CN116241300B - 一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统，包括铍铜预应力锚杆和预应力控制系统，铍铜预应力锚杆包括摩阻锥体、杆体、铍铜锚杆外壳、预应力控制装置、土压力传感器、光纤传感器；预应力控制系统包括围岩变形处理单元、显示单元和预应力控制装置。本发明的实施步骤如下：1)根据地质勘查情况初步确定预应大小，制得一定预应力的铍铜锚杆；2)将预应力锚杆打入围岩中；3)注浆；4)当围岩压力超过阈值后，锚杆通过自身结构特性变细；5)围岩受压变形情况通过传感器传给处理单元，通过显示单元控制预应力控制装置，从而控制围岩变形。通过本发明预应力自平衡锚固系统，可实现调节锚杆，有效解决膨胀岩隧道仰拱变形。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统。
背景技术
仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效的传递到地下，而且还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。仰拱与二次衬砌构成隧道整体，增加结构稳定性。
长期以来，国内外众多学者和专家针对隧道仰拱隆起变形现象，从理论分析和室内实验、现场监测和数值计算等多种手段来研究隧道仰拱隆起变形的现象，获得了众多理论和技术成果。目前对隧道仰拱隆起变形现象的研究主要集中于以下三个方向：高地应力、膨胀性围岩、地下水。
在高地应力作用下，围岩受压导致隧道底鼓变形、围岩开裂。膨胀岩隧道中，高地应力的产生是由于膨胀造成的，因此，可利用一种NPR结构使围岩膨胀变形时向锚杆轴线方向膨胀，从而保护仰拱不受破坏。
铍铜合金是一种可锻可铸合金，属时效析出强化的铜基合金，经淬火时效处理后具有高的强度、硬度、弹性极限，并且稳定性好，具有耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温、无磁性、导电导热性好、冲击时不会产生火花等一系列优点，被誉为“有色弹性材料之王”铍铜材料分为高强高弹性铍铜合金(含铍量为1.6％～2.1％)和高导电铍铜合金(含铍量为0.2％～0.7％)；高强高弹性铍铜合金伸长率可达30％～60％，可达一般钢材的2～6倍，抗拉强度与钢材相似。
发明内容
本发明提供了一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统，目的在于提供一种隧道底板围岩监测系统，以控制膨胀岩隧道底鼓变形的问题，改善隧道的受力状况。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统，预应力自平衡锚固系统包括预应力控制装置、显示单元和布设于隧道底板围岩上的预应力锚杆；
所述预应力锚杆为NPR结构，锚杆的杆芯沿长度方向包括间隔布设的圆柱形杆体和圆台形摩阻锥体，杆体和摩阻锥体一体成型，摩阻锥体直径大于杆体，杆芯顶端为杆体、底端为摩阻锥体，摩阻锥体的大头朝上小头朝下，杆芯顶端杆体上设有外螺纹；摩阻锥体的圆周面上设有环形台阶状的螺旋槽；
杆芯外包裹有圆管形的铍铜锚杆外壳，铍铜锚杆外壳上设有若干注浆孔，铍铜锚杆外壳上还设有土压力传感器和光纤传感器，土压力传感器间隔布设；
所述预应力控制系统包括钻机与钻头，钻头与杆芯顶端的杆体固定连接；
