一種多功能智能錨桿及其安裝布設方法
【專利摘要】本發明公開了一種多功能智能錨桿及其安裝布設方法，包括無熔接長標距多光柵傳感器、光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器、環氧樹脂或植筋膠、鎧裝光纜和軟塑料套管；所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵溫度補償輔助傳感器安裝在錨桿沿縱向所開的小槽內，并通過環氧樹脂或植筋膠封裝；無熔接長標距多光柵傳感器包括多個依次串聯的長標距光纖光柵傳感單元，長標距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段。本發明既可用于土木、隧道、礦產等相關工程中的錨固加固，亦能對錨桿的承載能力、應力應變、以及損傷情況等的監測，更能用于圍巖支護及圍巖收斂變形和穩定性等的監測。
【專利說明】
一種多功能智能錨桿及其安裝布設方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種針對隧道、巖土和邊坡工程的多功能智能監測錨桿，主要用于土木、隧道、礦產等相關工程中的對錨桿的承載能力、應力應變、以及損傷情況等的監測，亦能用于圍巖支護及圍巖收斂變形和穩定性等的監測，同時，此錨桿本身的錨固加固作用沒有改變，此多功能智能監測錨桿在監測的同時，也能起到其本來對圍巖、邊坡、擋土墻等的錨固加固作用。
【背景技術】
[0002]錨桿支護是在邊坡、巖土深基坑等地表工程及隧道、采場等地下硐室施工中采用的一種加固支護方式。錨桿支護是通過圍巖內部的錨桿改變圍巖本身的力學狀態，在開挖面周圍形成一個整體而又穩定的巖石帶，利用錨桿與圍巖共同作用，達到維護圍巖或巷道等穩定的目的。它是一種積極防御的支護方法，是圍巖、礦山等支護的重大變革。錨桿不但支護效果好，且用料省、施工簡單、有利于機械化操作、施工速度快。因此錨桿已在很多土木、巖土、隧道、采礦等工程中被大量的使用，如基于新奧法的隧道開挖，錨桿使用量動輒幾萬根，另外如三峽水利工程，亦用了有十幾萬根各式錨桿。
[0003]隨著錨桿支護的廣泛使用，對于錨桿在圍巖中的受力、承載能力、以及可能的損傷等情況進行實時或定期監測，從而對于圍巖等的支護情況、變形收斂、以及穩定情況等作出判斷顯得尤為重要，且已經成為相關領域的重要課題。目前國內外對于錨桿在圍巖等支護中的受力、承載、及損傷情況的測試方法基本可歸納為兩大類，其中一類是使用測力錨桿、錨桿拉拔計、應變計及應變片通過錨桿“拉拔試驗”來測試錨桿在拉拔作用下的受力情況和損傷情況;另一類則采用比較間接的方式，利用電磁波、聲波等在不同介質層的反射差異來檢測砂漿錨固體的飽和程度，間接評價錨固的受力及損傷情況。但這些方法從總體上看，存在著受環境影響大，耐久性差，長期穩定性差，測試誤差大等缺點，對于像巖土、隧道、采礦等環境比較惡劣、施工方式粗放，但測試精度要求高的實際工程應用，其適用性尤顯單薄。同時，在土木、巖土、隧道、采礦等工程中，在對于錨桿的受力測試同時，往往還需要測試土體及圍巖的位移，甚至是巖層的脫離及其脫開間的程度，如在煤礦采礦中的巷道頂板發生的離層等情況。因此開發一種具有測試錨桿應力及圍巖位移，且同時也能起到加固錨固作用的智能錨桿具有非常重要的工程實用意義。
[0004]近年來發展起來的光纖、光柵傳感技術具有耐久性好，性能穩定、抗電磁干擾、便于分布式測量等優點，也對錨桿軸力檢測、損傷識別等提出了新的思路。目前已有相關學者基于B0TDR、B0TDA等分布式光纖技術對錨桿支護進行了檢測和監測，但是由于目前解調技術的瓶頸限制，其測試精度嚴重不足，且往往需要有閉合的光纖回路，考慮到如隧道的圍巖變形等本身相對很小，且錨桿本身橫截面不大，閉合的光纖回路往往由于較大的光纖曲率而帶來的很大光損，因此其在實際工程中的實用性很小。而光柵由于精度高，應變測量能達到1叫，而且封裝后能防水，耐腐蝕，長期性能比較好，不僅能傳感，而且也能用于傳輸數據，利于組網和實時監測，目前已經被廣泛應用于橋梁等結構的應變監測中。但目前在錨桿上的應用，都是基于點式應變測試，只能得到非常局部的應變情況，無法準確地描述尺度比較大的錨桿全長的受力和變形狀況，且不能對錨桿的損傷給出有效的判斷。