岩体变形检测方法、自适应预应力张拉方法及张拉系统与流程

1.本发明属于岩土锚固预应力领域，具体涉及岩体变形检测方法、自适应预应力张拉方法及张拉系统。


背景技术：

2.预应力因其技术优势广泛应用于隧道、边坡、基坑、硐室等岩土锚固工程，并得以迅速发展。预应力在锚固工程中起着至关重要的作用，直接影响预应力锚固结构的安全。预应力施加到位可改善和提高岩体的自身强度和自稳能力；反之，则起不到通过预应力锚索主动加固岩土体的作用。
3.现有的技术方案具体而言，依旧采用传统的张拉方式，通常为液压泵站通过高压油管给千斤顶供油，驱动千斤顶活塞移动实现施加预应力。具体流程为：通电启动张拉油泵；电机提供动力源驱动千斤顶；手动调节加荷速度；人工读取液压油表和钢尺测量伸长量；人工计算实际张拉伸长量进行复核。隧道预应力张拉，国内正处于探索和研究阶段，暂是借鉴矿山系统预应力的施加方式，通过空压机提供气体压力动力源使液压系统工作，张拉流程同上所述。在此，锚索预应力施加普遍存在精度低、粗放、管理难度大等问题。
4.预应力锚固作为主动支护的核心，其张拉施工质量直接关系工程成败，即隧道、边坡、基坑、硐室等的安全稳定和变形强烈基本依赖于预应力锚索的张拉效果。然而，在实际工程当中，隧道、边坡、基坑、硐室等岩体岩性具有变化快、不可预见等特点，采用传统张拉方法和设备仅适合岩体强度较高、完整程度较好、承载力较强的工况。当岩体强度较低、完整性较差、承载力较弱、锚固力不足、涉地下水以及锚后脱空等工况下，传统的张拉方式不能满足主动支护理念和技术要求。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种岩体变形检测方法。本发明的第二个目的是提供自适应预应力张拉方法。本发明的第三个目的是提供一种采用前述张拉方法的张拉系统。
6.为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：岩体变形检测方法，包括如下步骤：预设自动张拉目标力值，控制张拉系统张拉；采集张拉过程的张拉力和位移值；系统实时判断张拉力-位移曲线的斜率，,其中，和代表张拉力在相邻两点的前者力值和对应的张拉位移，和代表张拉力在相邻两点的后者力值和对应的张拉位移；根据获得岩体变形情况，若大于或等于阈值，则岩体变形在允许范围内；若低于阈值，则岩体变形超出允许范围。
7.上述技术方案中，根据斜率实时判定岩体变形情况，并可根据斜率推测岩体是否为硬质岩体。若大于或等于阈值，则可推测岩体为硬体岩体；若低于阈值，则可推
测岩体不是硬质岩体，便于实时获知岩体的变形情况，便于施工方案的选择。
8.为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：自适应预应力张拉方法，包括如下步骤：s1、预设自动张拉目标力值，进行预张拉，控制张拉系统张拉，达到预设张拉目标力的a1%，a1为正数；s2、逐渐增加张拉力，计算张拉力在a1%-a2%之间随时间的变化率，a2为大于a1的正数，根据变化率判断岩体类型，选择张拉方案并张拉；s3；令i=0 ，v（i）=0，其中，i为一个循环的序号，v（i）为第i次循环时的张拉速度；s4、张拉过程中，系统实时判断张拉力-位移曲线的斜率，根据判断岩体变形情况；若大于等于阈值，保持原有张拉参数；若低于阈值则循环降速为0，张拉速度v（i+1）= v（i）+dv，其中，dv为循环增速的速度递增值；s5、令i=i+1，重复步骤s4，若大于或等于阈值，保持张拉速度持续张拉，直至最终达到张拉目标力值，完成张拉，锚固锁定。
9.上述技术方案中，在张拉过程中，先根据变化率自动判别岩体类别，在选择张拉工艺张拉过程中，根据斜率实时判定岩体的变形情况，岩体变形在允许范围内时，保持原有张拉参数继续张拉，岩体变形超过允许范围，则循环降速为0后，调节降低张拉速度协调岩体变形，最终到张拉目标力值，并进行判断，以此轮询，直至完成张拉，锚固锁定。
