本发明涉及隧道支护技术领域，具体涉及一种隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法。
背景技术：
近年来，锁脚钢管在软弱围岩隧道施工中应用越来越广泛。隧道开挖时，为防止基底软化及下台阶开挖引起支护结构的下沉，在距拱脚或墙脚一定距离处沿隧道横向按一定下插角打入相应规格的锁脚钢管，并将其端头与钢拱架焊接牢固，进而限制钢拱架的变形，以充分发挥其承载能力。但这一支护体系是在围岩发生变形后才能起到相应的效果，即围岩发生变形时，锁脚钢管提供竖向的承载力，当围岩发生较大的变形时，锁脚钢管才能提供较大的承载力，属于被动承载。若在锁脚钢管与钢拱架焊接之前，预先给钢管一定的竖向荷载，再把钢管与钢拱架焊接在一起，这样当撤除预加荷载时，锁脚钢管会立刻向钢拱架传递预加荷载大小的反力，确保围岩在发生微小变形时锁脚钢管的支护刚度。由于不同的围岩条件、不同的开挖方法、不同的支护时机，会影响围岩荷载随时间的变化规律和隧道最终稳定状态下的所承受的围岩荷载大小，且不同的工程地质条件与水文地质情况，会对应不同的锁脚钢管承载变形特征。所以应针对不同的隧道地质情况，在监测钢拱架内力与锁脚钢管变形的条件下，研究在不同荷载作用下锁脚钢管的受力特性，找到合理的预加应力，保证锁脚钢管主动承载效果。
目前，对锁脚钢管加载时，一方面，受限于缺乏不影响正常施工的加载装置，通常只能基于土工试验等进行模拟加载，再进行数据采集、分析后得出使锁脚钢管达到最佳主动承载效果后的预变形，再基于此预变形结论指导实际施工预加载，而模拟加载的数据与现场实测数据有一定差异性，因此，一定程度上会影响实际施工过程中锁脚钢管的主动承载效果；另一方面，基于土工试验等的研究分析，通常只片面的考虑了锁脚钢管的形变特性，而无法综合分析实际的钢拱架内力变化和围岩与初期支护之间的压力变化等的影响，这势必会使得出的锁脚钢管最佳预变形的结论存在片面性，从而进一步影响锁脚钢管主动承载效果。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，以便能在隧道施工过程中方便进行锁脚钢管竖向加载，同时通过现场实测和收集各类数据研究锁脚钢管的承载性能，找到锁脚钢管最优预加应力或预变形，提高锁紧钢管主动承载效果。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，包括如下步骤：
s1：架设钢拱架，钢拱架上焊接应力计，钢拱架与围岩之间布设土压力盒；
s2：钢拱架与锁脚钢管连接区域先用泡沫填充，待喷射混凝土完成后，拆除泡沫，向围岩内部打入锁脚钢管；
s3：在锁脚钢管内部安装用于监测锁脚钢管在承受竖向荷载时的弯曲形状和端部位移的位移传感器；
s4：将加载支座与钢拱架固定安装；
s5：在加载支座与锁脚钢管之间架设加载千斤顶，加载千斤顶的一端与加载支座抵紧接触并在二者之间设置压力传感器，加载千斤顶的另一端通过锁脚钢管卡接槽与锁脚钢管卡接固定；
s6：通过加载千斤顶对锁脚钢管竖向加载，期间记录锁脚钢管内部位移传感器的读数变化，通过位移传感器的读数变化计算锁脚钢管的竖向位移变化量，判断锁脚钢管塑性发展情况；同时，观察和记录钢拱架内力变化和围岩与初期支护之间的压力变化；基于对各类数据的收集和分析后将锁脚钢管加载变形至最优预变形；
s7：把锁脚钢管焊接在钢拱架上，卸去加载千斤顶压力，拆除加载支座。
s8：计算得到适用于该围岩地层的锁脚钢管预加最优荷载大小和端部位移量，通过上述加载方法对后序开挖的锁脚钢管施加该最优的端部位移。
进一步，步骤s3采用的位移传感器由多节倾角传感器通过弹性件间隔线性拼接构成；步骤s6中，通过位移传感器的读数变化计算锁脚钢管的竖向位移变化量的具体过程为：根据单个倾角传感器的角度变化，结合相邻两倾角传感器的间距，将锁脚钢管的一小段曲线变形形态近似简化为直线，计算出单段的竖向位移变化量：
