CN116837896B - 一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构及使用方法，所述机构包括：多个挡土结构件，沿待维护的土体外缘设置一圈，并与土体贴靠，每个挡土结构件均竖向设置；多个拱形梁，配合连接形成多个同心且为闭合状态的环形梁，多个所述环形梁沿竖向间隔嵌设在所述多个挡土结构件上，所述拱形梁的长度方向或环形梁的圆周方向均垂直所述挡土结构件的设置方向；其中，所述挡土结构件内设有第一预应力锚索，所述拱形梁内设有第二预应力锚索，基于所述第一预应力锚索与第二预应力锚索，所述挡土结构件与拱形梁能够配合约束所述土体，抵消所述土体的主动土压力。本发明的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构易施工，并能够有效保护土体，不易倾斜移位。

Description

一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构及使用方法

技术领域

本发明实施例涉及山体或土体结构控制领域，特别涉及一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构及使用方法。

背景技术

近年来城镇化速度越来越快，城市地面空间日渐狭小，为了解决城市地面空间不足问题，配合各项规划纲要要求，近年来地下空间的建设规模增长迅猛，地铁、人防、市政管廊等城市工程需求日渐增大，地下空间开发深度逐渐加深，施工过程中需要采取适当的施工措施，既能保证施工的顺利进行，又不致影响周边建筑物和人员的安全。另外，为了响应防灾减灾规划要求，对于山体的治理投入日渐加大，对山体滑塌、崩塌、滑坡等自然灾害的防护要求明显提高。这就要求对深基坑和高边坡必须做可靠的挡土结构，在设计阶段就需要采取可靠的结构，从工程费用、工期和安全方面进行综合考虑，保证项目具有良好的社会效益和经济效益。目前较高大（6-8m以上）的山体或者土体挡土结构，主要采用以下几种方式：第一，改良土质（土钉墙或土工布等）、改变土质（深层搅拌或高压旋喷等）及构筑重力式挡土墙；第二，采用各种类型的悬臂挡土受力结构（如桩、板、墙等）以及刚性挡土结构，为了避免出现过大的弯矩和位移还需要采用锚杆或者支撑等多种支点；第三，基坑特定地形的压力型闭合拱结构（类似拱坝），拱以凸面迎向受压方向，各截面以受压为主等。

但是对于目前的挡土结构，主要存在的问题如下：

（1）改良土质（土钉墙或土工布等）、改变土质（深层搅拌或高压旋喷等）及构筑重力式挡土墙，其工程难度较低，但需要考虑较高的边坡稳定性，因此需要具有较宽大的施工场地和较大的土方开挖回填量，工程周期长，在多数工程中难以实现。

（2）各种类型的悬臂挡土受力结构（如桩、板、墙等）以及刚性挡土结构，配合锚杆或者支撑等多种支点进行支护。该方法施工场地要求较少，是现今重力式挡墙外使用最普遍的挡土结构。但由于该结构是垂直（或接近垂直）悬臂受力结构，工作状态是很不利的，为了获得可靠的嵌固，挡土桩的长度还要比基坑深一倍左右，即使如此，桩顶还是经常出现过大的位移。为了减少挡土桩的弯矩和位移，均采用锚杆或支撑等多种方法在桩上增加支点，大大的增加了工程费用，并延长了工期，且由于支点问题，对该结构的可靠性造成了影响。

（3）特定地形的压力型闭合拱结构（类似拱坝），拱以凸面迎向受压方向，各截面以受压为主。该结构充分利用了材料的抗压性能，优点为节省材料，但其最大缺点在于必须是特定的基坑等地形条件，如上海中信大厦深基坑，但对于基坑若出现不规则情况易出现事故，应用范围较小。尤其对于现在山体灾害治理及较多深基坑，大部分出现的受力点为凹面迎向受压方向，结构承受拉应力的情况，该结构无法使用，局限较大。所以更合理的挡土结构体系成为当前研究的主要问题。

例如盘山公路靠山侧山体支护，基本为凹面迎向山体，因此需要大规模采用抗滑桩和山体锚杆，造价高，工期长，施工难度极大，拖延道路通车时间。

发明内容

本发明提供了一种易施工，并能够有效保护土体，不易倾斜移位的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构及该机构的使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，包括：

多个挡土结构件，沿待维护的土体外缘设置一圈，并与所述土体贴靠，每个所述挡土结构件均竖向设置；

多个拱形梁，配合连接形成多个同心且为闭合状态的环形梁，多个所述环形梁沿竖向间隔嵌设在所述多个挡土结构件上，所述拱形梁的长度方向或环形梁的圆周方向均垂直所述挡土结构件的设置方向；

其中，所述挡土结构件内设有第一预应力锚索，所述拱形梁内设有第二预应力锚索，基于所述第一预应力锚索与第二预应力锚索，所述挡土结构件与拱形梁能够配合约束所述土体，抵消所述土体的主动土压力。

在一些实施例中，所述挡土结构件包括：

第一复合钢筋笼骨架，内部形成浇筑区；

多个所述第一预应力锚索，间隔设置在所述第一复合钢筋笼骨架内，每个所述第一预应力锚索包括第一锚固端及第一张拉端，相邻两个所述第一预应力锚索的间隔至少为20cm；

第一保护层，包围固定在所述第一复合钢筋笼骨架外。

在一些实施例中，所述第一复合钢筋笼骨架包括：

多根第一竖筋，排列形成预置形状；

加强结构组件，设置在所述多根第一竖筋的内侧及外侧，以分别形成所述第一复合钢筋笼骨架的内壁及外壁；

其中，所述加强结构组件包括盘绕在所述多根第一竖筋外侧的螺旋箍筋以及多个沿第一竖筋的长度方向间隔设置在所述多根竖筋内侧的环形加强箍筋。

在一些实施例中，所述第一预应力锚索由第一抗拔锚索及套设在所述第一抗拔锚索外的橡胶套管组成；

所述第一保护层由混凝土制成；

所述第一锚固端由间隔套设在所述第一预应力锚索上的第一钢垫板、第一固化防脱落结构件以及位于所述第一钢垫板、第一固化防脱落结构件之间的第一自锁挤压锚具形成，所述第一钢垫板与第一固化防脱落结构件间基于螺栓连接；

