一种约束混凝土拱架支护系统径向耦合特性评价方法与流程

本发明涉及一种约束混凝土拱架支护系统径向耦合特性评价方法。

背景技术：

随着我国隧道建设的不断发展，隧道的跨度越来越大，施工过程中经常遇到高地应力、软岩、断层破碎带、偏压、淋水等复杂条件使隧道围岩支护困难，造成变形破坏，严重影响施工安全，传统的支护方式在面对这些工程难题时，往往显得力不从心。而作为一种新型的支护方式，约束混凝土拱架支护拥有延性大，抗压强度高，结构灵活等一系列优势，正逐渐在隧道建设中扮演着越来越重要的角色。

然而到目前为止，国内外对于约束混凝土的理论研究尚不完善，现场约束混凝土拱架支护参数设计仍主要以经验为主，缺乏完善的设计思路以及拱架支护效果的系统评价方法。

因此，设计一种评价方法来检测约束混凝土拱架支护系统的径向耦合特性，对于了解整个约束混凝土拱架支护系统的受力情况，对于为以后现场拱架的设计提供参考具有重要意义。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，本发明提出了一种约束混凝土拱架支护系统径向耦合特性评价方法，该方法能够评价约束混凝土拱架支护后围岩、钢管、混凝土以及二次衬砌的耦合特性，为下一步约束混凝土支护参数的调整提供参考。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种约束混凝土拱架支护系统径向耦合特性评价方法，包括如下步骤：

步骤一：开挖隧道，对开挖后的隧道进行临时支护；挂钢筋网，然后在围岩表面喷射一层混凝土，对喷射了混凝土的围岩表面进行定点钻孔，引出多点位移计的测绳，并将钻孔封堵；

步骤二：在约束混凝土拱架外部粘贴应变片，内部粘贴应变砖，在所述的应变砖上粘贴应变片，随后灌注并安装约束混凝土拱架；

步骤三：喷射外层混凝土，立模浇筑二次衬砌，并在二次衬砌上进行定点钻孔，在孔内埋设多点位移计，引出多点位移计的测绳，并将钻孔封堵；

步骤四：将步骤一和步骤三中的多点位移计的电缆连接至相应仪器上，读取围岩的径向位移Δl_w以及衬砌的径向位移Δl_l；

步骤五：将所述的应变片连接线连接至接收仪上，读取核心混凝土以及钢管的应变，并将其转化为位移；

步骤六：综合围岩的径向位移、衬砌的径向位移、核心混凝土的径向位移以及约束混凝土拱架的外部钢管的径向位移，计算约束混凝土拱架支护系统径向耦合系数K，确定围岩、衬砌、核心混凝土以及钢管的耦合特性，从而评价整个约束混凝土拱架的受力性能。

进一步地，步骤一及步骤三中，埋设多点位移计的过程为：首先进行钻孔，然后将多点位移计的基点锚头置于孔内底部，引出测绳，随后进行灌浆封孔。

优选的，灌浆封孔时采用与围岩喷射混凝土配比相一致的水泥砂浆对钻孔进行灌浆。直至灌满为止。

进一步地，步骤二中，约束混凝土拱架的组装方法如下：

在用于约束混凝土的钢管短柱的外部粘贴应变片，内部粘贴应变砖，在所述的应变砖上也粘贴应变片；粘贴在内部的应变片用于检测钢管短柱内部核心混凝土的应变，外部应变片检测钢管短柱的应变；对每一节钢管短柱灌注混凝土，然后将各个浇筑混凝土后的钢管短柱架设成约束混凝土拱架。

在约束混凝土钢管短柱上进行定点，利用气割割下钢管短柱的一块圆钢片，在圆钢片内侧粘贴应变砖，在所述的应变砖上粘贴内部应变片，在圆钢片外部于相同位置处粘贴应变片；并将内侧应变片连接线通过扎丝捆绑在一起，通过在圆钢片靠近边缘处开孔引出线束；然后将圆钢片焊接到原切割位置。

所述的应变砖为一个方形结构，其采用与灌注核心混凝土相同的材料进行配制。

在靠近所述的应变砖的3个相邻表面的3个法线交点处粘贴内部应变片。

进一步地，步骤五中，通过应变仪上核心混凝土的径向应变ε_cd以及钢管的径向应变ε_sd，得到核心混凝土的径向位移Δl_c以及钢管的径向位移Δl_s；其中Δl_c＝ε_cd·l_c，Δl_s＝ε_sd·l_s。其中l_c为核心混凝土径向长度，l_s为钢管径向长度。

进一步地，步骤六中，约束混凝土支护系统径向耦合系数K由围岩的径向位移Δl_w、衬砌的径向位移Δl_l、核心混凝土的径向位移Δl_c以及钢管的径向位移Δl_s综合确定，约束混凝土支护系统径向耦合系数K的确定方法为其中a为约束混凝土拱架支护系统径向耦合参考值，M为四者径向位移的平均值。

进一步地，K数值越小，说明钢管混凝土支护系统径向耦合特性更好，受力及整体性能更好。

本发明的有益效果为：

本发明通过多点位移计，应变砖及应变片获得约束混凝土支护系统相关部分的径向位移值，参数简单易得，评价方法直观反映约束混凝土拱架的径向耦合特性，从而实时判断现场约束混凝土拱架的应力应变特征，为相关技术的改进提供参考。

