CN109356648B - 用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，包括联结部件、锚固部件和摩阻部件，其中：联结部件，包括套筒，套筒套设与振弦式位移传感器的外侧，将振弦式位移传感器的锚头与锚固部件联结在一起；锚固部件包括若干个锚固子部件，以铰接的形式连接在套筒表面，每个锚固子部件均包括扭力弹簧、伸缩臂和楔形槽，楔形槽设置于套筒表面，所述扭力弹簧设置于楔形槽内，且伸缩臂的一端与楔形槽连接，伸缩臂的另一端通过伸缩动作保证振弦式位移传感器能够支撑在安装孔的孔壁上，所述摩阻部件设置在锚固部件中伸缩臂的端部，增加其与孔壁围岩的摩阻力。

Description

用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置

技术领域

本发明涉及一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置。

背景技术

隧道及地下工程的全寿命周期智能化健康监测越来越成为岩土工程领域的热点，也是未来的发展方向。传感器是实现长期监测的必不可少的部分，并且传感器的使用寿命及监测频率都得到了较为长足的发展。但是，用于隧道工程的位移传感器在锚固过程中极为困难，这就限制了传感器的普遍推广。

目前，位移传感器的工作原理是将首先在隧道边墙预定部位，按设计要求设置安装孔的孔径、孔向和孔深，然后将传感器预埋在安装孔孔底的锚头锚固和孔口处的安全保护基座固定，通过两者之间的测杆振动来测量变形，孔口处的基座由于暴露于隧道边墙表面，较容易固定，而锚头处于钻孔的深部，锚固较为困难；所以锚头的固定可靠性决定了监测数据的准确性。

目前，锚头的固定方法主要是将锚头设计成带螺纹的样式，然后采用灌注水泥浆的方式进行固定；而隧道的易灾变位置常分布在拱肩、拱顶等，由于位置的特殊性无法通过向下倾斜钻孔的方式来利于浆液的灌注，且裂隙水的赋存也制约着锚固剂的凝结。因此，用于现场监测的振弦式位移传感器固定十分困难，无法满足隧道及地下工程的变形监测。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，本发明能够实现复杂条件下位移传感器的便捷安装，特别适用于隧道工程环境。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，包括联结部件、锚固部件和摩阻部件，其中：

联结部件，包括套筒，套筒套设与振弦式位移传感器的外侧，将振弦式位移传感器的锚头与锚固部件联结在一起；

所述锚固部件包括若干个锚固子部件，以铰接的形式连接在套筒表面，每个锚固子部件均包括扭力弹簧、伸缩臂和楔形槽，所述楔形槽设置于套筒表面，所述扭力弹簧设置于楔形槽内，且伸缩臂一端与楔形槽铰接形式连接，伸缩臂的另一端通过伸缩动作稳定地支撑在安装孔的孔壁上，使振弦式位移传感器不产生移动，所述摩阻部件设置在锚固部件中伸缩臂的端部，增加其与孔壁围岩的摩阻力。

作为进一步的限定，所述联结部件包括内嵌套筒和外置套筒，所述外置套筒套设于内嵌套筒外侧，所述内嵌套筒前端设置成带螺纹的螺杆形状，与外置套筒螺栓连接，后端为空心半圆筒。

作为更进一步的限定，所述锚固子部件有三个，沿外置套筒圆周均匀分布。

作为更进一步的限定，所述内嵌套筒中间位置设置一个碗扣，碗扣的宽度设计小于传感器锚头的凹槽宽度，碗扣能够扣在锚头凹槽内使得内嵌套筒与传感器成为一个受力整体。

作为更进一步的限定，所述外置套筒内侧设置有螺纹，以和内嵌套筒螺栓连接。

作为进一步的限定，所述伸缩臂包括弧形臂和连接件，所述连接件与楔形槽相适配，能够与楔形槽可拆卸装配，弧形臂与连接件连接。

作为进一步的限定，所述摩阻部件包括第一弹性部件和第二弹性部件，第一弹性部件设置于伸缩臂的外侧，第二弹性部件设置于伸缩臂的翘曲末端。

作为更进一步的限定，所述第一弹性部件表面进行抛光处理，并涂有润滑剂。

作为进一步的限定，所述楔形槽，包括构件A、构件B和构件C，构件A和构件B由两个单片组成，构件A焊接在联结部件中的外置套筒上，构件B的两个单片与焊接在构件C的两侧，构件B的形状跟构件A相同，构件B的两个单片之间距离大于构件A的两个单片之间距离，铰接时能够使构件B与构件A的两个单片相错布置，构件B与构件A的中间位置设有一对平行且孔径相同的孔用于铰接。