所述显示单元上信号连接有控制单元，控制单元信号连接土压力传感器和光纤传感器，显示单元用于显示传感器监测的数值；当压力传感器或光纤传感器监测到压力或应变值超过阈值，预应力控制系统钻机开始工作，带动杆体上移，锚杆抗拔力增加，钻机停止工作；
预应力自平衡锚固系统的实时方法包括以下步骤：
1)根据地质勘查情况初步确定围岩预应大小，根据围岩预应力大小制备相应的预应力锚杆；
2)将预应力锚杆打入围岩中；
3)通过铍铜锚杆外壳上的注浆孔进行注浆。
进一步地，所述注浆压力为0.4MPa～2MPa。
本方案可行性分析：
在膨胀岩隧道围岩变形中，围岩变形量较大，采用NPR结构可有效解决变形较大的膨胀软岩变形问题。
如图1所示，取摩阻锥体上一小段分析，当锚杆受压时，锥体沿斜面的推力为ΔFtanθ；在平面上，当向上的推力沿螺纹方向的分量大于螺纹自身阻力时，锚杆向上移动，锚杆变细。
岩石的膨胀力是指岩石试样浸水后保持原有体积不变所需的压力。当锚杆变细后，锚杆所受膨胀力导致的向上的推力与螺纹自身摩阻力平衡，从而使锚杆受压稳定。
由图2莫尔圆可知，当锚杆所受压力恒定时，仰拱所受压力亦为一定值。
以下为部分推导过程：
图3为力传递图，如图3所示在围岩压力σ11作用下，围岩压力传递给摩阻锥体，至使摩阻锥体与杆体上移，之后锚杆外壳伸长，锚杆支护力提高，在岩体压力不变的情况下，锚岩承载拱所能提供的支护力上升。围岩压力至杆体的应力传递过程的推导如下所示：
作用于摩阻锥体的总应力由两方面提供，一部分为围岩自身的地应力，一部分是锚杆外壳的预应力
σ1＝σ10+σ11
σ1为作用与摩阻锥体的总应力，σ10为锚杆外壳预应力，σ11为地应力传递与摩阻锥体的应力；
作用在摩阻锥体上的力只有沿锥体向上推的分力对杆体滑动有影响，由力的平衡方程可得摩阻锥体上的有效压力为：
′
FT＝σ1A sinθ
考虑锚头上螺纹的恒定阻力以及螺纹上的恒定阻力，杆体上力的平衡关系为
基于C-M准则求得的锚杆伸长量与锚岩承载拱支护力之间的关系式推导如下所示：
当开挖断面小于临界稳定断面时，围岩也对隧道有支护作用，由此，可以把围岩与仰拱看作一个整体——锚岩承载拱来处理，基于以上理论，当锚杆受压后的伸长率为ε时，围岩与锚杆之间的摩阻力Nk可通过下式计算：
Nk＝frdπdl(1+ε)
锚杆可提供的支护力为：
根据莫尔圆得到的锚岩承载拱提供的总支护力为
FT为摩阻锥体上的有效压力，A′为摩阻锥体与锚杆外壳的总接触面，σ1为作用与摩阻锥体的总应力，σ10为锚杆外壳预应力，σ11为地应力传递与摩阻锥体的应力，θ为锥体斜率，为纹理斜率，μ为内螺纹纹理摩擦因数，FLW为锚头螺纹摩擦力；
σy为仰拱提供的支护力，Nk为锚杆总摩阻力，c为围岩在锚杆加固后的粘聚力，为承载拱围岩的内摩擦角，σ1为锚岩承载拱在支护力σ3作用下的抗压强度，As为锚杆有效截面积，fy为锚杆的屈服强度，b、s分别为锚杆的环向间距和纵向间距，cp为锚岩承载拱在塑性状态下的残余粘聚力，ε为伸长率。
由(2)式可知，该锚杆使锚岩承载拱中的围岩压力不变，但由于锚杆伸长，锚杆提供的支护力增加，锚岩承载拱可提供更多的支护力。
预应力锚杆施工时，锚杆在预应力垫板上施工，使锚杆变形后，不会由于锚杆长度变化导致隧道仰拱变形。因此，本方案在理论上可行。
使用铍铜合金作为仰拱材料的有益效果包括：
高强度和高弹性极限：铍铜合金的强度、硬度和弹性极限都比普通材料高，这使得仰拱可以承受更大的荷载和应力。仰拱作为隧道结构的主要组成部分之一，其强度和稳定性对隧道的安全和可靠性至关重要。