附图说明

图1为本发明评价流程图；

图2为本发明约束混凝土短柱示意图；

图3为本发明应变砖的示意图；

图中，1、应变片；2、应变砖；3、钢片开孔；4、约束混凝土的钢管短柱。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，本发明的一种约束混凝土拱架支护系统径向耦合特性评价方法，包括以下步骤：

步骤一：开挖隧道，安装临时支护，挂钢筋网，随后喷射一层混凝土，随后在喷射了混凝土的围岩表面进行定点钻孔，然后将多点位移计的基点锚头置于孔内底部，引出测绳，随后采用与围岩喷射混凝土配比相一致的水泥砂浆对钻孔进行灌浆。直至灌满为止。

上述“开挖隧道，安装临时支护，挂钢筋网，喷射混凝土”均采用现有的技术手段来实现，因此在此不详细描述了。

步骤二：钻孔灌浆之后，对约束混凝土拱架4进行拼接安装；

拼接安装之前，在用于约束混凝土的钢管短柱4的外部粘贴应变片，内部粘贴应变砖；所述的内部应变砖用于检测钢管短柱内部核心混凝土的应变，外部应变片检测钢管短柱的应变；对每一节钢管短柱灌注混凝土，然后将各个浇筑混凝土后的钢管短柱架设成约束混凝土拱架；

其中应变片位于约束混凝土拱架的拱顶、拱肩、拱腰处粘贴应变片；

如图2所示，所述的约束混凝土的钢管短柱的结构如图2所示，为一个矩形块，在所述的矩形块内部粘贴应变砖2；应变砖2的具体结构可以参考图3；

内部应变砖的安装方法如下：

利用气割在钢管短柱粘有应变片位置处割下圆钢片，切割后形成的钢片开孔3如图2所示；

在钢片内侧粘贴带有应变片的应变砖2，并将内侧应变砖2的应变片1连接线通过扎丝捆绑在一起，通过在钢片靠近边缘处开孔引出线束。随后对约束混凝土拱架进行拼接安装；具体的结构图如图2、图3所示；

粘贴应变片的方法为，首先在应变片背面抹上速干胶，将其紧密粘贴在钢管和应变砖上，焊接测线，并在应变片及测线焊接处再抹上一层速干胶，作为对应变片和测线的保护。

粘贴应变砖的方法为，在气割下的圆钢上粘贴应变砖时，首先使用粘结剂在混凝土表面充分涂抹，然后将应变砖按压在钢管表面，确保混凝土与钢管的充分接触，并用粘结剂将整个应变砖涂满。

步骤三：拼装约束混凝土拱架之后，在约束混凝土拱架外部立模浇筑混凝土，形成二次衬砌，并在二次衬砌上进行定点钻孔，埋设多点位移计，引出测绳，并将钻孔封堵。

上述“二次衬砌”的具体实施手段也可以参考现有的技术手段，因此在此不详细描述了。

步骤四：将内部围岩上的多点位移计以及外部二次衬砌上的多点位移计上的电缆连接至相应仪器上，读取围岩的径向位移Δl_w以及衬砌的径向位移Δl_l；

这里所述的“相应仪器”是指与多点位移计相连的数据采集卡以及数据显示装置，用于显示采集的数据。

步骤五：连接应变片与应变装置的连接线，通过应变片对约束混凝土拱架外部钢管的变形数值以及内部核心混凝土的变形数值进行监测，得到一段时间变形稳定后约束混凝土拱架外部钢管以及内部核心混凝土的应变；

这里所述的“应变装置”是指与应变片相连的数据采集卡以及数据显示装置，用于显示采集的数据。

步骤六：综合围岩的径向位移、衬砌的径向位移、核心混凝土的径向位移以及钢管的径向位移，计算约束混凝土拱架支护系统径向耦合系数K，确定围岩、衬砌、核心混凝土以及钢管的耦合特性，从而评价整个约束混凝土拱架的受力性能。

步骤一及步骤三中所述的钻孔定点，指在围岩和二次衬砌的表面，相应于约束混凝土拱架粘贴应变片处进行钻孔放置多点位移计。

步骤五中，通过应变仪上核心混凝土的径向应变ε_cd以及钢管的径向应变ε_sd，得到核心混凝土的径向位移Δl_c以及约束混凝土拱架的外部钢管的径向位移Δl_s。其中Δl_c＝ε_cd·l_c，Δl_s＝ε_sd·l_s。其中l_c为核心混凝土径向长度，l_s为钢管径向长度。

步骤六中，约束混凝土支护系统径向耦合系数K由围岩的径向位移Δl_w、衬砌的径向位移Δl_l、核心混凝土的径向位移Δl_c以及钢管的径向位移Δl_s综合确定，约束混凝土支护系统径向耦合系数K的确定方法为其中a为约束混凝土拱架支护系统径向耦合参考值，M为四者径向位移的平均值。

当K的值越小，说明约束混凝土拱架的钢混耦合性能越好。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。