CN209820521U - 一种围岩-拱架接触关系监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种围岩‑拱架接触关系监测装置，由围岩、拱架、力监测模块和位移监测模块构成，所述的力监测模块由短锚杆、受载板、螺母、压力盒组成，所述的位移监测模块由两个拉线式位移传感器和定位孔组成。本实用新型通过设置压力盒监测围岩压力，通过监测变形前后两个状态下位移传感器的数据，计算得到径向相对位移和环向相对位移，以此量化拱架与围岩间的相对变形状态。本实用新型装置既能监测拱架任意位置的围岩压力，又能监测围岩与拱架的相对位移。

Description

一种围岩-拱架接触关系监测装置

技术领域

本实用新型涉及地下工程（巷道、隧道）监测技术领域，具体涉及一种围岩-拱架接触关系监测装置。

背景技术

近年来，拱架（型钢拱架、格栅拱架、钢管混凝土拱架等）作为一种高强支护技术在巷道、隧道等地下工程中得到广泛应用，取得较好效果。而围岩与拱架的接触关系决定拱架的受力状况，进而影响拱架承载能力的发挥。当围岩与拱架接触关系较差时，拱架极易出现局部失稳破坏，拱架的整体承载能力难以充分发挥；而围岩与拱架的良好接触关系能够避免拱架受集中载荷或偏载的影响，进而提高拱架整体支护性能，因此掌握围岩与拱架接触关系是非常必要的。

围岩-拱架接触关系主要包括拱架与围岩间的相互作用力（围岩压力）和相对位移。围岩压力的性质、大小与分布直接影响到隧道临时支护和永久衬砌的合理类型、形状与尺寸以及与之相对应的施工方法。而由于影响围岩压力的因素很多，难以从理论上得到较准确的围岩压力数据，因此对围岩压力的现场监测就显得尤为必要。相对位移是分析拱架承载特性、失效机制和优化设计参数的重要依据，目前一般仅监测巷道表面位移和拱架自身位移，也有通过两者做差得到相对位移，但这种方法显然不如直接监测相对位移可靠。

专利201710578819X公开了一种围岩压力监测装置，该装置通过在拱架的拱形外表面上设置多个钢弦式压力盒监测围岩压力，但是该装置只能监测围岩压力，不能监测围岩与拱架之间的相对位移；专利201820996344.6公开了一种巷道光纤监测装置及巷道监测系统，该装置在拱架上布设光纤，通过监测光信号的损耗量来反应出拱架或巷道的变形量，但是也不能监测围岩压力和围岩与拱架的相对位移。

因此，目前亟待发明一种既能监测围岩压力，又能监测围岩与拱架相对位移的监测装置。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种围岩-拱架接触关系监测装置，以解决现有装置不能够同时监测围岩压力和相对位移的问题，从而有效监测围岩-拱架接触关系。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种围岩-拱架接触关系监测装置，其特征在于：由围岩、拱架、力监测模块和相对位移监测模块构成，所述的力监测模块固定在围岩上，所述的相对位移监测模块一端与力监测模块连接，另一端与拱架连接。

所述的力监测模块由短锚杆、受载板、螺母、压力盒组成。所述的短锚杆穿过受载板垂直于拱架平面锚固在围岩内部；所述的受载板由短锚杆和螺母固定在围岩表面；所述的压力盒底端固定在受载板上，且压力盒的受力面与拱架上表面紧密接触。

进一步的，所述的受载板为长方形型钢板，尺寸大于压力盒的表面尺寸，宽度与拱架等宽，长度应满足短锚杆、压力盒及预留滑移量所需空间；沿长边对称轴上开两个固定孔，用以穿过短锚杆，开孔间距以不影响压力盒的安装为依据。

所述的相对位移监测模块由两个拉线式位移传感器和定位孔组成。所述的两个拉线式位移传感器的拉线端同时固定在压力盒表面中心处的定位孔上，两个拉线式位移传感器安装在拱架侧面的中轴线位置，以保证弯曲变形前后距离变化最小或基本不变。

