绑扎，完成摩擦力测量装置固定；
步骤D1：将各个点位的摩擦力测量装置的电缆沿衬砌钢筋网汇总后一并隐藏至地下工程衬砌29的预留孔洞中；进行混凝土的浇筑，以完成地下工程衬砌29的施工；
步骤E1：待地下工程衬砌29脱模后，地下工程衬砌29的施工完毕；将摩擦力测量装置的电缆由预留孔洞引出，与数据采集设备信号连接，实现地下工程衬砌29与围岩22接触面摩擦力数据的自动采集。在采用摩擦力测量装置测量地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力时，初期支护与围岩为一体，因而通过浇筑混凝土的方式将摩擦力测量装置预埋在地下工程衬砌中，并使摩擦盒内的混凝土外表面抵顶在初期支护28的表面，测量和监测得到地下工程衬砌与初期支护之间的摩擦力，从而实现地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测定监测。
本实施例所用的摩擦力测量装置具体包括用于测量接触面摩擦力的测量机构、用于固定和支撑测量机构的固定支撑机构和用于消除测量机构周围压力影响的阻断机构；测量机构和阻断机构均固定安装在固定支撑机构上，测量机构位于阻断机构、固定支撑机构和围岩围成的空间内；如图5所示，测量机构包括滑动垫板11、摩擦盒2和感应器4，阻断机构包括可塑外壳1和位于可塑外壳1四周的可塑外壳限位挡板6，固定支撑机构包括底座托盘5和底座固定钢筋16。
如图2和图3所示，滑动垫板11上开设有摩擦盒侧滑限位槽12，摩擦盒2上设置有摩擦盒侧滑限位台阶13，摩擦盒2通过摩擦盒侧滑限位台阶13和摩擦盒侧滑限位槽12的凹凸配合作用安装在滑动垫板11上；摩擦盒侧滑限位台阶13和摩擦盒侧滑限位槽12的形状和大小相匹配，并且摩擦盒侧滑限位台阶13与摩擦盒侧滑限位槽12之间间隙配合以使得摩擦盒2可以沿摩擦盒侧滑限位槽12的长度方向小幅度滑动，摩擦盒侧滑限位槽12的长度方向与感应器4的长度方向平行。
如图4所示，滑动垫板11通过沉头螺钉10固定安装在底座托盘5上【滑动垫板11介于底座托盘5和摩擦盒2之间，其功能是为摩擦盒2提供垂直方向的支撑，避免底座托盘5和摩擦盒2直接接触锈蚀，同时减少摩擦盒2底面水平方向摩擦力】；底座托盘5上设有电缆固定接头14【底座托盘5上开设有电缆穿线孔，电缆固定接头14安装在电缆穿线孔上，电缆固定接头14可以保证电缆穿线孔与电缆见的密封性，达到防水的效果】，感应器4的感应器电缆通过电缆固定接头14穿出到底座托盘5的下方；可塑外壳1套箍在摩擦盒2的四周外侧壁面上；滑动垫板11在感应器4安装位置预留矩形孔，感应器安装固定板9通过该孔伸出滑动垫板11；滑动垫板11采用PTFE聚四氟乙烯塑料制作而成。
如图1所示，摩擦盒2为顶面开口、底面设有感应器安装保护罩3的金属盒，感应器安装保护罩3为底面开口的倒置金属盒，感应器安装保护罩3的一个侧面为开口状，且开口于摩擦盒2的一个侧面上；感应器安装保护罩3的尺寸与摩擦盒2的侧壁以及摩擦盒2的底面一体成型；摩擦盒2的功能包括两方面：一是为制作与埋设位置采用相同标号混凝土的被测试件提供载体；二是将其内被测试件与围岩接触面的摩擦力传导至底部与其相连的感应器4。
感应器4位于感应器安装保护罩3内，且感应器4的一端通过感应器安装固定板9固定安装在底座托盘5上，另一端通过感应器固定螺母7与感应器安装保护罩3远离感应器安装固定板9的内侧壁固定连接；感应器安装固定板9的尺寸与感应器安装保护罩3的开口侧面的尺寸相匹配；感应器4可将感知到的摩擦盒2内混凝土与围岩之间的接触摩擦力转换为钢弦频率的变化量或电阻元件的阻值变化量，感应器4输出的频率或电阻等模拟量信号再通过数据采集终端被采集【关于感应器测量轴向力的技术原理为现有技术，本实施例不做具体描述】。
