摘  要 锚杆支护在隧道锚固工程中占有着重要的地位，为了解锚杆在施工过程中的受力状态，需对锚杆的应力进行监测。 文章详细介绍了应变测力锚杆的结构设计、数字锚杆监测仪设计原理及其应用，并通过该测力系统在深圳地铁2 号线侨香站—香蜜湖北站区间隧道应用中所得的测试数据， 对锚杆的工作状态以及围岩安全状况进行了分析。该系统为地铁工程实现信息化作业提供了一种可靠的手段，也为锚杆的优化设计和应用提供了科学依据。

关键词 测力锚杆 应变测试 数字锚杆监测仪

 

      岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支，由于它的安全、经济和有效，已愈来愈广泛地应用于各个工程领域。 其中， 锚杆以它的主动支护、有效强化围岩强度、保持围岩稳定、施工简单、成本低、安全可靠、改善作业环境等优点，跃然成为世界各国工程支护的首选支护手段，在基建、交通、水电等领域发挥着重要作用^[1]。

      为了深入了解锚杆支护的受力状态及应变特点，通常需要对锚杆支护工程进行试验研究和应变参数的现场测试， 对全长锚固式支护锚杆在工作时期杆体不同深度处的受力状态进行监测， 以便弄清楚锚杆在工作时的受力特性， 而应变测力锚杆使这些问题迎刃而解^[3]。

      为了准确、 方便地对锚杆的应变和应力进行现场监测和数据记录， 在原有应变式测力锚杆的基础上，设计了一种新的测试系统，它将为锚杆不同时期的受力状态研究提供一种有效、准确的测试手段；为锚杆的再设计和应用提供科学、可靠的实践依据。

 

      实际工程当中， 为了更好地了解锚杆的受力状态，通常会将一部分锚杆作为试验锚杆（应变式测力锚杆）来进行现场监测。由于测力锚杆不仅能作为测力装置对锚杆受力状态进行监测， 而且还要作为支护材料对基坑进行支护， 因此应变式测力锚杆的结构应尽可能与实际使用的锚杆相同。但为了对这些锚杆进行现场实时监测， 必须对这些锚杆进行特殊处理。 为此设计者在原锚杆杆体两侧各对称开一矩形断面沟槽^[2]，如图 1 所示。

      该测力锚杆采用粘贴在锚杆矩形断面沟槽上的电阻应变片做传感器来测定锚杆的受力状态。 当锚杆所在区间围岩变形时， 由于粘结力或摩擦力使锚杆变形。因锚杆的弹性模量大于围岩的弹性模量，锚杆束缚围岩变形，使锚杆产生轴向力。当锚杆端部的螺母拉紧后又产生附加轴向力， 锚杆受力表面产生微小变形（伸长或缩短），贴在其上的应变片线栅亦随之发生变形。

      由于金属线材的应变效应，线栅的电阻发生变化（增大或缩小）， 电阻变化率 ΔR/R 的大小与应变片粘贴在锚杆位置处的应变的大小成正比关系， 再利用应变仪测出各应变片不同时间的应变值。 其关系式为：

      ΔR/R=K·ΔL/L

式中K———应变片的灵敏系数。

      如此， 只要测出 ΔR/R 的变化率就可得出贴片处的应变值。 根据弹性力学应力与应变的关系或标定的曲线可得出应力值，按应变值理论计算出贴片处所承受的轴向力，即：

      P=ε·S·E

式中ε———应变值；

      E———钢弹性模量；

      S———测力锚杆的截面积。

      应变测力锚杆结构设计步骤如图2 所示。

      因为测力锚杆要起到基坑侧壁支护的作用，所以可以对施工现场所用的锚杆进行特殊加工。 比如说，现场用的锚杆直径为 2 220MnSi 螺纹钢，则可以将锚杆拿到机械加工厂， 由相关人员截取与现场使用锚杆相同长度的螺纹钢，然后在其表面开两条对称的矩形槽，矩形槽要求平直、光滑^[4]。

      在矩形槽内按不同间距纵向对称地布贴电阻应变片， 应变片分别引出两条脚线连接至杆尾保护套内的集中插头上（图3），并用环氧树脂灌封粘贴应变片和布线后的沟槽，经中间连线与电阻应变仪相连^[5]。