所述第一张拉端由套设在所述第一预应力锚索上的第二钢垫板及设于所述第一预应力锚索上并与所述第二钢垫板相抵的第一夹片锚形成。

在一些实施例中，所述多个挡土结构件上对应每个所述拱形梁处均设有安装槽，与同一所述环形梁对应的多个安装槽相互连通，所述拱形梁通过对应的安装槽嵌设在多个所述挡土结构件上；

所述拱形梁包括：

第二复合钢筋笼骨架，内部形成浇筑区；

多个所述第二预应力锚索，间隔设置在所述第二复合钢筋笼骨架内，每个所述第二预应力锚索包括第二锚固端及第二张拉端，相邻两个所述第二预应力锚索的间隔至少为20cm；

第二保护层，包围固定在所述第二复合钢筋笼骨架外。

在一些实施例中，所述第二复合钢筋笼骨架包括：

多根第二竖筋，排列形成预置形状；

箍筋，用于连接固定所述多根第二竖筋；

所述第二预应力锚索与所述第二竖筋和/或箍筋相连。

在一些实施例中，所述第二预应力锚索包括第二抗拔锚索、套设在所述第二抗拔锚索外并与所述第二抗拔锚索间具有填充空间的高分子套管，以及填充至所述填充空间中的缓粘结隔离体；

所述第二保护层由混凝土制成；

所述第二锚固端由间隔套设在所述第二预应力锚索上的第三钢垫板、第二固化防脱落结构件以及位于所述第三钢垫板、第二固化防脱落结构件之间的第二自锁挤压锚具形成，所述第三钢垫板与第二固化防脱落结构件间基于螺栓连接；

所述第二张拉端由套设在所述第二预应力锚索上的第四钢垫板及设于所述第二预应力锚索上并与所述第四钢垫板相抵的第二夹片锚形成。

在一些实施例中，所述第一预应力锚索与第二预应力锚索分别施加有第一预应力与第二预应力；

所述第一预应力及挡土结构件的设置数量、设置位置均由建筑信息模型基于所述土体的体积、形状以及对所述土体的主动土压力进行预测的预测值进行综合计算得到；

所述第二预应力及拱形梁的设置数量、设置位置均由所述建筑信息模型基于第一预应力、挡土结构件的数量、主动土压力预测值进行综合计算得到。

本发明另一实施例同时提供一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构的使用方法，包括：

S1:在待维护的土体外侧设置多个安装位，所述多个安装位包围所述土体；

S2:将多个制备完成的挡土结构件分别对应安装在所述多个安装位上；

S3:向所述挡土结构件中的第一预应力锚索施加第一预应力；

S4:向所述挡土结构件以及对应的安装位内均浇筑混凝土，凝固后撤销所述第一预应力；

S5:在浇筑后的所述挡土结构件上开设多个安装槽；

S6:将制备完成的拱形梁装设在位于所述挡土结构件顶部的安装槽内；

S7:向装配至所述安装槽内的拱形梁的第二预应力锚索施加第二预应力；

S8:向所述拱形梁及安装槽内均浇筑混凝土，凝固后撤销所述第二预应力；

S9:将下一所述拱形梁装配至与前一完成装配的拱形梁所在安装槽相邻的安装槽内，并对当前拱形梁的第二预应力锚索施加所述第二预应力，接着向当前拱形梁及安装槽内均浇筑混凝土，凝固后撤销所述第二预应力，同时将相邻的两个完成安装的所述拱形梁相连；

S10:重复步骤S6-S9，直至所有所述拱形梁完成安装。

在一些实施例中，所述方法还包括：

S11:将所述土体的外形及体积输入至建筑信息模型，以基于所述建筑信息模型计算得到关于所土体的主动土压力的预测值；

S12:由所述建筑信息模型基于所述预测值、主动土压力方向、挡土结构件的结构及尺寸确定所述第一预应力、挡土结构的设置数量及设置位置；

S13:由所述建筑信息模型基于所述第一预应力、预测值、主动土压力方向、拱形梁的结构及尺寸确定所述第二预应力、拱形梁的设置数量及设置位置，每个所述第二预应力锚索上施加的第二预应力相同或不同。

基于上述实施例的公开可以获知，本发明实施例具备如下的有益效果包括：

1.采用沿土体周围依次竖向设置挡土结构件，由于各挡土结构件内均设置有提前张拉约束的预应力锚索，故能够为挡土结构件提供支点约束力。而且由于设置了多个挡土结构件，故使每个挡土结构件只承受一定的主动土压力转化的弯矩，有效减少了结构的变形，对于结构件相对土体的嵌固深度，也可仅考虑抗滑移计算，无需考虑整体倾覆计算，所以挡土结构件并不需要较深的嵌固深度，更加易于安装实施。

2.设置以嵌入的方式在横向上固定于挡土结构件内的拱形梁，通过施加预应力使每个拱形梁分别承受该高度内土体的主动土压力，且由拱形梁结构为挡土结构件提供自平衡受压支点，并与竖向的挡土结构件配合形成格构形式，可以从根本上确保竖向设置的挡土结构件的稳定。另外，拱形梁采用嵌入式方式设置，其可隐藏在挡土结构件中，使机构整体结构表面平整、厚度较小，外形美观，同时节省空间，可适用于支挡结构施工场地局限或后续需结合建筑、景观专业增加外立面装饰、艺术造型等措施，便于各专业间相互配合开展设计和施工工作。