10.在本发明的一种优选实施方式中，变化率与岩体的硬度正相关。变化率越大说明岩体硬度越大。
11.在本发明的一种优选实施方式中，张拉方法存储在智能测控系统中，在智能测控系统中预设有“硬质岩石”、“中硬岩石”、“软质岩石”和“土体”四种张拉工艺方案，岩体硬度与张拉速度正相关；当≥4，则智能测控系统自动判别岩体为硬质岩石，采用“硬质岩石”的张拉工艺方案进行张拉；当2.5≤＜4，则智能测控系统自动判别岩体为中硬岩石，并调整为“中硬岩”的张拉工艺方案进行张拉；当1≤＜2.5，则智能测控系统自动判别岩体为软质岩石，并调整为“软质岩石”的张拉工艺方案进行张拉；当≤1，则智能测控系统自动判别岩体为土体，并调整为“土体”的张拉工艺方案进行张拉。
12.上述技术方案中，对变化率的取值与岩体的具体类别进行了标定，便于智能测控系统快速判定出为何种岩体。
13.在本发明的另一种优选实施方式中，在智能测控系统判定岩体为“硬质岩石”后，对于“硬质岩石”采用“极快速张拉”的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备按第一预设速度张拉锚索；在智能测控系统判定岩体为“中硬岩石”后，对于“中硬岩石”采用“快速张拉+持荷张拉”的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备按第二预设速度张拉锚索，第二预设速度小于第一预设速度，张拉到最大张拉控制力持荷张拉第一预设时间；在智能测控系统判定岩体为“软质岩石”后，对于“软质岩石”采用“中速张拉+补偿张拉”的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备按第三预设速度张拉锚索，第三预设速度小于第二预设速度，首次张拉到最大张拉控制力后锚固锁定，锁定第二预设时间后，对该根锚索再进行补偿张拉，预设张拉控制力为首次张拉的最大力值；在智能测控系统判定岩体为“土体”后，对于“土体”采用“慢速张拉+持荷张拉+补偿张拉”的的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备按第四预设速度张拉锚索，第四预设速度小于第三预设速度，首次张拉到最大张拉控制力后不回油，持荷张拉第三预设时间后锚固锁定，锁定第四预设时间后，对该根锚索再进行补偿张拉，预设张拉控制力为首次张拉的最大力值。
14.上述技术方案中，针对不同的张拉工艺采用不同的张拉速度不同，岩体硬度越小张拉速度越慢，可有效减轻锚固段脱黏、锚固段破坏及预应力损失大等情况。
15.在本发明的另一种优选实施方式中，在第一预设速度下，自动张拉设备的电机转速2300转/分钟、流量控制3.5l/分钟；在第二预设速度下，自动张拉设备的电机转速2000转/分钟、流量控制3l/分钟；在第三预设速度下，自动张拉设备电机转速1750转/分钟、流量控制2.7l/分钟；在第四预设速度下，自动张拉设备的电机转速1450转/分钟、流量控制2.2l/分钟。
16.上述技术方案对第一预设速度、第二预设速度、第三预设速度和第四预设速度，所对应的具体电机转速和流量进行了标定，便于智能测控系统快速切换张拉速度。
17.在本发明的另一种优选实施方式中，阈值为=2。
18.在本发明的另一种优选实施方式中，采用如下公式实时判断力值f-时间t曲线的变化率：，其中，和代表张拉力在相邻两点的前者力值和对应的时间，和代表张拉力在相邻两点的后者力值和对应的时间。
19.上述技术方案中，智能测控系统实时监测判断锚索锚固力，通过力值f-时间t关系曲线智能识别岩体类别，从而根据岩体类别判定锚固段承载力，不破坏锚固段。