總的來說，目前的測試方法存在以下幾個問題，首先單純而簡單地應用光纖和光柵技術，往往由于不僅其傳感部分，而且其引線都容易損壞，不能適應這些實際工程粗放式的施工環境;其次錨桿結構尺度大，損傷分布范圍廣，傳統的點式傳感很難準確得捕捉到損傷;再者，傳統的監測往往都忽視錨桿不同深度的應力應變變化，而實際圍巖由于機械開挖和爆破的原因，往往在靠近開挖面的巖層會出現一些破碎，在圍巖受力作用下，其內部將出現內力重分布，因此在錨桿不同深度的位置上，其應力應變很可能是不同的；更為重要的是，目前所已開發出來的智能錨桿都只停留在錨桿軸力及應變本身，而無法獲取錨桿變形分布情況，也無法判斷圍巖等的位移;最后，傳統的光柵測試，都是基于光柵與光柵間引線的熔接串聯來實現的，但是光纖的熔接更易造成損壞斷裂，且大大地增加其光損，從而影響其測試性能。
[0005]為了提高結構應變測試的真實性、可靠性以及噪聲魯棒性，東南大學推出了長標距應變測試理念，以獲取傳感器標距內的平均應變，并成功運用于橋梁結構的健康監測中。但目前對于利用長標距光纖光柵進行錨桿承載情況、應力應變情況、損傷探測、以及圍巖收斂變形和穩定性的測試和監測等研究在國內外檢索尚無相關專利及相關文獻。且至今開發的長標距應變傳感器都是基于單個光柵獨立封裝而成，在需要多個傳感器時，必須要通過光纖熔接機將傳感器的引出光纖熔接起來，才能實現其串聯目的。本發明將基于一體化集成多個傳感單元的無恪接長標距多光柵傳感器，提出一種新型的多功能智能銷桿。
【發明內容】
[0000]本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種具有尚精確度、尚耐久性、結構簡單、造價低廉的基于無熔接長標距多光柵傳感器的多功能智能錨桿及其安裝布設方法。
[0007]本發明采用的技術方案為:一種多功能智能錨桿，包括無熔接長標距多光柵傳感器、光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器、環氧樹脂或植筋膠、鎧裝光纜和軟塑料套管；
[0008]所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器安裝在錨桿沿縱向所開的小槽內，并通過環氧樹脂或植筋膠封裝；
[0009]所述無熔接長標距多光柵傳感器包括多個依次串聯的長標距光纖光柵傳感單元，所述長標距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段；
[0010]所述光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉；
[0011]所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜連接，從錨桿內引出，所述鎧裝光纜穿于軟塑料套管之中。
[0012]本發明的長標距光纖光柵多功能智能錨桿的安裝布設方法，包括以下幾個步驟:
[0013](I)針對實際工程的具體情況，選定監測的具體位置;一般來說，可選擇比較關鍵和危險的斷面進行監測，在每個斷面，選取有代表性的位置進行布設監測，如對于隧道斷面，可選擇頂部(約90度方向)、兩腰(約45度和135度方向)及兩底(約O度和180度方向)這5個部位進行布設監測；
[0014](2)在所需布置錨桿的巖體或其他介質上沿深度方向鉆孔，孔徑比錨桿略大；同時，在距離監測斷面不遠的地方，安裝并固定好光纜接線盒；
[0015](3)將封裝成一體的智能錨桿的無引出光纜的一端插入鉆好的錨孔內并至一定的深度，將引出光纜圓潤自然得順著圍巖或鋼筋網或鋼骨架等引出至預先固定好的線盒之中，途中作必要的固定和保護，完成智能錨桿的就位；
[0016](4)向裝入錨桿的孔道內注入速凝水泥砂漿，其中注漿質量控制和蓋板等的設置可參考普通錨桿的安裝手冊;待水泥砂漿凝固即完成智能錨桿的布設安裝；
[0017](5)兩根連接無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器并從智能錨桿內引出的引出光纜在穿入接線盒后，用光纖耦合器將兩者耦合，耦合連接部位置于接線盒內，耦合后的輸出光纜則從接線盒中引出，順著隧道結構內壁，一直引至安置好的光纖光柵解調儀，并在途中作必要的固定和保護；