3.在挡土结构件中设置第一预应力锚索，可通过该锚索提前对挡土结构件施加无粘结的反向预应力，使其基于向远离土体方向的位移趋势产生的土反力增量近似等于高边坡主动土压力。这样可保证挡土结构件在基底以上的部分，其曲率不会发生明显变化，从而实现用预应力控制挡土结构件位移的目的。

4.在拱形梁中设置第二预应力锚索，可以支持提前在拱形梁中施加预应力，该预应力即为与所受的主动土压力相反的集中束缚力，且多个拱形梁提供的束缚力可根据拱形梁的连接方式而形成沿边坡形状盘山而成，首尾相连，形成闭合圈体的效果。在提前施加预应力后，主动土压力只要小于施加的预应力，边坡均不会发生变形。又由于采用的第二预应力锚索属于缓粘结预应力锚索，该锚索上施加的预应力损失很小，且施工快捷，节省工期，没有支点锚杆深度要求，无需进行全深度支护。

附图说明

图1为本发明实施例中智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构的结构示意图。

图2为本发明实施例中智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构的另一结构示意图。

图3为本发明实施例中第一复合钢筋笼骨架的结构示意图。

图4为本发明实施例中的第一复合钢筋笼骨架的剖视图。

图5为本发明实施例中的第一预应力锚索的结构图。

图6为本发明实施例中的第一锚固端的结构图。

图7为本发明实施例中的第一张拉端的结构图。

图8为本发明实施例中的第二复合钢筋笼骨架的结构图。

图9为本发明实施例中的第二复合钢筋笼骨架的另一结构图。

图10为本发明实施例中的第二预应力锚索的结构图。

图11为本发明实施例中的第二锚固端的结构图。

图12为本发明实施例中的第二张拉端的结构图。

图13为本发明实施例中的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构的使用方法流程图。

附图标记：

1-挡土结构件；2-拱形梁；3-第一预应力锚索；4-第二预应力锚索；5-第一复合钢筋笼骨架；6-第一锚固端；7-第一张拉端；8-第一保护层；9-第一竖筋；10-螺旋箍筋；11-加强箍筋；12-第一钢垫板；13-第一固化防脱落结构；14-第一自锁挤压锚具；15-第一抗拔锚索；16-橡胶套管；17-第二钢垫板；18-第一夹片锚；19-第二复合钢筋笼骨架；20-第二锚固端；21-第二张拉端；22-第二保护层；23-第二竖筋；24-箍筋；25-第二抗拔锚索；26-高分子套管；27-缓粘结隔离体；28-第三钢垫板；29-第二固化防脱落结构；30-第二自锁挤压锚具；31-第四钢垫板；32-第二夹片锚；33-预制钢管。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的具体实施例进行详细的描述，但不作为本发明的限定。

应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改。因此，下述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本发明的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本发明进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本发明的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本申请的相同或不同实施例中的一个或多个。

下面，结合附图详细的说明本发明实施例。

如图1及图2所示，本发明实施例提供一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，包括：

多个挡土结构件1，沿待维护的土体外缘设置一圈，并与土体贴靠，每个挡土结构件1均竖向设置；

多个拱形梁2，配合连接形成多个同心且为闭合状态的环形梁，多个环形梁沿竖向间隔嵌设在多个挡土结构件1上，拱形梁2的长度方向或环形梁的圆周方向均垂直挡土结构件1的设置方向；

其中，挡土结构件1内设有第一预应力锚索3，拱形梁2内设有第二预应力锚索4，基于第一预应力锚索3与第二预应力锚索4，挡土结构件1与拱形梁2能够配合约束土体，抵消土体的主动土压力。

例如，多个挡土结构件1为柱状体，如柱子、桩等，也可以是墙体，具体不限。拱形梁2即为弧形梁，多个弧形梁，如三个或四个等能够配合组成一闭合的环形梁，多个环形梁至少同心状态，其尺寸不定，另外弧形梁的长度或弧度也可不定，具体需根据土体的外形结构而匹配确定。以挡土结构件1为柱状体为例，多根挡土结构件1竖向设置，并围绕土体一圈，以配合限制土体，多个拱形梁2横向设置在挡土结构件1上，使挡土机构整体不论在横向上还是竖向上均具有对土体施加反压力，以维护土体的结构。而为了避免土体的主动土压力过大，导致挡土结构或拱形梁2变形移位，本实施例在挡土结构件1以及拱形梁2内还分别设有第一预应力锚索3与第二预应力锚索4，基于该两个锚索能够为挡土机构整体施加预应力，以抵消主动土压力，使机构整体与土体间保持压力匹配，更有效保护土体。在实际应用时，第一预应力锚索3可以但不限于选择为无粘结预应力锚索，第二预应力锚索4可以但不限于选择缓粘结预应力锚索。

基于上述内容可知，本实施例的挡土机构采用沿土体周围依次竖向设置挡土结构件1，由于各挡土结构件1内均设置有提前张拉约束的预应力锚索，故能够为挡土结构件1提供支点约束力。而且由于设置了多个挡土结构件1，故使每个挡土结构件1只承受一定的主动土压力转化的弯矩，有效减少了结构的变形，对于结构件相对土体的嵌固深度，也可仅考虑抗滑移计算，无需考虑整体倾覆计算，所以挡土结构件1并不需要较深的嵌固深度，更加易于安装实施。