从串联的倾角传感器远端开始分段累加，得出锁脚钢管各段位移变化量与总的竖向变形量：
z＝∑δln
式中，δln为单段竖向位移变化量；hn为单段的长度；
进一步，所述加载支座包括一体连接的抵接底板和固定侧板，所述固定侧板通过固定螺栓组件与钢拱架固定连接。
进一步，所述抵接底板远离固定侧板的一端通过铰接件连接有过渡抵接板，所述抵接底板上设置有用于调节过渡抵接板倾斜角度的调节螺栓。
进一步，所述固定螺栓组件包括固定螺栓和固定螺母，所述固定螺栓的螺帽端一体连接有夹持板，固定螺栓的螺杆横截面呈腰型状，所述固定侧板上开设有与固定螺栓的螺杆匹配的腰型孔。
进一步，所述抵接底板与固定侧板之间设置有加强筋板。
进一步，所述加载千斤顶本体与锁脚钢管卡接槽之间设置有加强连杆。
进一步，所述加载千斤顶为设置有摇柄的手摇式千斤顶。
本发明的有益效果：
本申请的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，一方面，基于一种特定的加载装置和加载过程，该加载装置通过设置与钢拱架固定连接的加载支座和与锁脚钢管卡接固定的锁脚钢管卡接槽，构造了在施工现场实施加载的支撑点，能在不影响正常施工的条件下对锁脚钢管进行加载，满足了施工现场锁脚钢管承载实测的加载需求，能适应钢拱架不同位置的加载。另一方面，能基于实际施工进程同步研究锁脚钢管的承载性能，通过应力计、土压力盒分别观察和记录钢拱架内力变化和围岩与初期支护之间的压力变化，综合分析各类关键数据，找到锁脚钢管最优预加应力或预变形，从而提高锁紧钢管主动承载效果。此外，也能准确指导后续施工。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的一种隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法所采用的加载装置的优选实施例的结构示意图；
图2为加载支座的结构示意图；
图3为固定螺栓的结构示意图；
图4为加载千斤顶的结构示意图；
图5为位移传感器的结构示意图；
图6为位移传感器测量锁脚钢管的竖向位移变化量的原理图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
本实施例的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，采用如下的加载装置进行竖向加载，如图1-4所示，该加载装置包括加载支座3、加载千斤顶8和锁脚钢管卡接槽11，所述加载支座3与钢拱架1可拆卸固定连接，所述加载千斤顶8的一端与加载支座3抵接，另一端与锁脚钢管卡接槽11固定连接；具体包括如下步骤：
s1：架设钢拱架1，钢拱架上焊接应力计，钢拱架与围岩之间布设土压力盒；
s2：钢拱架1与锁脚钢管2连接区域先用泡沫填充，待喷射混凝土完成后，拆除泡沫，向围岩内部打入锁脚钢管2；
s3：在锁脚钢管2内部安装用于监测锁脚钢管在承受竖向荷载时的弯曲形状和端部位移的位移传感器；
s4：将加载支座3与钢拱架2固定安装；
s5：在加载支座3与锁脚钢管2之间架设加载千斤顶8，加载千斤顶8的一端与加载支座3抵紧接触并在二者之间设置压力传感器，加载千斤顶8的另一端通过锁脚钢管卡接槽11与锁脚钢管2卡接固定；
s6：通过加载千斤顶8对锁脚钢管竖向加载，期间记录锁脚钢管内部位移传感器的读数变化，通过位移传感器的读数变化计算锁脚钢管的竖向位移变化量，判断锁脚钢管塑性发展情况；同时，观察和记录钢拱架内力变化和围岩与初期支护之间的压力变化；基于对各类数据的收集和分析后将锁脚钢管加载变形至最优预变形；比如，当锁脚钢管的竖向位移变化量、压力计显示值以及土压力盒数值达到某种基于理论的预设值时，代表锁脚钢管加载变形至最优预变形或于加应力达到最佳；