[0018]作為優選，所述基于長標距光纖光柵的多功能智能錨桿也可在巖體或其他介質上沿深度方向鉆孔后，向孔道內裝入速凝錨固藥卷，然后插入錨桿，捅破速凝錨固藥卷而實現固結安裝。
[0019]作為優選，對于像泥層的較軟粘性介質體，可以鉆一個直徑比錨桿略小的孔道，將錨桿直接插入，并在端部用錘擊等方法頂入。
[0020]本發明的有益效果:
[0021](I)本發明的智能錨桿原理簡單可靠，測試方法新穎巧妙。本發明主要是利用安裝在智能錨桿上的光纖光柵傳感器測量智能錨桿在不同深度的應變值，從而推算錨桿在不同深度的軸力，從而對錨桿的承載能力以及其錨固力作出判斷和評價，同時也能對圍巖在荷載等的作用下內部產生變形和位移變化作出一定的判斷；
[0022](2)本發明的無熔接長標距多光柵傳感器由多個串聯的長標距光纖光柵傳感單元組成，因此不僅測量不同深度的錨桿的應變和軸力情況，還能測量錨桿軸向的變形量，獲取圍巖等的沉降或滑移的位移；
[0023](3)本發明的測試精度高，多點溫度補償的設置可以實現精確的溫度補償，其測試精度可達Ιμε;
[0024](4)本發明可對圍巖多個位置的錨桿同時進行監測，可按照監測需求，在多個位置植入智能錨桿，實現一個區域的整體監測。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的多功能智能錨桿構造示意圖；
[0026]圖2為圖1的縱向剖視圖；
[0027]圖3為圖1的橫向剖視圖；
[0028]圖4為本發明無熔接長標距多光柵傳感器構造示意圖；
[0029]圖5為本發明光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器構造示意圖；
[0030]圖6和7為本發明的多功能智能錨桿安裝布設示意圖；
[0031]圖8為本發明的多功能智能錨桿變形量計算示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0033]如圖1-5所示，一種多功能智能錨桿，包括無熔接長標距多光柵傳感器1、光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2、環氧樹脂或植筋膠3、鎧裝光纜4和軟塑料套管5;
[0034]所述無熔接長標距多光柵傳感器I和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2安裝在錨桿6沿縱向所開的小槽內，并通過環氧樹脂或植筋膠3封裝；
[0035]所述無熔接長標距多光柵傳感器I包括多個依次串聯的長標距光纖光柵傳感單元，所述長標距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段；
[0036]所述光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉；
[0037]所述無熔接長標距多光柵傳感器I和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2分別與鎧裝光纜4連接，從錨桿6內引出，所述鎧裝光纜4穿于軟塑料套管5之中。
[0038]上述一種多功能智能錨桿的制作方法，包括以下幾個步驟:
[0039](I)制作無熔接長標距多光柵傳感器
[0040](al)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵；
[0041](a2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，根據工程測試要求設計出每個光柵的錨固點位置，并在套管上根據錨固位置切出多個缺口，穿入帶有多個光柵的單模光纖，調整光柵與套管缺口的位置；
[0042](a3)將光纖兩端通過牽引裝置施加一定的預應力，同時在套管缺口處注入固結膠水形成錨固，固結后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個連續的長標距光纖光柵傳感單元且沒有熔接點的長標距多光柵傳感器；
[0043](a4)對于每個長標距光纖光柵傳感單元來說，套管內的光纖的兩端分別通過固結膠與套管相固定，其余部分的光纖與套管內壁無接觸或雖有輕微接觸，但摩擦力極小可忽略；