耐蚀、耐磨、耐疲劳和耐低温：隧道是一种恶劣的环境，仰拱在长期使用过程中可能会遭受酸雨、盐腐蚀、磨损、疲劳等各种因素的影响。铍铜合金具有良好的耐蚀、耐磨、耐疲劳和耐低温性能，能够有效延长仰拱的使用寿命。
无磁性和不会产生火花：铍铜合金具有无磁性和不会产生火花等特点，在一些特殊的隧道环境下可以减少不必要的危险和风险，例如在地铁隧道中使用，可以减少电子设备的干扰，降低火灾的风险等。
本发明的有益效果包括：
1.控制隧道底鼓变形问题：本发明提供了一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统，通过预应力锚杆的抗拔力增加，可以有效控制隧道底鼓的变形，改善隧道的受力状况，从而增强隧道的稳定性和安全性。
2.实时监测围岩应力变化：本方案中的土压力传感器和光纤传感器可以实时监测围岩的应力变化，当监测到压力或应变值超过阈值时，预应力控制系统可以启动钻机工作，带动杆体上移，以增加锚杆的抗拔力。
3.提高施工效率：本方案中采用的预应力控制系统能够实现对预应力锚杆的精确控制，提高了施工效率，减少了施工周期和成本，提高了工程的经济效益。
4.提高锚杆的抗拔性能：本方案中采用的NPR结构的预应力锚杆，在杆芯沿长度方向包括间隔布设的圆柱形杆体和圆台形摩阻锥体，这种结构可以增强锚杆的抗拔性能，提高了预应力自平衡锚固系统的可靠性。
5.降低工程风险：本方案中采用的实时监测和控制系统可以对隧道底鼓的变形进行有效控制，减少了工程的风险，从而提高了隧道的安全性和可靠性。
附图说明
图1是摩阻锥体局部的受力分析图；
图2是莫尔圆示意图；
图3是预应力锚杆的受力示意图；
图4是本发明预应力锚杆的结构示意图；
图5是预应力锚杆摩阻锥体及锚杆断面图；
图6是本发明传感器和显示单元的布置示意图；
图7是本发明预应力控制装置的工作原理图；
图中：1-摩阻锥体，2-杆体，3-锚杆外壳，4-光纤传感器，5-土压力传感器，6-显示单元，7-控制单元，8-预应力控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统，预应力自平衡锚固系统包括预应力控制装置、显示单元6和布设于隧道底板围岩上的预应力锚杆。
如图4和5所示，预应力锚杆为NPR结构，锚杆的杆芯沿长度方向包括间隔布设的圆柱形杆体2和圆台形摩阻锥体1，杆体2和摩阻锥体1一体成型，摩阻锥体1直径大于杆体2，杆芯顶端为杆体2、底端为摩阻锥体1，摩阻锥体1的大头朝上小头朝下，杆芯顶端杆体2上设有外螺纹；摩阻锥体1的圆周面上设有环形台阶状的螺旋槽。
杆芯外包裹有圆管形的铍铜锚杆外壳3，铍铜锚杆外壳3上设有若干注浆孔，铍铜锚杆外壳3上还设有土压力传感器5和光纤传感器4，土压力传感器5间隔布设。
预应力控制系统8包括钻机与钻头，钻头与杆芯顶端的杆体2固定连接。
显示单元6上信号连接有控制单元7，控制单元7信号连接土压力传感器5和光纤传感器4，显示单元6用于显示传感器监测的数值；当压力传感器或光纤传感器4监测到压力或应变值超过阈值，预应力控制系统8钻机开始工作，带动杆体2上移，锚杆抗拔力增加，钻机停止工作。
预应力自平衡锚固系统的实时方法包括以下步骤：
1)根据地质勘查情况初步确定围岩预应大小，根据围岩预应力大小制备相应的预应力锚杆；
地应力公式可写为：σ＝ρgh(3)