而设置以嵌入的方式在横向上固定于挡土结构件1内的拱形梁2，通过施加预应力使每个拱形梁2分别承受该高度内土体的主动土压力，且由拱形梁2结构为挡土结构件1提供自平衡受压支点，并与竖向的挡土结构件1配合形成格构形式，可以从根本上确保竖向设置的挡土结构件1的稳定。也就是，对于挡土结构件1所受的主动土压力，其可以利用拱圈效应的横向张拉约束的拱形梁2提前施加预应力后形成向内部的压缩支点，从而达到约束土体，辅助抵消主动土压力的目的。且由于挡土结构件1每开挖一定深度即设置拱形梁2，增加支点，故可使得承受的主动土压力逐渐缓解释放，避免了土压力的集中，所以基于拱形梁2的设置，挡土结构件1底部也避免了过深的嵌固深度。另外，拱形梁2采用嵌入式方式设置，其可隐藏在挡土结构件1中，使机构整体结构表面平整、厚度较小，外形美观，避免结构局部凸起，同时节省施工空间，可适用于支挡结构施工场地局限或后续需结合建筑、景观专业增加外立面装饰、艺术造型等措施，便于各专业间相互配合开展设计和施工工作。所以，以横向嵌入式设置拱形梁2的作用包括增加整个挡土机构的稳定性，为第二预应力锚索4提供压应力媒介，以及增加支点面积，适当缓解支点力的集中。

在挡土结构件1中设置第一预应力锚索3，可通过该锚索提前对挡土结构件1施加无粘结的反向预应力，使其基于向远离土体方向的位移趋势产生的土反力增量近似等于高边坡主动土压力。这样可保证挡土结构件1在基底以上的部分，其曲率不会发生明显变化，从而实现用预应力控制挡土结构件1位移的目的。也就是在挡土结构件1中通过预应力锚索而施加反向预应力，相当于对挡土结构件1提前施加了一个反向弯矩，使支护结构向坑外位移趋势产生的土反力增量近似等于主动土压力。当在实际应用时，挡土机构外侧土反力随位移逐渐减小为主动土压力后，挡土机构在基面以上的曲率不会发生明显变化，主要表现为平移。在理想情况下，可实现挡土机构在基坑开挖面处转角为零，挡土机构顶部的位移近似等于基坑开挖面处的位移，从而实现用预应力控制挡土机构位移的目标。

而在拱形梁2中设置第二预应力锚索4，可以支持提前在拱形梁2中施加预应力，该预应力即为与所受的主动土压力相反的集中束缚力。且多个拱形梁2提供的束缚力可根据拱形梁2的连接方式而形成沿边坡形状盘山而成，首尾于同一位置相连，形成闭合圈体的效果。在提前施加预应力后，主动土压力只要小于施加的预应力，边坡均不会发生变形。由于缓粘结首尾两端在同一位置相接，又由于采用的第二预应力锚索4若为缓粘结预应力锚索时，该锚索上施加的预应力损失很小，且施工快捷，节省工期，没有支点锚杆深度要求，无需进行全深度支护。

进一步地，如图3所示，挡土结构件1包括：

第一复合钢筋笼骨架5，内部形成浇筑区；

多个第一预应力锚索3，间隔设置在第一复合钢筋笼骨架5内，每个第一预应力锚索3包括第一锚固端6及第一张拉端7，相邻两个第一预应力锚索3的间隔至少为20cm；

第一保护层8，包围固定在第一复合钢筋笼骨架5外。

在本实施例中，第一锚固端6设置在第一预应力锚索3的在底部标高以上800mm～1000mm处，第一张拉端7设置在第一预应力锚索3于顶部标高以下100mm处。

继续结合图3和图4所示，第一复合钢筋笼骨架5包括：

多根第一竖筋9，排列形成预置形状，例如在本实施例中该预置形状为圆形；

加强结构组件，设置在多根第一竖筋9的内侧及外侧，以分别形成第一复合钢筋笼骨架5的内壁及外壁；

其中，加强结构组件包括盘绕在多根第一竖筋9外侧的螺旋箍筋10以及多个沿第一竖筋9的长度方向间隔设置在多根竖筋内侧的环形加强箍筋11。该加强箍筋11的设置是为了给符合钢筋笼骨架提升强度，对于骨架的下部受力点还可适当增设加强钢筋，具体根据实际受力情况而定。

继续结合图5至图7所示，本实施例中的第一预应力锚索3由第一抗拔锚索15及套设在第一抗拔锚索15外的橡胶套管16组成。第一保护层8由混凝土制成，该保护层位于第一符合钢筋笼骨架的外壁与挡土结构件1于地上的安装孔之间，通过浇筑混凝土实现，或在外壁表面喷涂混凝土实现。第一锚固端6由间隔套设在第一预应力锚索3上的第一钢垫板12、第一固化防脱落结构件13以及位于第一钢垫板12、第一固化防脱落结构件13之间的第一自锁挤压锚具14形成，第一钢垫板12与第一固化防脱落结构13件间基于螺栓连接。第一张拉端7由套设在第一预应力锚索3上的第二钢垫板17及设于第一预应力锚索3上并与第二钢垫板17相抵的第一夹片锚18形成。另外，在锚索上邻近第一锚固端6与第一张拉端7处分别设有预制钢管，其具有预留孔，如矩形缺口等，目的是为了在向挡土结构件1内浇筑混凝土时，混凝土能够自预留孔处溢出，防止混凝土堆积在锚固端或张拉端处。其中，位于顶部的第一预应力锚索3的张拉端不设置预制钢管，该张拉端直接与装设在挡土结构件1顶部的拱形梁2张拉锁定。