进一步的，所述的两个拉线式位移传感器按照顺时针方向分别记为拉线式位移传感器A和拉线式位移传感器B，两拉线式位移传感器的拉线出口分别为A点和B点，定位孔所在的位置为O点，点O、A、B组成三角形。当围岩与拱架产生相对位移时，两拉线式位移传感器伸长或缩短，测得拉线式位移传感器变形后的长度，按照以下方法确定径向相对位移和环向相对位移，

底边AB长记为c，变形前测得的两边长度分别为a、b，变形后测得的两边长度分别为a'、b'，则可基于三角形海伦公式得到：

径向相对位移为∆m=2[p'(p'-a')(p'-b')(p'-c)]^1/2 /c-2[p(p-a)(p-b)(p- c)]^1/2 /c，

环向相对位移为∆n=[(b')² -m ₂ ²]^1/2 -(b ² -m ₁ ²)^1/2，

其中，p=(a+b+c)/2，p'=(a'+b'+c)/2，

当∆m＞0时，表示围岩与拱架分离，二者产生相背方向的径向相对位移；当∆m=0时，表示围岩与拱架未产生径向相对位移；当∆m＜0时，表示围岩与拱架接触，二者产生相向方向的径向相对位移；当∆n＞0时，表示围岩与拱架产生O点偏向A点的环向相对滑移；当∆n=0时，表示围岩与拱架未产生环向相对滑移；当∆n＜0时表示围岩与拱架产生O点偏向B点的环向相对滑移；由此即可量化围岩与拱架的相对位移关系。

本实用新型一种围岩-拱架接触关系监测装置，加工完受载板，并把压力盒固定在受载板上之后，可按以下步骤安装和使用：

（1）巷道表面进行喷层、抹浆处理，使巷道表面平滑，与待安装拱架表面之间等距；

（2）安装短锚杆和受载板，受载板紧贴围岩安装，使压力盒的受力面都处在拱架的外轮廓线上，各受载板的间隔应满足围岩变形后在间隔位置不接触拱架；

（3）安装拱架，使拱架表面与所有压力盒的受力面相接触；

（4）安装拉线式位移传感器，各装置首先把拉线式位移传感器的拉线端固定在对应压力盒的定位孔上，而后在拱架同侧固定拉线式位移传感器；

（5）记录压力盒的读数得到围岩压力，测量变形后的拉线式位移传感器长度，经计算得到围岩与拱架相对变形的径向相对位移和环向相对位移，从而量化围岩接触关系。

本实用新型一种围岩-拱架接触关系监测装置，其特点为：

（1）本实用新型既能监测围岩压力，又能监测围岩与拱架的相对位移；

（2）本实用新型还适用于监测隧道衬砌、盾构管片与围岩之间的接触关系。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图。

图2为本实用新型变形前计算原理图。

图3为本实用新型变形后计算原理图。

图例说明：1-围岩；2-拱架；3-喷层；4-短锚杆；5-受载板；6-螺母；7-压力盒；8-定位孔；9-拉线式位移传感器A；10-拉线式位移传感器B。

具体实施方式

本实用新型提供一种围岩-拱架接触关系监测装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图1、图2和图3所示，一种围岩-拱架接触关系监测装置，其特征在于：由围岩1、拱架2、力监测模块和相对位移监测模块构成，所述的力监测模块固定在围岩1上，所述的相对位移监测模块一端与力监测模块连接，另一端与拱架2连接。

所述的力监测模块由短锚杆4、受载板5、螺母6、压力盒7组成。所述的短锚杆4穿过受载板5垂直于拱架2平面锚固在围岩1内部；所述的受载板5由短锚杆4和螺母6固定在围岩1表面；所述的压力盒7底端固定在受载板5上，且压力盒7的受力面与拱架2上表面紧密接触。

