锚杆轴力监测在优化隧道支护参数中的应用 隧道锚杆支护作用

　　摘要近年来监控量测在现代隧道施工中得到越来越广泛的应用,然而作为监控量测的一部分―锚杆轴力监测在了解锚杆受力状态,确定围岩松动圈,进而评价锚杆支护参数等方面具有十分重要的作用。结合工程实际,对锚杆轴力监测在优化隧道支护中的应用进行分析。
　　关键词锚杆轴力;监控量测;优化;支护参数
　　中图分类号U45 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0064-01
　　
　　锚杆支护作为一种积极主动的支护技术,在现代隧道支护体系中发挥着越来越重要的角色,其简便快捷的特点,良好的支护效果,已经得到了广泛的认可。然而,通常其参数设计采用经验类比法及理论计算法,没有与实际地质、施工情况相结合,在施工过程中往往很难达到良好的支护和经济效果,造成资源浪费。本文在结合监测成果的基础上,通过对各参数的分析,及时优化设计参数,对于提高锚杆支护效果有着重要的借鉴意义。
　　1锚杆支护的原理及作用
　　1.1锚杆支护的原理
　　通过锚杆的轴向作用力,将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向(或双向)受压转变为三向受压,从而提高其环向抗压强度,使压缩带既可承受其自身重量,又可承受一定的外部载荷,使其有效地控制围岩变形。
　　1.2锚杆支护的作用
　　锚杆对围岩起到的力学作用,主要有悬吊、整体加固及组合作用,其中悬吊作用为主要作用,即将不稳定的岩层悬吊在坚固的岩层上,以阻止围岩移动滑落。
　　2锚杆轴力测试简介
　　锚杆轴力测试主要通过对锚杆的受力情况进行分析,掌握围岩松动圈的范围,从而确定锚杆的设计型号能否满足施工要求。锚杆轴力计可在锚杆加工场预先与锚杆焊好,也可在现场焊接。为了避免焊接时仪器温度过高而损坏仪器,焊接时仪器要包上湿棉纱并不断在棉纱上浇冷水,直到焊接完毕后锚杆冷却到一定温度为止,焊接处在发黑(未冷红)之前,切记浇上冷水,焊接过程中仪器处的温度应低于60℃。
　　3支护参数评价的方法和原理
　　3.1锚杆轴力的计算
　　通常锚杆的受力可通过测量锚杆中受力感应器的频率,带入以下计算公式可得出:
　　F=(Fi*Fi―F0*F0)*K+b*△T
　　式中:F为被测锚杆的荷载(KN);F0为初始频率(Hz);Fi为应变频率(Hz);K为系数值(KN/Hz2);b为锚杆计的温度修正系数(KN/℃);△T为锚杆计的温度实时测量值相对于基准值的变化量(℃);
　　说明:因b*△T计算所得的温度修正值通常较小,故在实际计算过程中往往可以忽略该因素对锚杆受力的影响。当F为正值是表示受拉,F为负值时表示受压。
　　3.2围岩松动圈的确定
　　首先我们需要做如下假定:假定所测锚杆材料质地均匀且尺寸等沿锚杆轴向不发生变化,则锚杆的变形曲线可用受力曲线近似代替。一般把受力锚杆从隧道壁面处至变形量最大处称为隧道围岩的松动圈。因此我们可通过对锚杆受力曲线的分析,从而确定围岩松动圈的范围。
　　3.3锚杆孔径的评价
　　同样我们假定所测锚杆材料质地均匀且纵向尺寸等沿锚杆轴向不发生变化,则锚杆的抗拉强度与其横向尺寸的大小成正比,因此我们可以根据锚杆设计抗拉强度与锚杆轴力监测结果的比值X的大小做出判断。当锚杆中最小的X值稍大于1时,则认为合理,远大于1时,则认为锚杆型号可以进一步优化,小于1时,则表明该型号锚杆无法满足实际要求,需进行调整。
　　3.4锚杆间距的评价
　　假定所测锚杆感应器中最大受力为P,则可以近似把每根锚杆所承受的最大荷载看作是每根锚杆所担负的岩体重量,故可按照下式计算锚杆的间距:
　　P=λ*L*@
　　从而@=P/(λ*L)
　　式中:P―单根锚杆应承受的岩石重量(锚杆最大受力),kN;λ―岩石的容重,kN/m3;L―围岩松动圈的长度,m;@―锚杆的间距,m。
　　得出锚杆的实测间距@之后,可以用@与锚杆的设计间距@0进行比较。当@0稍大于@时,则认为锚杆间距布置合理;当@0远大于@时,则认为锚杆间距可以进一步优化;当@0小于a时,则认为锚杆间距不能满足施工要求,应加密;
　　4工程案例
　　4.1工程概况
　　杭州市秋石快速路半山隧道Ⅴ级围岩段采用了φ25mm中空注浆锚杆,设计长度L0=4.5m,@100*50cm,设计抗拉拔力为70KN,隧道穿越岩石容重λ=16KN/m3。现通过锚杆轴力测试对锚杆支护的各项设计指标进行评价。
　　4.2仪器的规格及布置形式
　　4.2.1仪器规格
　　1)锚杆测力计:采用JMT-V1000A型正弦式三点锚杆测力计,锚杆直径φ=25mm,全长4.5m,串接JTM-2型锚杆应力传感器3个,传感器规格为最大受拉应力300MPa,最大受压应力150MPa。2)频率读数仪:JTM-U10A型数字式读书仪。JTM-U10A型读数仪适应于国内外各种振弦式传感器的数据测读,并可同时测读温度。它是一款多功能高智能型的仪器,通过设置它能直接显示出所测到的物理量,连接通讯电缆它可把采集到的实时数据或历史数据上传到计算机,以便对数据进一步进行处理,还可进行自动化的数据采集。
　　4.2.2锚杆的安装
　　锚杆的具体安装形式为:拱顶一个,拱腰处两侧各设一个,两侧边墙处各一个,并且确保所量测锚杆布置在一个垂直断面内。
　　4.2.3量测频率
　　4.2.4量测数据分析、参数评价及相关建议
　　参照上述评价原理,对锚杆各项支护参数评价如下:
　　锚杆长度:围岩最大松动圈出现在右拱腰处,松动范围约为距孔口2.5m处。
　　锚杆孔径:锚杆最大受力出现在左拱腰处,最大受力60.12KN@100*50cm,表明锚杆间距不满足施工要求,需进行调整。
　　5结语
　　作为隧道监控量测的一个重要组成部分,通过锚杆轴力测试能较好的确定围岩松动圈范围及锚杆受力情况,通过对其受力情况的分析,从而掌握锚杆各项参数与设计参数的对比情况,为设计和施工提供优化措施和方案,进而起到节约资源,保证施工安全的作用。
　　参考文献
　　[1]王毅才.隧道工程.人民交通出版社,2000.
　　[2]吕康成.隧道工程试验检测技术.人民交通出版社,2000.
　　[3]李晓红.隧道新奥法及其量测技术.科学出版社,2002.
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