[0044](a5)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行無熔接長標距多光柵傳感器本身的一體化封裝加固；
[0045](2)制作多點溫度補償輔助傳感器
[0046](bl)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵;這些光柵的位置設計可以與無熔接長標距多光柵傳感器中的多個光柵一一對應，或者按照沿錨桿長度進行溫度插值的思想進行溫補光柵位置設計;這些光柵的波長不僅在溫度補償傳感器內不能有相同，且與無熔接長標距多光柵傳感器之中的光柵波長亦不能有相同的波長；
[0047](b2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，在套管的一層用膠封閉，將刻好的多光柵兩端尾纖的某一端剪短，然后插入套管內，使其中的光柵的位置處于設計好的某個位置附近，且剪短尾纖側的尾纖縮在套管內部且距離套管尾部有一定距離，此距離以此尾纖不會碰到套管尾部封裝的膠水為原則，然后在套管兩端處注入少許固結膠水，使之封閉形成一個含多個光柵的溫補傳感器。
[0048](b3)對于封裝于套管內的帶多個光柵的光纖尾纖，其一端縮在套管內完全自由，另一端與套管固結并作為引出線引出，光纖在套管內能完全自由滑動；
[0049](b4)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行溫度補償輔助傳感器本身的一體化封裝加固；
[0050](3)制作多功能智能錨桿
[0051](Cl)選用實體錨桿，并沿縱向開一個小槽;準備兩根長度適中的鎧裝光纜，并穿于一根直徑與硬度適中的軟塑料套管之中，鎧裝光纜比軟塑料套管略長，兩頭露出；
[0052](c2)將制作好的無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器固定于錨桿所開的小槽內，并分別用鎧裝光纜連接，從錨桿內引出;無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜進行熔焊的熔焊接頭位于錨桿小槽內，且鎧裝光纜在小槽內保留具有能起到錨固作用的長度，這樣封裝后外部光纜的受力不會導致內部傳感器受力；
[0053](c3)在錨桿小槽內注入環氧樹脂或植筋膠至填平，將無熔接長標距多光柵傳感器和多點溫度補償輔助傳感器與錨桿封裝為一體，形成最終的多功能智能錨桿。
[0054]如圖6和7所示，本發明的多功能智能錨桿的安裝布設方法，包括以下幾個步驟:
[0055](I)針對實際工程的具體情況，選定監測的具體位置;一般來說，可選擇比較關鍵和危險的斷面進行監測，在每個斷面，選取有代表性的位置進行布設監測，如對于隧道斷面，可選擇頂部(約90度方向)、兩腰(約45度和135度方向)及兩底(約O度和180度方向)這5個部位進行布設監測；
[0056](2)在所需布置錨桿的巖體或其他介質上沿深度方向鉆孔，孔徑比錨桿略大；同時，在距離監測斷面不遠的地方，安裝并固定好光纜接線盒；
[0057](3)將封裝成一體的智能錨桿的無引出光纜的一端插入鉆好的錨孔內并至一定的深度，將引出光纜圓潤自然得順著圍巖或鋼筋網或鋼骨架等引出至預先固定好的線盒之中，途中作必要的固定和保護，完成智能錨桿的就位；
[0058](4)向裝入錨桿的孔道內注入速凝水泥砂漿，其中注漿質量控制和蓋板等的設置可參考普通錨桿的安裝手冊;待水泥砂漿凝固即完成智能錨桿的布設安裝；
[0059](5)兩根連接無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器并從智能錨桿內引出的引出光纜在穿入接線盒后，用光纖耦合器將兩者耦合，耦合連接部位置于接線盒內，耦合后的輸出光纜則從接線盒中引出，順著隧道結構內壁，一直引至安置好的光纖光柵解調儀，并在途中作必要的固定和保護；
[0060](6)智能錨桿與其他錨桿和剛骨架等都安裝就位之后，隨即噴射混凝土進行噴錨，完成該斷面位置的襯砌施工。
[0061]所述基于長標距光纖光柵的多功能智能錨桿也可在巖體或其他介質上沿深度方向鉆孔后，向孔道內裝入速凝錨固藥卷，然后插入錨桿，捅破速凝錨固藥卷而實現固結安裝。對于像泥層的較軟粘性介質體，可以鉆一個直徑比錨桿略小的孔道，將錨桿直接插入，并在端部用錘擊等方法頂入。
