用于消落带层状涉水岩体加固的自调节锚杆装置及方法与流程

本发明属于消落带岩体锚杆施工技术领域，具体涉及一种用于消落带层状涉水岩体加固的自调节锚杆装置及方法。

背景技术：

三峡工程运营以来，充分的发挥了其航运、防洪、发电的功用，带来了巨大的经济效益。而在其运营过程中，也面临着较多的工程岩体问题，其中最为严峻的则是消落带处岩体的安全稳定问题。三峡库区的水位会随着季节的交替发生周期性变化，形成高度约为30m的消落带，消落带中的岩体则随之经历周期性的干湿交替，极易累积损伤，造成岩体安全问题。且由于库区的跨度较大，消落带中的岩体结构也是复杂多样的，顺倾向层状岩体便是其中较为常见的结构之一。这类岩体在经历周期性干湿交替时，层间胶结随干湿交替而减弱，使得薄层状岩体逐渐脱离岸坡，形成局部层间脱空。失去中间薄层的相邻岩体一方面在水位上升时与水接触面积变大，一方面失去依附能力，易发生脱落从而影响岩体稳定性。

锚杆作为常用的岩体加固手段，广泛的应用于各类工程岩体的防治工程中。现有传统锚杆，一方面可通过调整锚杆的结构来增强锚杆与岩体间摩擦力，或调整锚杆与岩体间胶结材料来增强锚杆与岩体间粘结力，进而达到加强锚固作用。然而其在加固后岩体发生裂隙或者脱落时，不能有效保护岩体安全稳定，实现对消落带的长期安全稳定。

另一方面可通过对锚杆进行应力监测来预警，针对锚杆进行应力监测一般是用光纤光栅，可将光纤植入到纤维增强树脂锚杆中，也可将光纤光栅布设与锚杆外表面，同锚杆一起施工。锚杆的应力变化被监测到，发出预警，然而存在着功能性单一和作用时效性短等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于消落带层状涉水岩体加固的自调节锚杆装置及方法，此锚杆能够对锚杆与岩体之间的应力进行实时监测，并获取岩体破坏的方式，及时对失去中间薄层的相邻岩体间进行填补，以达到加固岩体的目的，保证了岩体的安全稳定性。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：用于消落带层状涉水岩体加固的自调节锚杆装置，它包括锚杆，所述锚杆上套装有用于对其施加张拉力的应力调节托盘，所述锚杆上加工有外螺纹，所述外螺纹上缠绕有用于输送发泡剂的发泡剂输送管，所述发泡剂输送管上设置有用于释放出发泡剂的发泡剂喷发口；所述外螺纹上缠绕有光纤，所述锚杆上粘贴有用于监测锚杆与岩体之间应力的应力应变传感器和用于监测锚杆与岩体间隙含水率的含水量检测传感器；所述应力应变传感器通过光纤与设备控制端相连，所述含水量检测传感器通过信号线与设备控制端相连。

所述发泡剂输送管的进口与发泡剂储存喷发装置相连，所述发泡剂储存喷发装置与用于控制其开启的设备控制端相连。

锚固时，所述应力调节托盘与岩体表面接触并提供锚固压力，且在收到设备控制端信号后，调节锚固压力。

所述锚杆上并位于应力调节托盘所在一端开设有安装槽，所述发泡剂输送管、信号线和光纤的端头都穿过安装槽之后与设备控制端相连；所述发泡剂输送管、信号线和光纤都用高强度树脂材料作为保护层。

位于同一圈的外螺纹上的发泡剂喷发口呈四个方向均布。

所述应力应变传感器和含水量检测传感器通过高强度树脂粘贴在锚杆的外表面。

采用自调节锚杆装置进行消落带层状涉水岩体加固的方法，包括以下步骤：

步骤一：在消落带处安装自调节锚杆装置，并通过应力调节托盘对锚杆施加初始应力；

步骤二：消落带层状岩体在库水作用下发生劣化，层间胶结力降低，导致局部层状岩体脱离母体，脱离的块体受到环境应力降低，通过应力应变传感器实时监测锚杆杆体周边的应力变化，将检测到的数据传输到设备控制端，判断顺倾向层状岩体发生层间胶结变化的位置；通过含水量检测传感器实时监测锚杆与层间的含水量，并将检测到的数据传输到设备控制端；