s7：把锁脚钢管2焊接在钢拱架1上，卸去加载千斤顶压力，拆除加载支座。
s8：计算得到适用于该围岩地层的锁脚钢管预加最优荷载大小和端部位移量，通过上述加载方法对后序开挖的锁脚钢管施加该最优的端部位移。
作为对上述技术方案的进一步优化，如图5所示，步骤s3采用的位移传感器由多节倾角传感器14通过弹性件15间隔线性拼接构成；步骤s6中，通过位移传感器的读数变化计算锁脚钢管的竖向位移变化量的具体过程为：根据单个倾角传感器的角度变化，结合相邻两倾角传感器的间距，将锁脚钢管的一小段曲线变形形态近似简化为直线，计算出单段的竖向位移变化量：
从串联的倾角传感器远端开始分段累加，如图6所示，得出锁脚钢管各段位移变化量与总的竖向变形量：
z＝∑δln
式中，δln为单段竖向位移变化量；hn为单段的长度；
采用上述的位移测量方式，测量时，无需对锁脚钢管进行钻孔、切割后焊接等操作，可以在锁脚钢管自身结构完整的情况下，通过倾角传感器的读数变化计算锁脚钢管在受到端部荷载时的横向变形，而且对锁脚钢管的刚度无影响。此外，由于倾角传感器之间通过弹性件拼接，在拼接处可适应性弹性弯曲变形，因此，在锁脚钢管发生弯曲变形后也能顺利取出，有利于提高测量过程的便利性，也便于重复利用而节约研究成本。
作为对上述技术方案的进一步改进，如图1、图2和图3所示，所述加载支座3包括一体连接的抵接底板301和固定侧板303，所述固定侧板303通过固定螺栓组件4与钢拱架1固定连接，所述固定螺栓组件4包括固定螺栓401和固定螺母402，如图3所示，所述固定螺栓的螺帽端一体连接有夹持板13，固定螺栓的螺杆横截面呈腰型状，如图2所示，所述固定侧板303上开设有与固定螺栓的螺杆匹配的腰型孔12；采用腰型杆与腰型孔装配的形式，能避免固定螺栓在拧紧过程中发生自转。安装加载支座时，固定侧板303与钢拱架1翼板外侧贴合，夹持板13与钢拱架翼板内侧贴合，固定螺栓401的螺杆穿过腰型孔12后拧紧固定螺母402，即可实现加载支座与钢拱架之间的夹持固定。此外，为提高加载支座3整体的强度，在抵接底板301与固定侧板303之间设置有加强筋板302。
如图1所示，所述加载千斤顶8的一端与抵接底板抵紧接触，另一端与锁脚钢管卡接槽11固定连接，所述锁脚钢管卡接槽11与锁脚钢管2卡接固定；所述加载千斤顶8为设置有摇柄9的手摇式千斤顶，摇动摇柄9即可进行加载，操作简便。优选地，如图1和图2所示，所述抵接底板301远离固定侧板303的一端通过铰接件7连接有过渡抵接板6，所述抵接底板301上设置有用于调节过渡抵接板6倾斜角度的调节螺栓5。加载时，加载千斤顶8的一端与过渡抵接板6抵紧接触，可根据需要转动调节螺栓5，调节和限定过渡抵接板6的倾斜角度，以便适应加载千斤顶8的倾斜装配需求，同时，最大可能的确保加载千斤顶8与过渡抵接板6贴合抵接，以便提高加载过程的稳定性。
如图4所示，所述加载千斤顶本体与锁脚钢管卡接槽11之间设置有加强连杆10，以便提高加载千斤顶8与锁脚钢管卡接槽11之间的连接强度。
本实施例的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，一方面，基于一种特定的加载装置和加载过程，该加载装置通过设置与钢拱架固定连接的加载支座和与锁脚钢管卡接固定的锁脚钢管卡接槽，构造了在施工现场实施加载的支撑点，能在不影响正常施工的条件下对锁脚钢管进行加载，满足了施工现场锁脚钢管承载实测的加载需求，能适应钢拱架不同位置的加载，因此，能基于实际施工进程同步研究锁脚钢管的承载性能，现场实测和收集各类数据，大大提高了研究结果的准确性；另一方面，基于实际施工进程，通过应力计、土压力盒分别观察和记录钢拱架内力变化和围岩与初期支护之间的压力变化，综合分析各类关键数据，找到锁脚钢管最优预加应力或预变形，从而提高锁紧钢管主动承载效果。此外，也能准确指导后续施工。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1：架设钢拱架(1)，钢拱架上焊接应力计，钢拱架与围岩之间布设土压力盒；