感应器安装固定板9的一端通过感应器安装固定板斜撑15固定安装在底座托盘5上【感应器安装固定板9焊接在底座托盘5上，感应器安装固定板斜撑15也安装在底座托盘5上，感应器安装固定板斜撑15的作用时加强感应器安装固定板9与底座托盘5的连接的稳定性】，另一端穿过滑动垫板11的预留矩形孔与感应器4固定连接。
如图5所示，可塑外壳1的外侧面抵顶在可塑外壳限位挡板6上【可塑外壳限位挡板6的作用是为可塑外壳1的外侧面提供支撑】；可塑外壳限位挡板6固定安装在底座托盘5上，可塑外壳1也固定安装在底座托盘5上，可塑外壳1的内侧面紧贴摩擦盒2；可塑外壳限位挡板6有四个，四个可塑外壳限位挡板6围绕摩擦盒2圆周方向等间距分布，靠近感应器安装固定板9的可塑外壳限位挡板6上开有豁口，【该豁口的设置是便于安装感应器4，同时方便确认摩擦力测量装置在监测安装过程中的测力方向】；可塑外壳1由三元乙丙橡胶制作而成，自身具有粘弹性和韧性，外力挤压作用下可变形收缩，外力撤出可回弹自行复原。
如图6所示，可塑外壳1包括上部中空结构段、中间分割槽段和下部实心结构段，上部中空结构段通过中间分割槽段与下部实心结构段固定连接，中间分割槽段的横向厚度小于下部实心结构段和上部中空结构段的横向厚度，并且中间分割槽段外侧与可塑外壳1的外侧面平齐，上部中空结构段与下部实心结构段之间形成沿横向的分割槽21，且分割槽21的开口端朝向摩擦盒2；上部中空结构段邻近摩擦盒2的侧壁上自上而下依次设置有1道唇边条17和5道相同长度的抵紧条18，唇边条17与相邻的抵紧条18之间以及相邻的抵紧条18之间为阻断槽，上部中空结构段内自上而下依次设置有3个椭圆空心孔20(上部中空结构段和中间分割槽段起到吸收变形的作用)；下部实心结构段为底部可胶结固定的固定条19，固定条19的底部通过胶结的方式【固定条19的底面通过胶结剂固定于底座托盘5上】固定在底座托盘5上。可塑外壳1的功能包括两个方面，一是通过可塑外壳1的套箍作用将摩擦盒2约束在滑动垫板11上；二是将被测的摩擦盒2与测量装置周边的混凝土相互分隔开，通过其自身具有的可挤压变形特性，阻断周边混凝土对摩擦盒2的作用和约束限制，便于对测量摩擦盒2内混凝土与围岩接触面的摩擦力。
如图7至图9所示，在自然状态下：在朝向测量机构的方向上唇边条17端头与固定条19端头上下平齐，唇边条17的横向长度小于抵紧条18的横向长度；在可塑外壳1套箍到摩擦盒2上的状态下：抵紧条18在摩擦盒2的挤压作用下发生侧弯，此时唇边条17端头、抵紧条18端头与固定条19均紧贴摩擦盒2；在测量装置工作状态下：唇边条17、抵紧条18和椭圆空心孔20均发生变形，唇边条17的端头和抵紧条18的端头至可塑外壳1外侧面的横向距离相等，且小于固定条19朝向测量机构的端头至可塑外壳1外侧面的横向距离。在自然状态下：唇边条17的横向长度比抵紧条18的横向长度小15％；椭圆空心孔20的横截面积是上部中空结构段的横截面积的20％；
如图5所示，底座固定钢筋16通过底座托盘固定孔8固定安装在底座托盘5上，底座托盘固定孔8等间距分布在底座托盘5的四个角上；且底座固定钢筋16与测量机构和阻断机构分别位于底座托盘5的两侧，底座固定钢筋16的作用是：通过底座固定钢筋16将测量装置固定在待测位置。
实施例2
本实施例以采用混凝土预制件(管片)拼装的地下工程结构作为施工测试点，采用地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法进行测定监测，摩擦力测量装置的安装示意图如图11所示，具体施工步骤如下：