在实现拱形梁2与挡土结构件1的连接时，本实施例中采用的方法是在多个挡土结构件1上对应每个拱形梁2处均设有安装槽，该安装槽与拱形梁2或环形梁外形匹配。当为与拱形梁2外形匹配时，与同一环形梁对应的多个安装槽相互连通，拱形梁2通过对应的安装槽嵌设在多个挡土结构件1上。

如图8所示，本实施例中的拱形梁2包括：

第二复合钢筋笼骨架19，内部形成浇筑区；

多个第二预应力锚索4，间隔设置在第二复合钢筋笼骨架19内，每个第二预应力锚索4包括第二锚固端20及第二张拉端21，相邻两个第二预应力锚索4的间隔至少为20cm；

第二保护层22，包围固定在第二复合钢筋笼骨架19外。

其中，如图9至图12所示，第二复合钢筋笼骨架19包括：

多根第二竖筋23，排列形成预置形状，如圆形或矩形等等，具体不定；

多根箍筋24，用于连接固定多根第二竖筋23，该多根箍筋24与第二竖筋23在本实施例中是配合连接形成网状结构；

第二预应力锚索4与第二竖筋23和/或箍筋24相连。

作为一优选实施例，本实施例的第二预应力锚索4为缓粘结预应力锚索，其包括第二抗拔锚索25、套设在第二抗拔锚索25外并与第二抗拔锚索25间具有填充空间的高分子套管26，以及填充至填充空间中的缓粘结隔离体27。对于高分子套管26，其可以为带高强肋的高分子套管26，与周边混凝土的结合紧密程度不低于带肋钢筋，而且该套管为高密度抗腐蚀聚乙烯材料制成，其具有一定弹性，并且保证其有足够的刚度，密度又大于泥浆密度，保证主笼刚度并不上浮。该套管与抗拔锚索之间的空隙/间隔形成填充空间，该空间内注满具有防腐放水的缓凝粘合隔离体材料，以防止土体层渗透水对预应力锚索进行侵蚀，同时使得预应力锚索整体处于全封闭状态。制备形成的第二预应力锚索4绑扎固定在第二钢筋笼骨架上，另外为了增加刚度，第二符合钢筋笼骨架外还可盘绕螺旋箍筋10。

进一步地，上述位于第二复合钢筋笼骨架19外的第二保护层22同样由混凝土制成，该第二保护层22位于拱形梁2与对应的安装槽之间，应用时可在拱形梁2与安装槽连接完成后再注入混凝土，不仅形成保护层同时连接固定拱形梁2与安装槽，当然也可以先设置保护层，之后再浇筑混凝土实现连接固定。

第二锚固端20由间隔套设在第二预应力锚索4上的第三钢垫板28、第二固化防脱落结构件29以及位于第三钢垫板28、第二固化防脱落结构件29之间的第二自锁挤压锚具30形成，第三钢垫板28与第二固化防脱落结构件29间基于螺栓连接；第二张拉端21由套设在第二预应力锚索4上的第四钢垫板31及设于第二预应力锚索4上并与第四钢垫板31相抵的第二夹片锚32形成。与挡土结构件1的设置方式一致，第二锚固端20设置在第二预应力锚索4的在底部标高以上800mm～1000mm处，第二张拉端21设置在第二预应力锚索4于顶部标高以下100mm处。

进一步地，在本实施例中，第二锚固端20与第二张拉端21均设有预制钢管，相邻两个拱形梁2连接时是基于两个第二预应力锚索4的对应端，即对应的锚固端与张拉端实现连接的。该连接位置处需要进行较大的预应力张拉，若基于常规计算过程，都是对该位置进行局部受压计算、稳定性计算和剪切计算，然后进行配筋。而本实施例中，直接采用预制钢管进行设计，避免了配筋计算后对该处的加密改动，也避免了人工操作对结构可靠性的影响。另外，通过设置缓粘结预应力锚索于拱形梁2中，使在拱形梁2中施加预应力后，拱形梁2结构内的轴向主动土压力（向外）会被锁定的轴向预应力（向内）所抵消，同时相比于单纯地将拱形梁2设置为混凝土及钢筋混合的形式，其虽然受压性能好，但受拉性能和抗裂性能差，尤其是采用常规的钢筋混凝土结构，极易出现裂缝，从而对梁的耐久性和抗腐蚀性产生较大影响，进而需要增加梁的截面积等问题，造成横向梁结构过大，造价陡增。而本实施例中通过设置缓粘结预应力锚索，有效避免了该问题的出现。在应用时，锚索中的缓凝剂处于非凝结期间，锚索的张拉端进行后张，并保持张拉力，而在缓凝结剂凝结期间，可撤除张拉力，此时锚索自身保持该张拉力。该种情况下，该横向梁的端部可去除预置钢管，并与相邻的拱形梁2相连。

在上述实施例中，对不同预应力锚索施加的预应力不同，如第一预应力锚索3与第二预应力锚索4分别施加有第一预应力与第二预应力，而相同类型预应力锚索施加的预应力可以相同，也可以不同。而对于上述施加的预应力以及挡土结构件1、拱形梁2的设置方面问题，其可以通过人为计算确定，但是计算过程繁琐，人工成本较高。为降低人工成本，同时提升计算效率及准确度，本实施例中是利用建筑信息模型实现的计算。具体地，首先可以测量待维护土体的体积、形状甚至是含水量等参数，接着将其输入至预训练后的建筑信息模型（BIM）中，使模型基于土体的测量信息进行综合分析计算，以确定出土体各区域的主动土压力的预测值，并结合该预测值以及挡土结构件1的外形、结构来确定出挡土结构件1的设置数量及设置位置，如相邻设置挡土结构件1，还是间隔设置挡土结构件1等。在进行第二预应力及拱形梁2的设置数量、设置位置甚至是不同装设位置的拱形梁2的长度等也可同样由建筑信息模型计算得到。例如，将计算得到的第一预应力信息、挡土结构件1的设置数量、设置位置、土体各区域的主动土压力预测值中的一种或多种均输入至建筑信息模型中，使基于该模型分析得到经挡土结构件1进行施压后，剩余多少主动土压力待解决，土体各区域剩余的待解决土压力，接着基于确定的待解决的土压力以及各个挡土结构件1的设置位置等综合计算出所需设置的拱形梁2数量、设置位置，以及需要为拱形梁2施加的第二预应力。该第二预应力可以根据不同区域土体的剩余土压力而不同，也可以是第二预应力均相同，具体不唯一，可根据实际情况而定，如土体结构不规则时，需要施加的第二预应力不同。当获得了全部设置信息及预应力信息后，还可以基于建筑信息模型进行建模，以及模拟挡土机构与土体结合后的挡土效果，还可以进行挡土机构的受压测试，以帮助用户确定当前挡土机构是否满足土体维护需求。