s2：钢拱架(1)与锁脚钢管(2)连接区域先用泡沫填充，待喷射混凝土完成后，拆除泡沫，向围岩内部打入锁脚钢管(2)；
s3：在锁脚钢管(2)内部安装用于监测锁脚钢管在承受竖向荷载时的弯曲形状和端部位移的位移传感器；
s4：将加载支座(3)与钢拱架(1)固定安装；
s5：在加载支座(3)与锁脚钢管(2)之间架设加载千斤顶(8)，加载千斤顶(8)的一端与加载支座(3)抵紧接触并在二者之间设置压力传感器，加载千斤顶(8)的另一端通过锁脚钢管卡接槽(11)与锁脚钢管(2)卡接固定；
s6：通过加载千斤(8)顶对锁脚钢管(2)竖向加载，期间记录锁脚钢管内部位移传感器的读数变化，通过位移传感器的读数变化计算锁脚钢管的竖向位移变化量，判断锁脚钢管塑性发展情况；同时，观察和记录钢拱架内力变化和围岩与初期支护之间的压力变化；基于对各类数据的收集和分析后将锁脚钢管加载变形至最优预变形；
s7：把锁脚钢管(2)焊接在钢拱架(1)上，卸去加载千斤顶压力，拆除加载支座。
s8：计算得到适用于该围岩地层的锁脚钢管预加最优荷载大小和端部位移量，通过上述加载方法对后序开挖的锁脚钢管施加该最优的端部位移。
2.根据权利要求1所述的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于：步骤s3采用的位移传感器由多节倾角传感器(14)通过弹性件(15)间隔线性拼接构成；步骤s6中，通过位移传感器的读数变化计算锁脚钢管的竖向位移变化量的具体过程为：根据单个倾角传感器的角度变化，结合相邻两倾角传感器的间距，将锁脚钢管的一小段曲线变形形态近似简化为直线，计算出单段的竖向位移变化量：
从串联的倾角传感器远端开始分段累加，得出锁脚钢管各段位移变化量与总的竖向变形量：
z＝∑δln
式中，δln为单段竖向位移变化量；hn为单段的长度；
3.根据权利要求1所述的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于：所述加载支座包括一体连接的抵接底板(301)和固定侧板(303)，所述固定侧板通过固定螺栓组件(4)与钢拱架固定连接。
4.根据权利要求3所述的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于：所述抵接底板远离固定侧板的一端通过铰接件(7)连接有过渡抵接板(6)，所述抵接底板上设置有用于调节过渡抵接板倾斜角度的调节螺栓(5)。
5.根据权利要求4所述的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于：所述固定螺栓组件包括固定螺栓(401)和固定螺母(402)，所述固定螺栓的螺帽端一体连接有夹持板(13)，固定螺栓的螺杆横截面呈腰型状，所述固定侧板上开设有与固定螺栓的螺杆匹配的腰型孔(12)。
6.根据权利要求5所述的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于：所述抵接底板与固定侧板之间设置有加强筋板(302)。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于：所述加载千斤顶本体与锁脚钢管卡接槽之间设置有加强连杆(10)。
8.根据权利要求7所述的隧道初期支护锁脚钢管主动加载方法，其特征在于：所述加载千斤顶为设置有摇柄(9)的手摇式千斤顶。
技术总结