步骤三：设备控制端根据所接收的数据，判断锚杆所处岩体为岩体裂隙或者岩层脱落；如果监测到应力持续变小，则为岩体缝隙；如果监测到应力突然变化较大时，则为岩层脱落；

步骤四：如果步骤三中监测到层状岩体裂隙，则设备控制端控制发泡剂储存喷发装置开启，则发泡剂储存喷发装置喷出发泡剂，发泡剂通过发泡剂输送管从发泡剂喷发口喷出，对发生岩体裂隙的位置进行填充，加强层间胶结；

步骤五：当层间岩体裂隙填充满后，层间岩体应力增加，应力应变传感器检测到应力回升，将应力信息发送到设备控制端；

步骤六：设备控制端收到应力回升信息后，控制应力调节托盘，增加支撑托盘应力，使支撑托盘锚固到岩体上，保护岩体安全；

步骤七：如果步骤三中监测到岩层脱落，设备控制端控制应力调节托盘释放托盘应力，减小托盘对岩体的压力，保护岩体安全；

步骤八：当应力调节托盘应力减小后，设备控制端控制发泡剂储存喷发装置喷发发泡剂；

步骤九：待步骤八中发泡剂填充完成之后，此时如果锚杆所处岩体处于水面以上时，由于发泡剂隔离导致岩体层间裂隙水无法蒸发，致使岩体含水量增加，被含水量检测传感器检测到，并传回设备控制端；

步骤十：当设备控制端收到含水量增加后，判断为岩体脱落处空洞填充完成，并控制发泡剂储存喷发装置停止喷发，修补完成；

步骤十一：待步骤八中发泡剂填充完成之后，此时如果锚杆位于水面以下时，由于发泡剂填充空层隔离水，导致含水量降低，被被含水量检测传感器检测到，并传回设备控制端；

步骤十二：当设备控制端收到含水量降低后，判断为岩体脱落处空洞填充完成，并控制发泡剂储存喷发装置停止喷发，修补完成。

本发明有如下有益效果：

1、此锚杆能够对锚杆与岩体之间的应力进行实时监测，并获取岩体破坏的方式，及时对失去中间薄层的相邻岩体间进行填补，以达到加固岩体的目的，保证了岩体的安全稳定性。

2、通过上述的发泡剂储存喷发装置，能够在需要填充时，自动的控制发泡剂储存喷发装置喷出发泡剂，并输送到发泡剂输送管，进而通过发泡剂输送管将发泡剂输送到岩体裂隙，进而起到加固岩体的目的。

3、通过上述的应力调节托盘能够通过旋转，进而增加锚杆与岩体之间的锚固力。

4、通过上述的安装槽便于各种管线穿过，进而保证了应力调节托盘的正常施压。

5、通过孔位布置方式，保证了在填充过程中，发泡剂能够沿着锚杆同圈的四个方向喷出，进而保证了填充效果。

6、通过上述的布置方式，增强了应力应变传感器和含水量检测传感器的结构强度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明主视图。

图2是本发明左视图。

图3是本发明图1中a局部放大图。

图4是本发明图2中b局部放大图。

图5是本发明锚杆实际安装图。

图6是本发明加固方法流程图。

图中：设备控制端1、发泡剂储存喷发装置2、应力调节托盘3、发泡剂喷发口4、发泡剂输送管5、光纤6、锚杆7、应力应变传感器8、含水量检测传感器9、外螺纹10、安装槽11、信号线12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

如图1-6所示，用于消落带层状涉水岩体加固的自调节锚杆装置，它包括锚杆7，所述锚杆7上套装有用于对其施加张拉力的应力调节托盘3，所述锚杆7上加工有外螺纹10，所述外螺纹10上缠绕有用于输送发泡剂的发泡剂输送管5，所述发泡剂输送管5上设置有用于释放出发泡剂的发泡剂喷发口4；所述外螺纹10上缠绕有光纤6，所述锚杆7上粘贴有用于监测锚杆与岩体之间应力的应力应变传感器8和用于监测锚杆与岩体间隙含水率的含水量检测传感器9；所述应力应变传感器8通过光纤6与设备控制端1相连，所述含水量检测传感器9通过信号线12与设备控制端1相连。通过采用上述的自调节锚杆装置，能够对锚杆与岩体之间的应力进行实时监测，并获取岩体破坏的方式，及时对失去中间薄层的相邻岩体间进行填补，以达到加固岩体的目的，保证了岩体的安全稳定性。