[0062]本發明的基于長標距光纖光柵的多功能智能錨桿的工作原理如下:
[0063]本發明的基于長標距光纖光柵的多功能智能錨桿，是將含有多個傳感單元的長標距光纖光柵傳感器安裝并封裝于錨桿之內，因此錨桿因受力而引起的應變將被長標距光纖光柵傳感器的所有傳感單元捕捉，由于有多個傳感單元，因此能捕捉到錨桿不同位置的應變，繼而推算出錨桿在不同位置的應力以及承載情況。同時，可根據錨桿長度方向的長標距應變分布，在可不計其彎曲影響時，可以獲得其沿軸向方向的位移。變形量的計算可如下進行:先求出經過溫度補償后的每個長標距傳感單元標距內的應變值，然后乘以其標距長度得到該長標距傳感單元的變形量，然后累計整個錨桿上的變形量。如圖8所示，通過測出標距L1、L2和L3之間的平均應變ε1、ε2和ε3，則可根據公式Δ =ε1.Ll+e2.L2+e3.L3求出錨桿兩端的總位移量A。對于圍巖來講，特別是對于新奧法隧道開挖等用爆破等手段開挖的時候，會使得巖層出現一定程度的破碎，因此加入錨桿進行支護后，在不同深度的應力應變也將不同，因此本發明的智能錨桿能比較準確得反映出由于巖層內部內力重分布而引起的應力不均情況，從而能準確得反映錨桿真實的受力及承載支護情況。多個智能錨桿布置在圍巖的不同位置，可以用來監測該區域的錨桿承載情況，以及圍巖支護和穩定情況，這對圍巖監測非常重要。
[0064]應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種多功能智能錨桿，其特征在于:包括無熔接長標距多光柵傳感器、光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器、環氧樹脂或植筋膠、鎧裝光纜和軟塑料套管； 所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器安裝在錨桿沿縱向所開的小槽內，并通過環氧樹脂或植筋膠封裝； 所述無熔接長標距多光柵傳感器包括多個依次串聯的長標距光纖光柵傳感單元，所述長標距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段； 所述光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉； 所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜連接，從錨桿內引出，所述鎧裝光纜穿于軟塑料套管之中。2.根據權利要求1所述一種多功能智能錨桿的安裝布設方法，其特征在于:包括以下幾個步驟: (1)針對實際工程的具體情況，選定監測的具體位置;選擇比較關鍵和危險的斷面進行監測，在每個斷面，選取有代表性的位置進行布設監測； (2)在所需布置錨桿的巖體或其他介質上沿深度方向鉆孔，孔徑比錨桿大；同時，在距離監測斷面不遠的地方，安裝并固定好光纜接線盒； (3)將封裝成一體的智能錨桿的無引出光纜的一端插入鉆好的錨孔內，將引出光纜圓潤自然得順著圍巖或鋼筋網或鋼骨架引出至預先固定好的線盒之中，途中作固定和保護，完成智能錨桿的就位； (4)向裝入錨桿的孔道內注入速凝水泥砂漿，待水泥砂漿凝固即完成智能錨桿的布設安裝； (5)兩根連接無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器并從智能錨桿內引出的引出光纜在穿入接線盒后，用光纖耦合器將兩者耦合，耦合連接部位置于接線盒內，耦合后的輸出光纜則從接線盒中引出，順著隧道結構內壁，一直引至安置好的光纖光柵解調儀，并在途中作固定和保護。3.根據權利要求2所述的一種多功能智能錨桿的安裝布設方法，其特征在于:所述多功能智能錨桿在巖體或其他介質上沿深度方向鉆孔后，將智能錨桿插入并在孔道內注入速凝水泥砂漿，或先在孔道內裝入速凝錨固藥卷，然后插入錨桿，捅破速凝錨固藥卷而實現固結安裝。4.根據權利要求2所述的多功能智能錨桿的安裝布設方法，其特征在于:對于像泥層的較軟粘性介質體，鉆一個直徑比錨桿略小的孔道，將錨桿直接插入，并在端部用錘擊方法頂入。
【文檔編號】E02D5/74GK105973285SQ201610559678
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】萬春風, 趙學亮, 夏呈
【申請人】東南大學