本發(fā)明涉及一種約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合特性評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道的跨度越來(lái)越大，施工過(guò)程中經(jīng)常遇到高地應(yīng)力、軟巖、斷層破碎帶、偏壓、淋水等復(fù)雜條件使隧道圍巖支護(hù)困難，造成變形破壞，嚴(yán)重影響施工安全，傳統(tǒng)的支護(hù)方式在面對(duì)這些工程難題時(shí)，往往顯得力不從心。而作為一種新型的支護(hù)方式，約束混凝土拱架支護(hù)擁有延性大，抗壓強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)靈活等一系列優(yōu)勢(shì)，正逐漸在隧道建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

然而到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于約束混凝土的理論研究尚不完善，現(xiàn)場(chǎng)約束混凝土拱架支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)仍主要以經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏完善的設(shè)計(jì)思路以及拱架支護(hù)效果的系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法。

因此，設(shè)計(jì)一種評(píng)價(jià)方法來(lái)檢測(cè)約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)的徑向耦合特性，對(duì)于了解整個(gè)約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)的受力情況，對(duì)于為以后現(xiàn)場(chǎng)拱架的設(shè)計(jì)提供參考具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合特性評(píng)價(jià)方法，該方法能夠評(píng)價(jià)約束混凝土拱架支護(hù)后圍巖、鋼管、混凝土以及二次襯砌的耦合特性，為下一步約束混凝土支護(hù)參數(shù)的調(diào)整提供參考。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合特性評(píng)價(jià)方法，包括如下步驟：

步驟一：開(kāi)挖隧道，對(duì)開(kāi)挖后的隧道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)；掛鋼筋網(wǎng)，然后在圍巖表面噴射一層混凝土，對(duì)噴射了混凝土的圍巖表面進(jìn)行定點(diǎn)鉆孔，引出多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)繩，并將鉆孔封堵；

步驟二：在約束混凝土拱架外部粘貼應(yīng)變片，內(nèi)部粘貼應(yīng)變磚，在所述的應(yīng)變磚上粘貼應(yīng)變片，隨后灌注并安裝約束混凝土拱架；

步驟三：噴射外層混凝土，立模澆筑二次襯砌，并在二次襯砌上進(jìn)行定點(diǎn)鉆孔，在孔內(nèi)埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，引出多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)繩，并將鉆孔封堵；

步驟四：將步驟一和步驟三中的多點(diǎn)位移計(jì)的電纜連接至相應(yīng)儀器上，讀取圍巖的徑向位移Δl_w以及襯砌的徑向位移Δl_l；

步驟五：將所述的應(yīng)變片連接線連接至接收儀上，讀取核心混凝土以及鋼管的應(yīng)變，并將其轉(zhuǎn)化為位移；

步驟六：綜合圍巖的徑向位移、襯砌的徑向位移、核心混凝土的徑向位移以及約束混凝土拱架的外部鋼管的徑向位移，計(jì)算約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合系數(shù)K，確定圍巖、襯砌、核心混凝土以及鋼管的耦合特性，從而評(píng)價(jià)整個(gè)約束混凝土拱架的受力性能。

進(jìn)一步地，步驟一及步驟三中，埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)的過(guò)程為：首先進(jìn)行鉆孔，然后將多點(diǎn)位移計(jì)的基點(diǎn)錨頭置于孔內(nèi)底部，引出測(cè)繩，隨后進(jìn)行灌漿封孔。

優(yōu)選的，灌漿封孔時(shí)采用與圍巖噴射混凝土配比相一致的水泥砂漿對(duì)鉆孔進(jìn)行灌漿。直至灌滿為止。

進(jìn)一步地，步驟二中，約束混凝土拱架的組裝方法如下：

在用于約束混凝土的鋼管短柱的外部粘貼應(yīng)變片，內(nèi)部粘貼應(yīng)變磚，在所述的應(yīng)變磚上也粘貼應(yīng)變片；粘貼在內(nèi)部的應(yīng)變片用于檢測(cè)鋼管短柱內(nèi)部核心混凝土的應(yīng)變，外部應(yīng)變片檢測(cè)鋼管短柱的應(yīng)變；對(duì)每一節(jié)鋼管短柱灌注混凝土，然后將各個(gè)澆筑混凝土后的鋼管短柱架設(shè)成約束混凝土拱架。