作为进一步的限定，所述扭力弹簧在伸缩臂向内侧贴附时会压缩扭力弹簧蓄能，待传感器到达预定位置扭力弹簧释放弹性势能将伸缩臂牢牢固定在孔壁上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)目前用于现场监测的传感器只有振弦式传感器，而振弦式位移传感器的工作原理是通过前端固定的锚头与后端管道的基座之间的拉杆引起振弦振动来完成的，因此需要将锚头牢牢锚固在孔壁上。传统的锚固工艺是用水泥浆液浇筑，此方法的弊端在于只适用于向下倾斜的孔或者无水的情况下。而隧道中的塌方、突水突泥等地质灾害往往是发生在拱顶或者拱肩位置，很难实现传感器的锚固。因此，针对这些问题，本发明能够实现复杂条件下传感器的便捷安装。

2)本发明的实现较为容易，可行性很大，且造价便宜，操作简单。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1联结部件示意图；

图2扭力弹簧示意图；

图3伸缩臂示意图；

其中，1、碗扣，2、内嵌套筒，3、外置套筒，4、扭力弹簧，5、构件A，6、构件B，7、构件C，8、伸缩臂，9、橡胶摩阻片。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

一种用于隧道及地下工程围岩信息监测的振弦式位移传感器锚固装置，包括联结部件、锚固部件、摩阻部件。联结部件的设置是为了将振弦式位移传感器的锚头与锚固部件联结在一起，使得传感器与锚固部件成为一个共同受力的整体；锚固部件设置在联结部件上，其作用是将与联结部件相连接的传感器锚头固定在安装孔璧上；摩阻部件设置在锚固部件中伸缩臂8的端部，增加与孔壁围岩的摩阻力。本发明的关键技术是锚固部件，成功实现了位移传感器在隧道及地下工程监测领域的自由便捷安装。

锚固部件由三个扭力弹簧4、三个伸缩臂8、三个楔形槽等组成。一个扭力弹簧4、一个伸缩臂8、一个楔形槽组成一个锚固子部件(见图2)，三个锚固子部件以铰接的形式连接在联结部件中外置套筒3表面上。锚固子部件可以绕铰链轴线在一定角度范围内能够自由转动。

伸缩臂8，其作用是当传感器向安装孔底部推进时，能够收拢贴附传感器，送至底部后，伸缩臂8能够紧紧支撑在孔壁上。为了减小推进过程中的阻力，将伸缩臂8外形设计为下凹的流线型。材料选用刚度较大的钢材；为节省材料，采用中空的薄壁圆柱，壁厚1mm。

扭力弹簧4，是一种蓄能结构。在传感器推进过程中，伸缩臂8向内侧贴附时会压缩扭力弹簧4蓄能，待传感器到达预定位置扭力弹簧4释放弹性势能将伸缩臂8牢牢固定在孔壁上。其设计：材料采用弹性极好的不锈弹簧钢制造，线径选2mm，轴径设置为1cm，水平轴距为1cm，自由长度为2cm，且两个自由长度的平面夹角为30°。

楔形槽，由构件A5、构件B6和构件C7组成。构件A5、B都是由两个单片组成；构件A5焊接在联结部件中的外置套筒3上，其形状如图2所示；构件B6与构件C7焊接，构件B6的形状跟构件A5相同，但构件B6的两个单片之间距离大于构件B6的两个单片之间距离，以便在铰接时能够使构件B6与构件A5的两个单片相错布置，为了在传感器安装过程中保护扭力弹簧4和顺利推送至孔底要求构件B6的两个单片布置在外侧，并且构件B6与构件A5的中间位置设有一对平行且孔径相同的孔用于铰接。构件C7形状为2cm×2cm的正方形，末端以渐变式与伸缩臂8焊接(如图3所示)，其设计为如此形状的原因有两个：第一，在向孔底推送过程中起到保护扭力弹簧4的作用；第二，当传感器锚头受到变形引起的向后拉力时，可以阻止伸缩臂8产生较大的旋转，从而保证锚固的稳定性。

联结部件由一个内嵌套筒2、一个外置套筒3等组成(见图2)。其主要作用是将传感器与锚固部件有机地结合。

内嵌套筒2，是由钢制成的空心圆筒，要求刚度较好。前端设置成带螺纹的螺杆形状，其直径略小于外置套筒3，能够使得其与外置套筒3螺栓连接；后端设置成空心半圆筒(如图2所示)，中间位置设置一个碗扣1，碗扣1的宽度设计小于传感器锚头的凹槽宽度，主要目的是将碗扣1扣在锚头凹槽以螺栓连接的方式使得内嵌套筒2与传感器成为一个受力整体。