如图13所示，本发明另一实施例同时提供一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构的使用方法，包括：

S1:在待维护的土体外侧设置多个安装位，多个安装位包围土体；

S2:将多个制备完成的挡土结构件分别对应安装在多个安装位上；

S3:向挡土结构件中的第一预应力锚索施加第一预应力；

S4:向挡土结构件以及对应的安装位内均浇筑混凝土，凝固后撤销第一预应力；

S5:在浇筑后的挡土结构件上开设多个安装槽；

S6:将制备完成的拱形梁装设在位于挡土结构件顶部的安装槽内；

S7:向装配至安装槽内的拱形梁的第二预应力锚索施加第二预应力；

S8:向拱形梁及安装槽内均浇筑混凝土，凝固后撤销第二预应力；

S9:将下一拱形梁装配至与前一完成装配的拱形梁所在安装槽相邻的安装槽内，并对当前拱形梁的第二预应力锚索施加第二预应力，接着向当前拱形梁及安装槽内均浇筑混凝土，凝固后撤销第二预应力，同时将相邻的两个完成安装的拱形梁相连；

S10:重复步骤S6-S9，直至所有拱形梁完成安装。

例如，在地面钻机取土形成多个钻孔，该多个钻孔即为挡土结构件的安装孔。接着可以向钻孔中灌浆，同时提取钻机，让钻孔边缘形成泥浆护壁，保证不塌孔。向钻孔内装入挡土结构件，并保证其下端沉至孔底。在实际应用时，挡土结构件的高度可以与土体高度相同，也可矮于土体，当矮于土体时，可将多个挡土结构件叠摞设置，并相互连接固定。如采用连接器实现连接，包括锚索连接器和外套管熔融装置的复合作业体等。当完成挡土结构件的安装后，向其施加第一预应力，之后向钻孔及挡土结构件内浇筑混凝土，以固定连接钻孔及挡土结构件，形成竖向结构体。去除挡土结构件顶部的预置钢管，做好封闭保护，以便于后续连接拱形梁。竖向结构施工完成后，开始施工横向的拱形梁，沿挡土结构件由上至下的方向，先装配挡土结构件顶部的拱形梁，将挡土结构件的张拉端与该拱形梁进行连接，在拱形梁内预应力锚索的缓凝剂非凝结期，向锚索的张拉端设置锚头夹具进行后张并保持张拉力，在缓凝剂凝结期，向横向梁内注入混凝土，使锚索与钢筋笼骨架连接，接着去除该横向梁端部的预置钢管，并基于相同方法装配相邻的下一横向梁，当安装完毕后，将用于形成同一环形梁的拱形梁的端部进行首围连接。此时，沿挡土结构件的设置方向向下开挖一定距离后，施工下一道拱形梁，包括在挡土结构件上开设安装槽，并将拱形梁装入安装槽内，接着依次实施上述关于施加应力、浇筑的步骤，浇筑时可以同时将安装槽与拱形梁间进行浇筑，以更为稳定地连接拱形梁及安装槽，之后再安装用于配合形成同一环形梁的下一拱形梁，以此类推，直至完成全部拱形梁的安装，形成挡土机构。

本实施例中的方法还包括：

S11:将土体的外形及体积输入至建筑信息模型，以基于建筑信息模型计算得到关于所土体的主动土压力的预测值；

S12:由建筑信息模型基于预测值、主动土压力方向、挡土结构件的结构及尺寸确定第一预应力、挡土结构的设置数量及设置位置；

S13:由建筑信息模型基于第一预应力、预测值、主动土压力方向、拱形梁的结构及尺寸确定第二预应力、拱形梁的设置数量及设置位置，每个第二预应力锚索上施加的第二预应力相同或不同。

例如，首先可以测量待维护土体的体积、形状甚至是含水量等参数，接着将其输入至预训练后的建筑信息模型（BIM）中，使模型基于土体的测量信息进行综合分析计算，以确定出土体各区域的主动土压力的预测值，并结合该预测值以及挡土结构件的外形、结构来确定出挡土结构件的设置数量及设置位置，如相邻设置挡土结构件，还是间隔设置挡土结构件等。在进行第二预应力及拱形梁的设置数量、设置位置甚至是不同装设位置的拱形梁的长度等也可同样由建筑信息模型计算得到。例如，将计算得到的第一预应力信息、挡土结构件的设置数量、设置位置、土体各区域的主动土压力预测值中的一种或多种均输入至建筑信息模型中，使基于该模型分析得到经挡土结构件进行施压后，剩余多少主动土压力待解决，土体各区域剩余的待解决土压力，接着基于确定的待解决的土压力以及各个挡土结构件的设置位置等综合计算出所需设置的拱形梁数量、设置位置，以及需要为拱形梁施加的第二预应力。该第二预应力可以根据不同区域土体的剩余土压力而不同，也可以是第二预应力均相同，具体不唯一，可根据实际情况而定，如土体结构不规则时，需要施加的第二预应力不同。当获得了全部设置信息及预应力信息后，还可以基于建筑信息模型进行建模，以及模拟挡土机构与土体结合后的挡土效果，还可以进行挡土机构的受压测试，以帮助用户确定当前挡土机构是否满足土体维护需求。