在約束混凝土鋼管短柱上進(jìn)行定點(diǎn)，利用氣割割下鋼管短柱的一塊圓鋼片，在圓鋼片內(nèi)側(cè)粘貼應(yīng)變磚，在所述的應(yīng)變磚上粘貼內(nèi)部應(yīng)變片，在圓鋼片外部于相同位置處粘貼應(yīng)變片；并將內(nèi)側(cè)應(yīng)變片連接線通過(guò)扎絲捆綁在一起，通過(guò)在圓鋼片靠近邊緣處開(kāi)孔引出線束；然后將圓鋼片焊接到原切割位置。

所述的應(yīng)變磚為一個(gè)方形結(jié)構(gòu)，其采用與灌注核心混凝土相同的材料進(jìn)行配制。

在靠近所述的應(yīng)變磚的3個(gè)相鄰表面的3個(gè)法線交點(diǎn)處粘貼內(nèi)部應(yīng)變片。

進(jìn)一步地，步驟五中，通過(guò)應(yīng)變儀上核心混凝土的徑向應(yīng)變?chǔ)?sub>cd以及鋼管的徑向應(yīng)變?chǔ)?sub>sd，得到核心混凝土的徑向位移Δl_c以及鋼管的徑向位移Δl_s；其中Δl_c＝ε_cd·l_c，Δl_s＝ε_sd·l_s。其中l(wèi)_c為核心混凝土徑向長(zhǎng)度，l_s為鋼管徑向長(zhǎng)度。

進(jìn)一步地，步驟六中，約束混凝土支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合系數(shù)K由圍巖的徑向位移Δl_w、襯砌的徑向位移Δl_l、核心混凝土的徑向位移Δl_c以及鋼管的徑向位移Δl_s綜合確定，約束混凝土支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合系數(shù)K的確定方法為其中a為約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合參考值，M為四者徑向位移的平均值。

進(jìn)一步地，K數(shù)值越小，說(shuō)明鋼管混凝土支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合特性更好，受力及整體性能更好。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)，應(yīng)變磚及應(yīng)變片獲得約束混凝土支護(hù)系統(tǒng)相關(guān)部分的徑向位移值，參數(shù)簡(jiǎn)單易得，評(píng)價(jià)方法直觀反映約束混凝土拱架的徑向耦合特性，從而實(shí)時(shí)判斷現(xiàn)場(chǎng)約束混凝土拱架的應(yīng)力應(yīng)變特征，為相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)提供參考。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明評(píng)價(jià)流程圖；

圖2為本發(fā)明約束混凝土短柱示意圖；

圖3為本發(fā)明應(yīng)變磚的示意圖；

圖中，1、應(yīng)變片；2、應(yīng)變磚；3、鋼片開(kāi)孔；4、約束混凝土的鋼管短柱。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：如圖1所示，本發(fā)明的一種約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合特性評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：

步驟一：開(kāi)挖隧道，安裝臨時(shí)支護(hù)，掛鋼筋網(wǎng)，隨后噴射一層混凝土，隨后在噴射了混凝土的圍巖表面進(jìn)行定點(diǎn)鉆孔，然后將多點(diǎn)位移計(jì)的基點(diǎn)錨頭置于孔內(nèi)底部，引出測(cè)繩，隨后采用與圍巖噴射混凝土配比相一致的水泥砂漿對(duì)鉆孔進(jìn)行灌漿。直至灌滿為止。

上述“開(kāi)挖隧道，安裝臨時(shí)支護(hù)，掛鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土”均采用現(xiàn)有的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此在此不詳細(xì)描述了。

步驟二：鉆孔灌漿之后，對(duì)約束混凝土拱架4進(jìn)行拼接安裝；

拼接安裝之前，在用于約束混凝土的鋼管短柱4的外部粘貼應(yīng)變片，內(nèi)部粘貼應(yīng)變磚；所述的內(nèi)部應(yīng)變磚用于檢測(cè)鋼管短柱內(nèi)部核心混凝土的應(yīng)變，外部應(yīng)變片檢測(cè)鋼管短柱的應(yīng)變；對(duì)每一節(jié)鋼管短柱灌注混凝土，然后將各個(gè)澆筑混凝土后的鋼管短柱架設(shè)成約束混凝土拱架；

其中應(yīng)變片位于約束混凝土拱架的拱頂、拱肩、拱腰處粘貼應(yīng)變片；

如圖2所示，所述的約束混凝土的鋼管短柱的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為一個(gè)矩形塊，在所述的矩形塊內(nèi)部粘貼應(yīng)變磚2；應(yīng)變磚2的具體結(jié)構(gòu)可以參考圖3；