20.在本发明的另一种优选实施方式中，采用如下公式实时判断力值f-位移s曲线的斜率：，其中，和代表张拉力在相邻两点的前者力值和对应的张拉位移，和代表张拉力在相邻两点的后者力值和对应的张拉位移。
21.上述技术方案中，智能测控系统实时监测判断锚索锚固力，通过力值f-位移s关系曲线智能识别岩体情况及锚固状态，不破坏锚固段。
22.为达到上述第三个目的，本发明采用如下技术方案：自适应预应力张拉系统，包括沿锚索/锚杆轴心方向设置的工作锚、以及用于张拉锚索的张拉设备，张拉设备为张拉千斤顶，张拉千斤顶的进油口、回油口分别通过进油管、回油管与液压泵站连接；该张拉系统采用前述的张拉方法对锚索进行自适应张拉。
23.相比现有技术，本发明的张拉方法和张拉系统具体如下有益效果：1）定义岩体级别，不同的类别岩体采用不同的张拉工艺方案。
24.2）张拉方法上，设置极快速张拉、快速张拉、中速张拉、慢速张拉、持荷张拉、补偿张拉几种张拉工艺不同组合方案，但也不限于上述组合方案；该张拉系统能够自适应岩体变形进行变速控制，避免对原锚固结构的施工扰动影响。
25.3）在自动化张拉过程中，通过算法判别岩体类别，自适应调整张拉工艺方案，解决人为因素干扰的问题。
26.4）采用全过程侦测技术，实时判别岩体变形情况，并进行协调变形控制。
27.5）采用全过程侦测技术，实时监测判断岩锚（锚索、锚杆等）的锚固力，通过力值f-时间t关系曲线、以及力值f-位移s关系曲线智能识别锚固段承载力，不破坏锚固段。
28.6）张拉设备的张拉速度、速率、流量、电机转速多参数测量与控制。
29.7）岩土锚固张拉采用自动化技术，自动张拉、实时显示数据、智能判断、数据管理等，实现数字化，智能化记录施工过程，可信、可追溯、可回查，解决旁站和数据资料处理的问题。
30.8）自动张拉锚固过程实现了严格的控制算法，实现可控性张拉锚固，为智能控制，解决人工读数误差的问题。
31.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
32.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本技术的一种自适应预应力张拉系统的结构示意图。
33.图2是本技术的自适应预应力张拉方法的流程逻辑框图。
34.说明书附图中的附图标记包括：岩体1、工作锚2、张拉设备3、锚索4、液压泵站5、智能测控系统6、电源7。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
38.实施例一本实施例提供了一种自适应预应力张拉系统，如图1所示，在一种优选实施方式中，该自适应预应力张拉系统包括沿锚索4（锚索4也可替换为锚杆）轴心方向设置的工作锚2、以及用于张拉锚索4的张拉设备3，张拉设备3为张拉千斤顶，张拉千斤顶3的进油口、回油口分别通过进油管、回油管与液压泵站5连接，液压泵站5为便携式泵站，由电源7给液压泵站5供电。液压泵站5包括液压泵、驱动液压泵运转的电机、液压缸、阀块、油路管道、设在油路管道上的流量计、控制电路板及控制器等，本发明的液压泵站5为预应力张拉系统中现有的液压泵站，其结构和原理在此不详述。
39.液压泵站5与智能测控系统6电连接，智能测控系统6可以为平板或笔记本电脑。智
能测控系统6用于与液压泵站5下位机建立蓝牙通讯，通过软件系统向液压泵站5下位机发送动作指令，输出控制信号给液压泵站5，控制张拉千斤顶3的进油和回油，以及数据的储存与管理。
40.本发明的张拉系统工作时，液压泵站5的电机带动液压泵工作给张拉千斤顶3供油，张拉千斤顶3的进油腔充油，千斤顶3的顶内夹片夹紧锚索4工作段达到张拉进程供张拉力；液压泵站5使张拉千斤顶3的回油腔充油，千斤顶3的顶内夹片逐渐放松锚索4工作段达到张拉回程卸荷、回油。使用张拉千斤顶3张拉锚索4的原理为现有技术，本发明不在详述。