进一步的，所述发泡剂输送管5的进口与发泡剂储存喷发装置2相连，所述发泡剂储存喷发装置2与用于控制其开启的设备控制端1相连。通过上述的发泡剂储存喷发装置2，能够在需要填充时，自动的控制发泡剂储存喷发装置2喷出发泡剂，并输送到发泡剂输送管5，进而通过发泡剂输送管5将发泡剂输送到岩体裂隙，进而起到加固岩体的目的。

进一步的，锚固时，所述应力调节托盘3与岩体表面接触并提供锚固压力。通过上述的应力调节托盘3能够通过旋转，进而增加锚杆与岩体之间的锚固力。

进一步的，所述锚杆7上并位于应力调节托盘3所在一端开设有安装槽11，所述发泡剂输送管5、信号线12和光纤6的端头都穿过安装槽11之后与设备控制端1相连；所述发泡剂输送管5、信号线12和光纤6都用高强度树脂材料作为保护层。通过上述的安装槽11便于各种管线穿过，进而保证了应力调节托盘3的正常施压。

进一步的，位于同一圈的外螺纹10上的发泡剂喷发口4呈四个方向均布。通过孔位布置方式，保证了在填充过程中，发泡剂能够沿着锚杆同圈的四个方向喷出，进而保证了填充效果。

进一步的，所述应力应变传感器8和含水量检测传感器9通过高强度树脂粘贴在锚杆7的外表面。通过上述的布置方式，增强了应力应变传感器8和含水量检测传感器9的结构强度。

实施例2：

参见图6，采用所述自调节锚杆装置进行消落带岩体加固的方法，包括以下步骤：

步骤一：在消落带处安装自调节锚杆装置，并通过应力调节托盘3对锚杆7施加初始应力；

步骤二：消落带岩体在库水升降作用下受到侵蚀，岩体层间胶结减弱，通过应力应变传感器8实时监测锚杆7周围岩体应力变化，将检测到的数据传输到设备控制端1，判断顺倾向层状岩体发生层间胶结变化的位置；通过含水量检测传感器9实时监测锚杆7与层间的含水量，并将检测到的数据传输到设备控制端1；

步骤三：设备控制端1根据所接收的数据，判断锚杆7所处岩体为岩体裂隙或者岩层脱落；如果监测到应力持续变小，则为岩体缝隙；如果监测到应力突然变化较大时，则为岩层脱落；

步骤四：如果步骤三中监测到层状岩体裂隙，则设备控制端1控制发泡剂储存喷发装置2开启，则发泡剂储存喷发装置2喷出发泡剂，发泡剂通过发泡剂输送管5从发泡剂喷发口4喷出，对发生岩体裂隙的位置进行填充，加强层间胶结；

步骤五：当层间岩体裂隙填充满后，层间岩体应力增加，应力应变传感器8检测到应力回升，将应力信息发送到设备控制端1；

步骤六：设备控制端1收到应力回升信息后，控制应力调节托盘3，增加支撑托盘应力，使支撑托盘锚固到岩体上，保护岩体安全；

步骤七：如果步骤三中监测到岩层脱落，设备控制端1控制应力调节托盘3释放托盘应力，减小托盘对岩体的压力，保护岩体安全；

步骤八：当应力调节托盘3应力减小后，设备控制端1控制发泡剂储存喷发装置2喷发发泡剂；

步骤九：待步骤八中发泡剂填充完成之后，此时如果锚杆7所处岩体处于水面以上时，由于发泡剂隔离导致岩体层间裂隙水无法蒸发，致使岩体含水量增加，被含水量检测传感器9检测到，并传回设备控制端1；

步骤十：当设备控制端1收到含水量增加后，判断为岩体脱落处空洞填充完成，并控制发泡剂储存喷发装置2停止喷发，修补完成；

步骤十一：待步骤八中发泡剂填充完成之后，此时如果锚杆7位于水面以下时，由于发泡剂填充空层隔离水，导致含水量降低，被被含水量检测传感器9检测到，并传回设备控制端1；

步骤十二：当设备控制端1收到含水量降低后，判断为岩体脱落处空洞填充完成，并控制发泡剂储存喷发装置2停止喷发，修补完成。

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