內(nèi)部應(yīng)變磚的安裝方法如下：

利用氣割在鋼管短柱粘有應(yīng)變片位置處割下圓鋼片，切割后形成的鋼片開(kāi)孔3如圖2所示；

在鋼片內(nèi)側(cè)粘貼帶有應(yīng)變片的應(yīng)變磚2，并將內(nèi)側(cè)應(yīng)變磚2的應(yīng)變片1連接線通過(guò)扎絲捆綁在一起，通過(guò)在鋼片靠近邊緣處開(kāi)孔引出線束。隨后對(duì)約束混凝土拱架進(jìn)行拼接安裝；具體的結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示；

粘貼應(yīng)變片的方法為，首先在應(yīng)變片背面抹上速干膠，將其緊密粘貼在鋼管和應(yīng)變磚上，焊接測(cè)線，并在應(yīng)變片及測(cè)線焊接處再抹上一層速干膠，作為對(duì)應(yīng)變片和測(cè)線的保護(hù)。

粘貼應(yīng)變磚的方法為，在氣割下的圓鋼上粘貼應(yīng)變磚時(shí)，首先使用粘結(jié)劑在混凝土表面充分涂抹，然后將應(yīng)變磚按壓在鋼管表面，確?；炷僚c鋼管的充分接觸，并用粘結(jié)劑將整個(gè)應(yīng)變磚涂滿。

步驟三：拼裝約束混凝土拱架之后，在約束混凝土拱架外部立模澆筑混凝土，形成二次襯砌，并在二次襯砌上進(jìn)行定點(diǎn)鉆孔，埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)，引出測(cè)繩，并將鉆孔封堵。

上述“二次襯砌”的具體實(shí)施手段也可以參考現(xiàn)有的技術(shù)手段，因此在此不詳細(xì)描述了。

步驟四：將內(nèi)部圍巖上的多點(diǎn)位移計(jì)以及外部二次襯砌上的多點(diǎn)位移計(jì)上的電纜連接至相應(yīng)儀器上，讀取圍巖的徑向位移Δl_w以及襯砌的徑向位移Δl_l；

這里所述的“相應(yīng)儀器”是指與多點(diǎn)位移計(jì)相連的數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)顯示裝置，用于顯示采集的數(shù)據(jù)。

步驟五：連接應(yīng)變片與應(yīng)變裝置的連接線，通過(guò)應(yīng)變片對(duì)約束混凝土拱架外部鋼管的變形數(shù)值以及內(nèi)部核心混凝土的變形數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到一段時(shí)間變形穩(wěn)定后約束混凝土拱架外部鋼管以及內(nèi)部核心混凝土的應(yīng)變；

這里所述的“應(yīng)變裝置”是指與應(yīng)變片相連的數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)顯示裝置，用于顯示采集的數(shù)據(jù)。

步驟六：綜合圍巖的徑向位移、襯砌的徑向位移、核心混凝土的徑向位移以及鋼管的徑向位移，計(jì)算約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合系數(shù)K，確定圍巖、襯砌、核心混凝土以及鋼管的耦合特性，從而評(píng)價(jià)整個(gè)約束混凝土拱架的受力性能。

步驟一及步驟三中所述的鉆孔定點(diǎn)，指在圍巖和二次襯砌的表面，相應(yīng)于約束混凝土拱架粘貼應(yīng)變片處進(jìn)行鉆孔放置多點(diǎn)位移計(jì)。

步驟五中，通過(guò)應(yīng)變儀上核心混凝土的徑向應(yīng)變?chǔ)?sub>cd以及鋼管的徑向應(yīng)變?chǔ)?sub>sd，得到核心混凝土的徑向位移Δl_c以及約束混凝土拱架的外部鋼管的徑向位移Δl_s。其中Δl_c＝ε_cd·l_c，Δl_s＝ε_sd·l_s。其中l(wèi)_c為核心混凝土徑向長(zhǎng)度，l_s為鋼管徑向長(zhǎng)度。

步驟六中，約束混凝土支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合系數(shù)K由圍巖的徑向位移Δl_w、襯砌的徑向位移Δl_l、核心混凝土的徑向位移Δl_c以及鋼管的徑向位移Δl_s綜合確定，約束混凝土支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合系數(shù)K的確定方法為其中a為約束混凝土拱架支護(hù)系統(tǒng)徑向耦合參考值，M為四者徑向位移的平均值。

當(dāng)K的值越小，說(shuō)明約束混凝土拱架的鋼混耦合性能越好。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。