41.在本发明中，张拉千斤顶3前置弹簧式限位槽可根据弹力适应不同的矿用工作锚，解决限位槽不匹配产生的摩擦损失，在张拉锚固时还起到顶推工作夹片减少锚固回缩损失的作用。
42.实施例二本实施例提供了一种利用实施例一的自适应预应力张拉进行自适应预应力张拉的方法，如图1和图2所示，本实施例的自适应预应力张拉方法包括如下步骤；s1、预设自动张拉目标力值，进行预张拉，控制张拉系统张拉，达到预设张拉目标力的a1%，a1为正数。具体地，操作者在智能测控系统6上预设单根锚索4的设计张拉控制力(即自动张拉目标力值)，本实施例以设计张拉控制力为350kn为例进行说明。智能测控系统6控制张拉千斤顶3按第一预设速度（为默认张拉速度）张拉至预设的设计张拉控制力的a1%，比如张拉至设计张拉控制力的20%，即70kn。
43.在本发明中，可采用本领域常用的通过张拉千斤顶3的吨位计算得出控制参数来保证张拉速度的方式，也可通过控制液压泵站5的液压油流量来实现控制张拉千斤顶3的张拉速度，具体可通过控制驱动液压泵运转的电机的转速来实现，比如电机以2300r/min转速(为该张拉系统默认的电机转速)的运转时，张拉千斤顶3按第一预设速度进行张拉，此时流量控制在3.5l/分钟。具体张拉速度、速率根据所配置千斤顶吨位计算得出，为本领域的现有技术，在此不详述。
44.s2、按默认速度逐渐增加张拉力，智能测控系统6计算张拉力在a1%-a2%（比如20%-30%，即70kn-105kn）之间随时间的变化率，根据变化率判断岩体类型，选择张拉方案并张拉。
45.具体采用如下公式实时判断力值f-时间t曲线的变化率：。其中，和代表张拉力在相邻两点的前者力值和对应的时间，和代表张拉力在相邻两点的后者力值和对应的时间。
46.s3；令i=0 ，v（i）=0，其中，i为一个循环的序号，v（i）为第i次循环时的张拉速度。
47.s4、根据岩体类型选的张拉方案，继续张拉过程中，智能测控系统6实时判断张拉力f-位移s曲线的斜率，根据判断岩体变形情况。
48.若大于等于阈值（比如≥2），岩体变形在允许范围内，保持原有张拉参数（即保持默认的张拉速度进行张拉）；若低于阈值（＜2），岩体变形超出允许范围，则循环降速为0（循环降速为本领域常用的方式，具体降速过程在此不详述），张拉速度v（i+1）= v（i）+dv，其中，dv为循环
增速的速度递增值。
49.具体采用如下公式实时判断力值f-位移s曲线的斜率：。其中，和代表张拉力在相邻两点的前者力值和对应的张拉位移，和代表张拉力在相邻两点的后者力值和对应的张拉位移。具体测量张拉力f和位移s的方式为本领域的现有技术，不是本发明的创新点，在此不详述。
50.s5、令i=i+1，重复步骤s4，实时进行≥2判断，若大于或等于阈值，保持张拉速度持续张拉，直至最终达到张拉目标力值，完成张拉，锚固锁定。
51.需要说明的是，该张拉系统预设的设计张拉控制力提前输入智能测控系统6中作为目标力值，但是岩土锚固工程目前还存在锚固系统的承载力不够的情况，故本发明提供了一种算法来适应岩体变形协调控制的方法判别，以识别岩体变形情况和锚固状态。
52.在本发明中，张拉方法存储在智能测控系统6中，在智能测控系统6中预设有“硬质岩石”、“中硬岩石”、“软质岩石”和“土体”四种张拉工艺方案。具体可根据岩体1的强度、完整性和承载力综合分为硬质岩石、中硬岩石、软质岩石和土体四类。其中，硬质岩石包括但不限于为花岗岩、闪长岩、玄武岩、安山岩；中硬岩石包括但不限于为砂岩、白云岩、大理岩、石灰岩；软质岩石包括但不限于为碳质板岩、页岩、泥岩、泥质砂岩、千枚岩、泥灰岩；土体包括但不限于为黄土、膨胀土、碎石、断层破碎带。