可选地，基于预训练等学习，建筑信息模型可以对锚索的材料特性具有认识，如材料受温度的影响，受压力后的影响等，还可以是通过预训练等学习，使得模型针对锚索预应力与浇筑量间的关系具有分析能力，如此可以使得在基于建筑信息模型进行实际应用的模拟测试后，若发现测试结果与预定结果间具有一定差距时，或者是直接在确定第一预应力、第二预应力时，将锚索的材料信息和/或应用地的温度信息输入至建筑信息模型中，使其根据材料信息和/或温度信息来对第一预应力、第二预应力分别进行预应力补偿，即确定补偿系数，以弥补锚索的预应力在长时间使用时产生的损失。或者是建筑信息模型直接基于土体信息、确定的锚索尺寸来确定浇筑量，接着基于获得的锚索的材料信息及浇筑量来综合分析，预测锚索的预应力损失，并基于该损失确定补偿系数，或者仅基于浇筑量来确定锚索的预应力损失及匹配地补偿系数。

当然，对于预应力补偿的计算，也可是单独训练一模型来进行处理，而不仅局限于建筑信息模型。在确定了补偿系数后，模型或用户可以基于确定的补偿系数以及对应的预应力相乘来得到补偿的预应力，接着将补偿的预应力与在先确定的预应力相加便可得到最终应用于锚索上的预应力。基于上述的补偿处理，可以使得预应力锚索能够更加适配实际环境，确保对土体施加的维护力能够始终抵消主动土压力，减小在挡土机构在使用过程中的预应力损失，大幅延长挡土机构的使用寿命。

另外，挡土机构处于施工期间，会经常受到例如环境或是土体内含水量，再或者是人工操作时的误差等等的影响，导致部分挡土结构和/或拱形梁所受压力产生变化，故此时若依旧按原设计方案进行施工及加载预应力，则不能较好地稳固当前土体。为解决该种问题，挡土机构还可以增设调整装置，该调整装置能够获得挡土结构及拱形梁中每根锚索当前的预应力，同时还可以获得每个挡土结构及拱形梁当前所受压力，接着调整装置将数据传输至处理模块，或是传输至中控后台进行分析计算，以确定当前锚索的预应力是否与其所受压力匹配，若不匹配则可对其进行预应力的参数调整，还可以是根据所有锚索当前的预应力及所受压力确定是否需要调整挡土结构、拱形梁的设置位置及设置数量，若需要，则确定出具体调整方案，如在哪个位置增加或减少多少数量的挡土结构、拱形梁，增设的挡土结构或拱形梁中锚索需施加的预应力值等。当通过后台分析确定仅需要调整预应力时，调整装置可通过分别与其和目标锚索相连的施力设备而自动对目标锚索进行预应力调整，也可以是向工作人员输出信号及具体参数，由工作人员使用相应的施力设备对目标锚索进行预应力调整。而若要调整挡土结构、拱形梁的数量及设置位置时，则需要将具体调整方案向工作人员输出，供工作人员参考及执行。可选地，调整装置还可具有故障检测能力，如实时获得各个锚索的预应力，当某个锚索的预应力突然产生变化时，可确定该锚索可能出现故障，此时需要向工作人员发出提示。或者，调整装置还可以根据锚索当前的预应力以及预置的额定预应力进行故障预测，并将预测值满足要求的锚索信息提供给工作人员，以供工作人员参考。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，其特征在于，包括：

多个挡土结构件，沿待维护的土体外缘设置一圈，并与所述土体贴靠，每个所述挡土结构件均竖向设置；

多个拱形梁，配合连接形成多个同心且为闭合状态的环形梁，多个所述环形梁沿竖向间隔嵌设在所述多个挡土结构件上，所述拱形梁的长度方向或环形梁的圆周方向均垂直所述挡土结构件的设置方向；

其中，所述挡土结构件内设有第一预应力锚索，所述拱形梁内设有第二预应力锚索，基于所述第一预应力锚索与第二预应力锚索，所述挡土结构件与拱形梁能够配合约束所述土体，抵消所述土体的主动土压力，所述第一预应力锚索与第二预应力锚索分别施加有第一预应力与第二预应力；所述第一预应力及挡土结构件的设置数量、设置位置均由建筑信息模型基于所述土体的体积、形状以及对所述土体的主动土压力进行预测的预测值进行综合计算得到；所述第二预应力及拱形梁的设置数量、设置位置均由所述建筑信息模型基于第一预应力、挡土结构件的数量、主动土压力预测值进行综合计算得到；

所述建筑信息模型在确定所述第一预应力和第二预应力时，将锚索的材料信息和/或应用地的温度信息输入至建筑信息模型中，使其根据材料信息和/或温度信息来对第一预应力、第二预应力分别进行预应力补偿，以弥补锚索的预应力在长时间使用时产生的损失；或者所述建筑信息模型直接基于土体信息、确定的锚索尺寸来确定浇筑量，并基于获得的锚索的材料信息及浇筑量来综合分析，预测锚索的预应力损失，并基于该损失确定补偿系数，或者仅基于浇筑量来确定锚索的预应力损失及匹配地补偿系数；

在确定了补偿系数后，模型或用户可以基于确定的补偿系数以及对应的预应力相乘来得到补偿的预应力，接着将补偿的预应力与在先确定的预应力相加便可得到最终应用于锚索上的预应力；