进一步的，所述的受载板5为长方形型钢板，尺寸大于压力盒7的表面尺寸，宽度与拱架2等宽，长度应满足短锚杆4、压力盒7及预留滑移量所需空间；沿长边对称轴上开两个固定孔，用以穿过短锚杆4，开孔间距以不影响压力盒7的安装为依据。

所述的相对位移监测模块由两个拉线式位移传感器和定位孔8组成。所述的两个拉线式位移传感器的拉线端同时固定在压力盒7表面中心处的定位孔8上，两个拉线式位移传感器安装在拱架2侧面的中轴线位置，以保证弯曲变形前后距离变化最小或基本不变。

进一步的，所述的两个拉线式位移传感器按照顺时针方向分别记为拉线式位移传感器A9和拉线式位移传感器B10，两拉线式位移传感器的拉线出口分别为A点和B点，定位孔8所在的位置为O点，点O、A、B组成三角形。当围岩1与拱架2产生相对位移时，两拉线式位移传感器伸长或缩短，测得拉线式位移传感器变形后的长度，按照以下方法确定径向相对位移和环向相对位移，

底边AB长记为c，变形前测得的两边长度分别为a、b，变形后测得的两边长度分别为a'、b'，则可基于三角形海伦公式得到：

径向相对位移为∆m=2[p'(p'-a')(p'-b')(p'-c)]^1/2 /c-2[p(p-a)(p-b)(p- c)]^1/2 /c，

环向相对位移为∆n=[(b')² -m ₂ ²]^1/2 -(b ² -m ₁ ²)^1/2，

其中，p=(a+b+c)/2，p'=(a'+b'+c)/2，

当∆m＞0时，表示围岩1与拱架2分离，二者产生相背方向的径向相对位移；当∆m=0时，表示围岩1与拱架2未产生径向相对位移；当∆m＜0时，表示围岩1与拱架2接触，二者产生相向方向的径向相对位移；当∆n＞0时，表示围岩1与拱架2产生O点偏向A点的环向相对滑移；当∆n=0时，表示围岩1与拱架2未产生环向相对滑移；当∆n＜0时表示围岩1与拱架2产生O点偏向B点的环向相对滑移；由此即可量化围岩1与拱架2的相对位移关系。

本实用新型一种围岩-拱架接触关系监测装置，加工完受载板5，并把压力盒7固定在受载板5上之后，可按以下步骤安装和使用：

（1）巷道表面进行喷层3、抹浆处理，使巷道表面平滑，与待安装拱架2表面之间等距；

（2）安装短锚杆4和受载板5，受载板5紧贴围岩1安装，使压力盒7的受力面都处在拱架2的外轮廓线上，各受载板5的间隔应满足围岩1变形后在间隔位置不接触拱架2；

（3）安装拱架2，使拱架2表面与所有压力盒7的受力面相接触；

（4）安装拉线式位移传感器，各装置首先把拉线式位移传感器的拉线端固定在对应压力盒7的定位孔8上，而后在拱架2同侧固定拉线式位移传感器；

（5）记录压力盒7的读数得到围岩压力，测量变形后的拉线式位移传感器长度，经计算得到围岩1与拱架2相对变形的径向相对位移和环向相对位移，从而量化围岩接触关系。

Claims (3)

1.一种围岩-拱架接触关系监测装置，其特征在于：由围岩、拱架、力监测模块和相对位移监测模块构成，所述的力监测模块由短锚杆、受载板、螺母、压力盒组成，所述的相对位移监测模块由两个拉线式位移传感器和定位孔组成。

2.如权利要求1所述的一种围岩-拱架接触关系监测装置，其特征在于：所述的短锚杆穿过受载板垂直于拱架平面锚固在围岩内部；所述的受载板由短锚杆和螺母固定在围岩表面；所述的压力盒底端固定在受载板上，且压力盒的受力面与拱架上表面紧密接触。

3.如权利要求1所述的一种围岩-拱架接触关系监测装置，其特征在于：所述的两个拉线式位移传感器的拉线端同时固定在压力盒表面中心处的定位孔上，两个拉线式位移传感器安装在拱架侧面的中轴线位置。