步骤A2：根据地质钻孔或工作面超前探测资料，确定断层滑移带27的位置，选取断层滑移带上下两侧之间的范围为作接触面摩擦力的监测区域，同时确定该范围所对应的混凝土预制件的拼装编号；选取断层滑移带27前3榀钢拱架31至断层滑移带27后3榀钢拱架31的范围作为监测区域；
步骤B2：掘进并揭露断层滑移带27，完成隧道30的初期支护28；根据探测资料揭露的断层滑移带27的位置和方向，确定不同拼装编号的混凝土预制件上摩擦力测量装置的安装点位和安装方向；摩擦力测量装置的安装方向为：与断层滑移带27的滑移方向26平行，或者与隧道30掘进方向的中轴线垂直，如图12所示，本实施例垂直隧道轴线方向布置的摩擦力测量装置32共安装3个，平行断层滑移带方向布置的摩擦力测量装置共安装4个；
步骤C2：在混凝土预制件的制作过程中，采用预制件模板混凝土浇筑的方式制作预制件(管片)，预制件模板包括外周侧模板25、内周侧模板以及端面模板；端面模板有4块且两两相对；将摩擦力测量装置的摩擦盒2中装满与地下工程衬砌29同标号的混凝土，然后在预制件模板的外周侧模板25对应的位置上按照步骤B2中确定好的方向安装摩擦力测量装置，使得摩擦盒2内的混凝土外表面抵顶在外周侧模板25的内表面上，摩擦盒2内的混凝土外表面即为摩擦力测量接触面【当预制件浇筑完成后，将预制件模板脱模，摩擦盒2内的混凝土外表面因外周侧模板25的脱模而外露，在将预制件(管片)拼装成地下工程衬砌时，摩擦盒2内的混凝土外表面就刚好可以抵顶在初期支护28的内表面上】；通过底座托盘5四角上的底座托盘固定孔8并采用固定螺栓24将摩擦力测量装置固定在外周侧模板25对应的位置上；
步骤D2：将混凝土预制件的钢筋笼放入预制件模板内，并将摩擦力测量装置的电缆沿着钢筋走线并隐藏在预制件模板的内周侧模板上的预留孔洞内，然后向预制件模板浇筑混凝土，以完成混凝土预制件的浇筑施工；
步骤E2：待混凝土预制件脱模后，将摩擦力测量装置的电缆由预留孔洞引出；按照拼装编号在监测区域内完成全部混凝土预制件(管片)的拼装，地下工程衬砌29的施工完毕；将摩擦力测量装置的电缆沿着地下工程衬砌29的内表面汇总，并与数据采集设备信号连接，实现地下工程衬砌29与围岩22接触面摩擦力数据的自动采集。
本实施例所用的摩擦力测量装置与实施例1相比其结构区别仅在于：底座托盘5上不需要安装底座固定钢筋16，而是直接通过底座托盘固定孔8，采用螺栓将摩擦力测量装置固定在需要测量摩擦力的位置。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：通过超前探测，确定断层滑移带(27)的位置，划定接触面摩擦力的监测区域；
步骤B：掘进并揭露所述断层滑移带(27)，完成隧道(30)的初期支护(28)；在所述监测区域内确定摩擦力测量装置的安装点位和所述摩擦力测量装置安装方向；
步骤C：安装和固定所述摩擦力测量装置，所述摩擦力测量装置的摩擦力测量接触面与初期支护(28)的表面抵紧；所述摩擦力测量装置包括用于测量接触面摩擦力的测量机构、用于固定和支撑所述测量机构的固定支撑机构和用于消除所述测量机构周围压力影响的阻断机构；所述测量机构和所述阻断机构均固定安装在所述固定支撑机构上，所述测量机构位于所述阻断机构、所述固定支撑机构和围岩围成的空间内；
步骤D：将所述摩擦力测量装置的电缆隐藏到地下工程衬砌(29)的预留孔洞中，并施工所述地下工程衬砌(29)；
步骤E：待所述地下工程衬砌(29)施工完毕后，将所述摩擦力测量装置的电缆沿所述预留孔洞引出，并与数据采集设备信号连接，实现所述地下工程衬砌(29)与围岩接触面摩擦力数据的自动采集。