所述挡土机构还包括调整装置，所述调整装置能够获得挡土结构件及拱形梁中每根预应力锚索当前的预应力、每个所述挡土结构件及拱形梁当前所受压力，并基于获得的信息确定每根预应力锚索当前的预应力是否与其所受压力匹配，若不匹配，则对其进行预应力的参数调整。

2.根据权利要求1所述的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，其特征在于，所述挡土结构件包括：

第一复合钢筋笼骨架，内部形成浇筑区；

多个所述第一预应力锚索，间隔设置在所述第一复合钢筋笼骨架内，每个所述第一预应力锚索包括第一锚固端及第一张拉端，相邻两个所述第一预应力锚索的间隔至少为20cm；

第一保护层，包围固定在所述第一复合钢筋笼骨架外。

3.根据权利要求2所述的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，其特征在于，所述第一复合钢筋笼骨架包括：

多根第一竖筋，排列形成预置形状；

加强结构组件，设置在所述多根第一竖筋的内侧及外侧，以分别形成所述第一复合钢筋笼骨架的内壁及外壁；

其中，所述加强结构组件包括盘绕在所述多根第一竖筋外侧的螺旋箍筋以及多个沿第一竖筋的长度方向间隔设置在所述多根第一竖筋内侧的环形加强箍筋。

4.根据权利要求2所述的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，其特征在于，所述第一预应力锚索由第一抗拔锚索及套设在所述第一抗拔锚索外的橡胶套管组成；

所述第一保护层由混凝土制成；

所述第一锚固端由间隔套设在所述第一预应力锚索上的第一钢垫板、第一固化防脱落结构件以及位于所述第一钢垫板、第一固化防脱落结构件之间的第一自锁挤压锚具形成，所述第一钢垫板与第一固化防脱落结构件间基于螺栓连接；

所述第一张拉端由套设在所述第一预应力锚索上的第二钢垫板及设于所述第一预应力锚索上并与所述第二钢垫板相抵的第一夹片锚形成。

5.根据权利要求1所述的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，其特征在于，所述多个挡土结构件上对应每个所述拱形梁处均设有安装槽，与同一所述环形梁对应的多个安装槽相互连通，所述拱形梁通过对应的安装槽嵌设在多个所述挡土结构件上；

所述拱形梁包括：

第二复合钢筋笼骨架，内部形成浇筑区；

多个所述第二预应力锚索，间隔设置在所述第二复合钢筋笼骨架内，每个所述第二预应力锚索包括第二锚固端及第二张拉端，相邻两个所述第二预应力锚索的间隔至少为20cm；

第二保护层，包围固定在所述第二复合钢筋笼骨架外。

6.根据权利要求5所述的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，其特征在于，所述第二复合钢筋笼骨架包括：

多根第二竖筋，排列形成预置形状；

多根箍筋，用于连接固定所述多根第二竖筋；

所述第二预应力锚索与所述第二竖筋和/或箍筋相连。

7.根据权利要求5所述的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构，其特征在于，所述第二预应力锚索包括第二抗拔锚索、套设在所述第二抗拔锚索外并与所述第二抗拔锚索间具有填充空间的高分子套管，以及填充至所述填充空间中的缓粘结隔离体；

所述第二保护层由混凝土制成；

所述第二锚固端由间隔套设在所述第二预应力锚索上的第三钢垫板、第二固化防脱落结构件以及位于所述第三钢垫板、第二固化防脱落结构件之间的第二自锁挤压锚具形成，所述第三钢垫板与第二固化防脱落结构件间基于螺栓连接；

所述第二张拉端由套设在所述第二预应力锚索上的第四钢垫板及设于所述第二预应力锚索上并与所述第四钢垫板相抵的第二夹片锚形成。

8.一种智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构的使用方法，其特征在于，包括：

S1:在待维护的土体外侧设置多个安装位，所述多个安装位包围所述土体；

S2:将多个制备完成的挡土结构件分别对应安装在所述多个安装位上；

S3:向所述挡土结构件中的第一预应力锚索施加第一预应力；

S4:向所述挡土结构件以及对应的安装位内均浇筑混凝土，凝固后撤销所述第一预应力；

S5:在浇筑后的所述挡土结构件上开设多个安装槽；

S6:将制备完成的拱形梁装设在位于所述挡土结构件顶部的安装槽内；

S7:向装配至所述安装槽内的拱形梁的第二预应力锚索施加第二预应力；

S8:向所述拱形梁及安装槽内均浇筑混凝土，凝固后撤销所述第二预应力；

S9:将下一所述拱形梁装配至与前一完成装配的拱形梁所在安装槽相邻的安装槽内，并对当前拱形梁的第二预应力锚索施加所述第二预应力，接着向当前拱形梁及安装槽内均浇筑混凝土，凝固后撤销所述第二预应力，同时将相邻的两个完成安装的所述拱形梁相连；

S10:重复步骤S6-S9，直至所有所述拱形梁完成安装。

9.根据权利要求8所述的智能控制预应力自平衡拱圈挡土机构的使用方法，其特征在于，所述方法还包括：

S11:将所述土体的外形及体积输入至建筑信息模型，以基于所述建筑信息模型计算得到关于所述土体的主动土压力的预测值；

S12:由所述建筑信息模型基于所述预测值、主动土压力方向、挡土结构件的结构及尺寸确定所述第一预应力、挡土结构的设置数量及设置位置；

S13:由所述建筑信息模型基于所述第一预应力、预测值、主动土压力方向、拱形梁的结构及尺寸确定所述第二预应力、拱形梁的设置数量及设置位置，每个所述第二预应力锚索上施加的第二预应力相同或不同。