ρ为岩土体密度，h为锚杆埋深，根据公式可知，锚杆插入后地层的中部地应力与铍铜锚杆周围的压力和锚具外壳的弹性力之和相同时，锚杆将会保持自平衡。
根据地质勘查情况和式(3)、杆体2上力的平衡关系
确定锚杆所需的地应力，利用预应力控制装置将杆芯打入铍铜锚杆外壳3中，制得一定预应力的铍铜锚杆。预应力锚杆的杆芯与钻机钻头是可拆分的，当钻机将杆芯打入铍铜锚杆外壳3后，可以将钻机取出，开始(2)步骤，当预应力锚杆打入围岩中之后，再将预应力控制装置与锚杆相连，实现智能控制锚杆变形。
需要说明的是，由于锚杆的摩阻锥体1上有采取锯齿结构(啃齿状纹理)，当顺着螺纹拧时，摩阻较小，逆着拧时，摩阻较大，其最大摩阻力大于锚杆外壳3的弹性力。因此，不必担心锚杆施加预应力后，锚杆会因为外壳的弹性力而将杆体2挤出去。
铍铜材料的抗拉性能好，其最大伸长率是钢材的2～5倍，强度与钢材相当，可以满足锚杆的变形要求和强度要求。锯齿结构的存在可以起到控制杆芯的作用，在摩阻锥体1以及锚杆外壳3内部，都有这种结构存在，锯齿结构高约0.2～0.3mm。
2)将预应力锚杆打入围岩中；
制作好预应力锚杆后，将钻头取出，然后用普通凿岩机钻孔并清孔，之后插进锚杆。
3)通过铍铜锚杆外壳3上的注浆孔进行注浆，注浆压力为0.4MPa～2MPa。
当围岩压力超过阈值后，锚杆通过自身结构特性变细，围岩受压变形情况通过传感器传给处理单元，通过显示单元6控制预应力控制装置，从而控制围岩变形。
锚杆施工完成后，通过力的自平衡，使得锚杆外壳3伸长，锚杆支护力提高，在岩体压力不变的情况下，锚岩承载拱所能提供的支护力上升。锚杆也会与预应力控制装置、控制单元7相连接，土压力传感器5的数据会传输给控制单元7，然后控制单元7会控制预应力控制装置，对土压力过高，或者仰拱变形严重的地段强行卸压。
Claims (2)
1.一种可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统，其特征在于，预应力自平衡锚固系统包括预应力控制系统、显示单元和布设于隧道底板围岩上的预应力锚杆；
所述预应力锚杆为NPR结构，锚杆的杆芯沿长度方向包括间隔布设的圆柱形杆体和圆台形摩阻锥体，杆体和摩阻锥体一体成型，摩阻锥体直径大于杆体，杆芯顶端为杆体、底端为摩阻锥体，摩阻锥体的大头朝上小头朝下，杆芯顶端杆体上设有外螺纹；摩阻锥体的圆周面上设有环形台阶状的螺旋槽；
杆芯外包裹有圆管形的铍铜锚杆外壳，铍铜锚杆外壳上设有若干注浆孔，铍铜锚杆外壳上还设有土压力传感器和光纤传感器，土压力传感器间隔布设；
所述预应力控制系统包括钻机与钻头，钻头与杆芯顶端的杆体固定连接；
所述显示单元上信号连接有控制单元，控制单元信号连接土压力传感器和光纤传感器，显示单元用于显示传感器监测的数值；当压力传感器或光纤传感器监测到压力或应变值超过阈值，预应力控制系统钻机开始工作，带动杆体上移，锚杆抗拔力增加，钻机停止工作；
预应力自平衡锚固系统的实时方法包括以下步骤：
1)根据地质勘查情况初步确定围岩预应力大小，根据围岩预应力大小制备相应的预应力锚杆；
2)将预应力锚杆打入围岩中；
3)通过铍铜锚杆外壳上的注浆孔进行注浆。
2.根据权利要求1所述的可控制膨胀岩隧道底鼓变形的预应力自平衡锚固系统，其特征在于，所述注浆压力为0.4MPa～2MPa。
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