      应变片粘贴之前， 先用细砂布将槽内粘贴应变片处打磨一下， 然后用酒精或丙酮将打磨部位清洗干净，均匀涂抹少量胶水后，取一电阻应变片（经万用表检测电阻应变片，电阻正常后）将其贴于涂抹胶水处， 注意粘贴时一定要细心谨慎， 以防损坏应变片；应变片一定要与锚杆轴线平行，并且要牢牢紧贴在锚杆上 （无缝隙， 这样才能真实地反映锚杆的变形）。按照同样的方法，也将其它应变片贴于锚杆测点处。

      用细导线将每个应变片的两个脚引出来， 引至杆尾保护套筒内。 注意引线与应变片两个脚连接处一定要与锚杆绝缘。

      将调好的树脂涂抹于槽内，注意涂抹必须均匀、饱满；并对应变片及导线进行密封。

      最终制作的应变测力锚杆如图4 所示， 这种锚杆系统价格低廉、使用灵活、精度高。

      针对原有锚杆监测仪必须手动的缺点， 对原有YJK4500 型锚杆监测仪进行了改良， 使其所监测的数据能直接显示于计算机上，从而实现了智能化。其主要特点有：

      （1）简明快捷的人机对话窗口，利用主机或 PC双向控制。

      （2）先进的电子开关技术彻底解决了机械触点诸多的弊病。

      （3）灵活多样的设置控制使得每个通道可测5 种量纲（应变、应力、重力、位移、温度），变换任意自由。

      （4）理想实用的PC 处理软件———多点曲线实时显示，同时生成数据文件。

      该测力仪的设计原理如图5 所示 ， 由来自于CPU 的通道控制信号顺序接通测量桥路，由惠斯登电桥将物理信号（如应变、压力、力、位移、温度等）转变为电信号，经过放大、模数转换（A/D），成为对应的数字信号；经CPU 处理后，送 LCD 显示并存贮该数据，同时也可以把此数据传输给计算机。

     

      由于不同材质、 不同尺寸甚至不同加工工艺制作的锚杆杆体，其变形特征也不相同，所以必须对测力锚杆进行试验室标定。由于同尺寸螺纹钢的变形特征基本相同，所以可以取其中的一段进行标定，本文采用数字锚杆监测仪测试标定过程中的应变值。

      将现场用的22 20MnSi 螺纹钢锚杆，截取约半米长，数量为3~5 根，用上述方法在螺纹钢上开槽，槽的宽度、深度与现场测力锚杆相同，然后在槽内对称粘贴2 片工作应变片，最后用导线将应变片脚线引出来^[6]。

      将温度补偿应变片贴在温度补偿件上，然后将工作应变片和温度补偿片按半桥的方式连结成电桥，接桥线路如图 6 所示（R₂温度补偿应变片，R₁测试应变片）。

      在压力实验机上分别对每根锚杆进行拉伸标定，利用数字锚杆监测仪记录锚杆在不同拉力下的应变值。本文对其中的一根锚杆进行了标定，标定的曲线如图7 所示。

      从图7 可以看出，当拉力达到 170 kN 时，锚杆产生塑性变形， 此时对应的应力就是该锚杆的屈服应力， 同时还可以根据此标定曲线计算出锚杆的弹性模量，最终可以计算出锚杆的允许轴向拉应力。

      对测力锚杆在工作状态进行实际监测时， 通常按以下步骤进行， 并通过数字锚杆监测仪获得测力锚杆监测点上的应变值， 最终获得锚杆贴片处所承受的轴向力。

      （1）测力锚杆安装

      测力锚杆的安装方法与一般锚杆的安装方法基本相同，但要注意使测力锚杆的两沟槽与巷道轴向垂 直。

      （2）测试方法实施

      将工作应变片和温度补偿应变片分别贴在锚杆和补偿件上，按半桥工作方式接入电桥，此应变测力锚杆的工作系统如图8所示。

      （3）读取处理

      计算机读取数字锚杆监测仪测得的数据后，通过专业软件进行分析处理和计算，并依据测力锚杆力学参数， 得出测力锚杆工作状态时不同观测时刻锚杆全长范围内的应变、轴向力等数据，编绘出相应的图形，并对数据和图形进行存储，随时可进行打印和输出。