2.根据权利要求1所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，在步骤A中，选取所述断层滑移带(27)前3～5榀钢拱架(31)至所述断层滑移带(27)后3～5榀钢拱架(31)的范围作为所述监测区域；或者选取所述断层滑移带(27)上侧至所述断层滑移带(27)下侧的范围作为所述监测区域。
3.根据权利要求1所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，在步骤B中，所述摩擦力测量装置的安装方向为：与所述断层滑移带(27)平行，或者与所述隧道(30)掘进方向的中轴线垂直，或者围岩(22)可能发生滑移的其它方向。
4.根据权利要求1所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述测量机构包括滑动垫板(11)、摩擦盒(2)和感应器(4)；所述固定支撑机构包括底座托盘(5)，所述底座托盘(5)上开设有底座托盘固定孔(8)，底座固定钢筋(16)的一端通过底座托盘固定孔(8)固定安装在所述底座托盘(5)上；所述地下工程衬砌(29)为现浇混凝土衬砌结构时，包括如下步骤：
步骤A1：对掘进工作面进行超前探测，确定所述断层滑移带(27)位置；选取所述断层滑移带(27)前后两侧之间的范围作为接触面摩擦力的所述监测区域；
步骤B1：继续掘进，并在揭露所述断层滑移带(27)之后完成所述隧道(30)的初期支护(28)；在所述监测区域内的所述初期支护(28)表面确定所述摩擦力测量装置的安装点位，所述安装点位为两个或两个以上；用测量设备对所述安装点位进行测量定位并编号，同时根据所述断层滑移带(27)的位置和方向确定所述摩擦力测量装置的安装方向；
步骤C1：在衬砌钢筋绑扎过程中，将所述摩擦盒(2)内装满与所述地下工程衬砌(29)同标号的混凝土，然后将所述摩擦力测量装置按照其安装方向使得所述摩擦盒(2)内的混凝土外表面抵顶在所述初期支护(28)的表面，所述摩擦盒(2)内的混凝土外表面即为所述摩擦力测量接触面，并通过将所述底座托盘(5)四角的所述底座固定钢筋(16)与衬砌钢筋网牢固绑扎，完成所述摩擦力测量装置固定；
步骤D1：将各个点位的所述摩擦力测量装置的电缆沿所述衬砌钢筋网汇总后一并隐藏至所述地下工程衬砌(29)的预留孔洞中；进行混凝土的浇筑，以完成所述地下工程衬砌(29)的施工；
步骤E1：待所述地下工程衬砌(29)脱模后，所述地下工程衬砌(29)的施工完毕；将所述摩擦力测量装置的电缆由所述预留孔洞引出，与数据采集设备信号连接，实现所述地下工程衬砌(29)与围岩接触面摩擦力数据的自动采集。
5.根据权利要求1所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述测量机构包括滑动垫板(11)、摩擦盒(2)和感应器(4)；所述固定支撑机构包括底座托盘(5)，所述底座托盘(5)上的四角开设有底座托盘固定孔(8)；所述地下工程衬砌(29)为混凝土预制件拼装衬砌结构时，包括如下步骤：
步骤A2：根据地质钻孔或工作面超前探测资料，确定所述断层滑移带(27)的位置，选取断层滑移带上下两侧之间的范围为作接触面摩擦力的监测区域，同时确定该范围所对应的所述混凝土预制件的拼装编号；
步骤B2：掘进并揭露所述断层滑移带(27)，完成隧道(30)的初期支护(28)；根据探测资料揭露的所述断层滑移带(27)的位置和方向，确定不同拼装编号的所述混凝土预制件上所述摩擦力测量装置的安装点位和安装方向；