53.在本发明中，变化率与岩体的硬度正相关，比如当≥4时，则智能测控系统自动判别岩体为硬质岩石，采用“硬质岩石”的张拉工艺方案进行张拉；比如当2.5≤＜4时，则智能测控系统自动判别岩体为中硬岩石，并调整为“中硬岩”的张拉工艺方案进行张拉；比如当1≤＜2.5时，则智能测控系统自动判别岩体为软质岩石，并调整为“软质岩石”的张拉工艺方案进行张拉；比如当≤1时，则智能测控系统自动判别岩体为土体，并调整为“土体”的张拉工艺方案进行张拉。
54.在本发明中，在智能测控系统6判定岩体为“硬质岩石”后，对于“硬质岩石”采用“极快速张拉”的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备3继续按第一预设速度(电机转速2300r/min、流量控制3.5l/分钟)张拉锚索4，直至预设的设计张拉控制力的100%为止。
55.在智能测控系统6判定岩体为“中硬岩石”后，对于“中硬岩石”采用“快速张拉+持荷张拉”的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备3降速按第二预设速度（比如电机转速下降为2000r/min、流量控制3l/分钟)张拉锚索4，张拉到最大张拉控制力持荷张拉第一预设时间(比如持荷张拉1min)。
56.在智能测控系统6判定岩体为“软质岩石”后，对于“软质岩石”采用“中速张拉+补偿张拉”的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备3降速按第三预设速度（比如电机转速下降为1750r/min、流量控制2.7l/分钟)张拉锚索4，首次张拉到最大张拉控制力后锚固锁定，即张拉设备3保持该张拉力并锁定；锁定第二预设时间后(比如锁定15min)，对该根锚索4再进行补偿张拉，补偿张拉的预设张拉控制力为首次张拉的最大力值（即中速张拉时的最大力值）。“软质岩石”平均每根锚索4张拉时间为8min。
57.在智能测控系统6判定岩体为“土体”后，对于“土体”采用“慢速张拉+持荷张拉+补
偿张拉”的的张拉工艺方案进行张拉，具体为：张拉设备3降速按第四预设速度（比如电机转速下降为1450r/min、流量控制2.2l/分钟)张拉锚索4，首次张拉到最大张拉控制力后不回油，持荷张拉第四预设时间(比如持荷张拉1min)后锚固锁定，锁定第四预设时间，比如锁定15min后，对该根锚索4再进行补偿张拉，补偿张拉的预设张拉控制力为首次张拉的最大力值（即慢速张拉时的最大力值）。
58.本发明是基于张拉设备3、液压泵站5和智能测控系统6的自动化张拉系统，综合定义了岩体的级别，形成了一套系统性适合于岩土锚固自适应预应力的张拉方法及张拉系统。并且根据这套张拉方法体系建立了完善的张拉工艺方案，不同岩体情况合理选择张拉工艺方案、自动化张拉流程，彻底解决了现有张拉方法不适应产生的工程质量问题。本发明还提供的完备性体系，在岩土锚固领域，对岩锚预应力张拉施工技术水平的发展和提高具有促进效果，引领自动化张拉技术的发展。
59.实施例三本实施例提供了一种岩体变形检测方法，包括如下步骤：预设自动张拉目标力值，控制张拉系统张拉；采集张拉过程的张拉力和位移值；系统实时判断张拉力-位移曲线的斜率，，其中，和代表张拉力在相邻两点的前者力值和对应的张拉位移，和代表张拉力在相邻两点的后者力值和对应的张拉位移；根据获得岩体变形情况，若大于或等于阈值，则岩体变形在允许范围内；若低于阈值，则岩体变形超出允许范围。
60.本实施例的岩体变形检测方法为实施例二的自适应预应力张拉方法的部分内容，具体过程可参照实施例二，在此不详述。
61.在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
62.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。