 

      深圳地铁2 号线侨香站—香蜜站区间， 线路穿过翠海小区沿润田路向东北方向延伸。 根据详勘地质，本区间部分隧道在全断面的中、微风化的花岗岩岩层中穿越，岩石抗压强度最高达 150 MPa,硬岩段的区间隧道采用矿山法施工。

      支护参数如下：围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级；采用 φ20砂浆锚杆（环纵间距 1.0 m×1.0 m，M20 砂浆）；单层φ8 钢筋网，网格 200 mm×200 mm；C25 喷混凝土，厚300 mm；格栅钢架：φ20 主筋（间距 0.5 m），φ20纵向连接筋（环向间距 1.5 m，单排）。

      根据相关监测数据以及数值模拟计算结果可知，隧道围岩变形量约为 45 mm，应为锚喷联合支护，以锚杆为主。在施工过程中必须了解锚杆的受力状态，以间接地描述围岩的稳定性和支护作用，并反馈于施工决策和支持系统，修正和确定新开挖方案的支护参数，从而保证工程的顺利进行。

      本文所述的应变测力锚杆系统已被应用到深圳地铁2 号线侨-香矿山法区间隧道， 并取得了良好的效果。 在该隧道中，每 20 m 布置一组（每组安装一根应变式测力锚杆），将测力锚杆作为支护锚杆安设在隧道顶部或侧壁位置，观测频率同锚杆测力计。将锚杆测力计和测力锚杆安装好后， 用智能数字锚杆测力仪对1^#～4^#断面锚杆进行了量测， 其锚杆受力图如图9 所示。

      从图9 中可以看出，对全长锚固锚杆来说，其最大轴向拉力多处于锚杆中上部位， 这与锚杆安装时的初锚力作用及拱顶变形规律有关。

      总之，测力锚杆的受力状态，是通过监测贴在沿锚杆通长方向上的两个沟槽内的电阻应变片应变值变化，并依据测力锚杆的力学参数，用计算机进行力学分析计算，得出测力锚杆工作状态时不同观测时刻锚杆全长范围内的应变、轴向力等数据，这为地铁实现信息化施工提供了一种可靠手段。

 

      大量的工程实践表明， 在施工过程中对某些施工断面安装的测力锚杆的受力情况进行监测具有很重要的意义， 它不仅可以用测试所得数据对锚杆的工作状态及围岩的安全状况进行分析， 而且也为合理设计锚杆尺寸、 提高施工质量提供了可靠的科学依据。

 

[1] 深圳市地铁集团有限公司企业技术标准. 深圳城市地下轨道交通地下工程监测技术规范 [S]. 深圳: 深圳地铁集团有限公司,2010

Enterprise Technological Standard of Shenzhen Metro Group Co., Ltd. Technical Code for Monitoring of Shenzhen Metro Construction [S]. Shenzhen: Shenzhen Metro Group Co., Ltd, 2010

[2] 裴英敏. TB6 型测力锚杆的研制及应用[J]. 河北煤炭, 1999 (3): 32-34

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[3] 袁和生. 高强度锚杆支护技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1997

Yuan Hesheng. Support Technology with High-strength Rock Bolt [M]. Beijing: China Coal Industry Publishing House, 1997

[4] 樊志斌, 姬会民. 应变式测力锚杆的设计原理及应用[J]. 陕西煤炭, 2005, (2): 15-16

Fan Zhibin, Ji Huimin. Design and Application of Strain-type Measuring Anchors [J]. Shanxi Coal, 2005, (2): 15-16

[5] 郝迎吉, 闫小乐, 等. 智能型锚杆拉力测试系统的研制[J]. 煤矿机电, 2004, (4): 14-17

Hao Yingji, Yan Xiaole, et al. The Development of Intelligent Pull Test System for Anchor Bolt [J]. Colliery Mechanical & Electri-cal Technology, 2004, (4): 14-17

[6] 赵海云, 侯朝炯, 等. 全长测力锚杆的标定与特性分析[J]. 煤炭科学技术, 2003, 31 (1): 21-23

Zhao Haiyun, Hou Chaojiong, et al. Demarcation and Character Features of Full Length Dynamometer Bolt [J]. Coal Science and Technology, 2003, 31 (1): 21-23