步骤C2：在所述混凝土预制件的制作过程中，将所述摩擦力测量装置的摩擦盒(2)中装满与所述地下工程衬砌(29)同标号的混凝土，然后在预制件模板的外周侧模板(25)对应的位置上按照步骤B2中确定好的方向安装所述摩擦力测量装置，使得所述摩擦盒(2)内的混凝土外表面抵顶在所述外周侧模板(25)的内表面上，所述摩擦盒(2)内的混凝土外表面即为所述摩擦力测量接触面；通过所述底座托盘(5)四角上的所述底座托盘固定孔(8)并采用固定螺栓(24)将所述摩擦力测量装置固定在所述外周侧模板(25)对应的位置上；
步骤D2：将所述混凝土预制件的钢筋笼放入所述预制件模板内，并将所述摩擦力测量装置的电缆沿着钢筋走线并隐藏在所述预制件模板的内周侧模板上的预留孔洞内，然后向所述预制件模板浇筑混凝土，以完成所述混凝土预制件的浇筑施工；
步骤E2：待所述混凝土预制件脱模后，将所述摩擦力测量装置的电缆由所述预留孔洞引出；按照拼装编号在所述监测区域内完成全部所述混凝土预制件的拼装，所述地下工程衬砌(29)的施工完毕；将所述摩擦力测量装置的电缆沿着所述地下工程衬砌(29)的内表面汇总，并与数据采集设备信号连接，实现所述地下工程衬砌(29)与围岩接触面摩擦力数据的自动采集。
6.根据权利要求4或5所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述滑动垫板(11)上开设有摩擦盒侧滑限位槽(12)，所述摩擦盒(2)上设置有摩擦盒侧滑限位台阶(13)，所述摩擦盒(2)通过所述摩擦盒侧滑限位台阶(13)和所述摩擦盒侧滑限位槽(12)的凹凸配合作用安装在所述滑动垫板(11)上；所述摩擦盒侧滑限位台阶(13)和所述摩擦盒侧滑限位槽(12)的形状和大小相匹配，并且所述摩擦盒侧滑限位台阶(13)与所述摩擦盒侧滑限位槽(12)之间间隙配合以使得所述摩擦盒(2)可以沿所述摩擦盒侧滑限位槽(12)的长度方向滑动，所述摩擦盒侧滑限位槽(12)的长度方向与所述感应器(4)的长度方向平行；
所述感应器(4)位于所述滑动垫板(11)与所述摩擦盒(2)形成的空间内，且所述感应器(4)的一端通过感应器安装固定板(9)固定安装在所述固定支撑机构上，另一端通过螺栓与所述摩擦盒(2)固定连接；
所述滑动垫板(11)固定安装在所述固定支撑机构上；所述固定支撑机构上设有电缆固定接头(14)，所述感应器(4)的感应器电缆通过所述电缆固定接头(14)穿出到所述固定支撑机构的下方；所述阻断机构套箍在所述摩擦盒(2)的四周外侧壁面上；
所述滑动垫板(11)由非金属材质制作而成，所述非金属材质为PTFE聚四氟乙烯塑料、PEEK聚醚醚酮塑料、PEKK聚醚酮酮塑料、FRP纤维增强复合塑料、PPS聚苯硫醚塑料、酚醛塑料或PVC聚氯乙烯塑料中的一种或两种及以上的组合；所述底座托盘(5)为金属板。
7.根据权利要求6所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述摩擦盒(2)为顶面开口、底面设有感应器安装保护罩(3)的大金属盒，所述感应器安装保护罩(3)为底面开口的小金属盒，且所述感应器安装保护罩(3)临近所述感应器安装固定板(9)的侧面为开口状，且侧面开口的尺寸与所述感应器安装固定板(9)的尺寸相匹配；所述感应器安装保护罩(3)与所述摩擦盒(2)的侧壁以及所述摩擦盒(2)的底面一体成型；
所述感应器(4)位于所述感应器安装保护罩(3)内，且所述感应器(4)的另一端通过感应器固定螺母(7)与所述感应器安装保护罩(3)远离所述感应器安装固定板(9)的内侧壁固定连接；
所述感应器安装固定板(9)的一端通过感应器安装固定板斜撑(15)固定安装在所述固定支撑机构上，另一端穿过所述滑动垫板(11)的预留矩形孔与所述感应器(4)固定连接；所述滑动垫板(11)通过沉头螺钉(10)固定安装在所述固定支撑机构上。
8.根据权利要求4或5所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述阻断机构包括可塑外壳(1)和位于所述可塑外壳(1)四周的可塑外壳限位挡板(6)，所述可塑外壳(1)的外侧面抵顶在所述可塑外壳限位挡板(6)上；所述可塑外壳限位挡板(6)固定安装在所述固定支撑机构上，所述可塑外壳(1)也固定安装在所述固定支撑机构上，所述可塑外壳(1)的内侧面紧贴所述测量机构；所述可塑外壳限位挡板(6)有两个或两个以上，两个或两个以上的所述可塑外壳限位挡板(6)围绕所述测量机构圆周方向等间距分布，靠近所述测量机构的感应器(4)的所述可塑外壳限位挡板(6)上开有豁口；所述可塑外壳(1)由乙丙橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶或硫化橡胶中的一种或两种及以上的材料制作而成。
9.根据权利要求8所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，所述可塑外壳(1)包括上部中空结构段、中间分割槽段和下部实心结构段，所述上部中空结构段通过所述中间分割槽段与所述下部实心结构段固定连接，所述中间分割槽段的横向厚度小于所述下部实心结构段和所述上部中空结构段的横向厚度，并且所述中间分割槽段外侧与所述可塑外壳(1)的外侧面平齐，所述上部中空结构段与所述下部实心结构段之间形成沿横向的分割槽(21)，且所述分割槽(21)的开口端朝向所述测量机构；所述上部中空结构段邻近所述测量机构的侧壁上自上而下依次设置有1道唇边条(17)和两道或两道以上相同长度的抵紧条(18)，所述唇边条(17)与相邻的所述抵紧条(18)之间以及相邻的所述抵紧条(18)之间为阻断槽，所述上部中空结构段内自上而下依次设置有两个或两个以上的椭圆空心孔(20)；所述下部实心结构段为底部可胶结固定的固定条(19)，所述固定条(19)的底部通过胶结的方式固定在所述固定支撑机构上；
在自然状态下：在朝向所述测量机构的方向上所述唇边条(17)端头与所述固定条(19)端头上下平齐，所述唇边条(17)的横向长度小于所述抵紧条(18)的横向长度；在所述可塑外壳(1)套箍到所述测量机构上的状态下：所述抵紧条(18)在所述测量机构的挤压作用下发生侧弯，此时所述唇边条(17)端头、所述抵紧条(18)端头与所述固定条(19)均紧贴所述测量机构；在所述测量装置的工作状态下：所述唇边条(17)、所述抵紧条(18)和所述椭圆空心孔(20)均发生变形，所述唇边条(17)的端头和所述抵紧条(18)的端头至所述可塑外壳(1)外侧面的横向距离相等，且小于所述固定条(19)朝向所述测量机构的端头至所述可塑外壳(1)外侧面的横向距离。
10.根据权利要求9所述的地下工程衬砌与围岩接触面摩擦力的测量方法，其特征在于，在自然状态下：所述唇边条(17)的横向长度比所述抵紧条(18)的横向长度小15～30％；所述椭圆空心孔(20)的横截面积是所述上部中空结构段的横截面积的10～20％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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