外置套筒3，是由钢制成的空心圆筒，要求刚度较好。后端圆筒内壁设有螺纹，其作用是能够与内嵌套筒2螺栓连接，螺栓具有良好的共同受力特性。

摩阻部件，由两部分组成。一部分是伸缩臂8的外侧，由于会与孔壁接触，所以进行抛光处理，并涂润滑剂，主要是为了在传感器向安装孔推送过程中减弱孔壁与伸缩臂8之间的摩阻力。另一部分是伸缩臂8的翘曲末端，内侧套装橡胶摩阻片9，其作用是传感器受围岩变形影响产生向后的拉力，增大伸缩臂8与孔壁的摩擦力，满足伸缩臂8与孔壁的有效附着。

在实施现场监测传感器安装之前，要根据锚头的直径来确定具体的内嵌套筒2的直径及外置套筒3的直径，并根据外置套筒3的直径来合理安排三个楔形槽的位置。由于传感器的尺寸尚未形成统一的标准，其尺寸也是有所差别，所以楔形槽中的构件A5、构件B6和构件C7的尺寸也要根据具体传感器进行适当调整。

内嵌套筒2的前端设置为带螺纹的螺杆，便于与外置套筒3以螺栓的方式连接，后端设置为半圆柱形，附带一碗扣1，碗扣1的宽度根据锚头凹槽的宽度来确定。碗扣1扣在锚头凹槽上，两端分别与内嵌套筒2半圆柱形用螺栓拧紧，即可将传感器锚头与内嵌套筒2固定在一起。

外置套筒3后端内壁设置螺纹，以便与内嵌套筒2的前端螺杆形成螺栓连接的关系。中间位置沿周长平均分配楔形槽中的三个构件A5及构件A5两个耳状部件的距离并进行焊接，将耳状部件之间打磨成水平的扭簧平台。

根据构件A5两个耳状部件的距离，设计楔形槽中的构件B6与构件C7的尺寸并进行焊接。其中，构件C7的末端设计为渐变式，以便于伸缩臂8焊接。

按照设计要求，完成伸缩杆的尺寸与形状的制作。将伸缩杆与构件C7焊接，伸缩臂8的末端设计为翘曲状，并在内侧套装橡胶摩阻片9，与孔壁摩擦部位进行抛光处理，并涂抹润滑剂。

按照设计要求，加工扭力弹簧4。将扭力弹簧4、楔形槽、伸缩臂8三者以铰接的方式连接。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：包括联结部件、锚固部件和摩阻部件，其中：

联结部件，包括套筒，套筒套设于振弦式位移传感器的外侧，将振弦式位移传感器的锚头与锚固部件联结在一起；所述套筒包括内嵌套筒和外置套筒，所述联结部件的内嵌套筒中间位置设置一个碗扣，碗扣的宽度设计小于传感器锚头的凹槽宽度，碗扣能够扣在锚头凹槽内使得内嵌套筒与传感器成为一个受力整体；

所述锚固部件包括若干个锚固子部件，以铰接的形式连接在外置套筒表面，每个锚固子部件均包括扭力弹簧、伸缩臂和楔形槽，所述楔形槽设置于外置套筒表面，所述扭力弹簧设置于楔形槽内，且伸缩臂一端与楔形槽铰接形式连接，伸缩臂的另一端通过伸缩动作稳定地支撑在安装孔的孔壁上，使振弦式位移传感器不产生移动；

所述摩阻部件设置在锚固部件中伸缩臂的端部，摩阻部件的第一弹性部件设置于伸缩臂的外侧，表面进行抛光处理，并涂有润滑剂。

2.如权利要求1所述的一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：所述外置套筒套设于内嵌套筒外侧，所述内嵌套筒前端设置成带螺纹的螺杆形状，与外置套筒螺栓连接，后端为空心半圆筒。

3.如权利要求2所述的一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：所述锚固子部件有三个，沿外置套筒圆周均匀分布。

4.如权利要求2所述的一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：所述外置套筒内侧设置有螺纹，以和内嵌套筒螺栓连接。

5.如权利要求1所述的一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：所述伸缩臂包括弧形臂和连接件，所述连接件与楔形槽相适配，能够与楔形槽可拆卸装配，弧形臂与连接件连接。

6.如权利要求1所述的一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：所述摩阻部件还包括第二弹性部件，第二弹性部件设置于伸缩臂的翘曲末端。

7.如权利要求1所述的一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：所述楔形槽，包括构件A、构件B和构件C，构件A和构件B由两个单片组成，构件A焊接在联结部件中的外置套筒上，构件B的两个单片焊接在构件C的两侧，构件B的形状跟构件A相同，构件B的两个单片之间距离大于构件A的两个单片之间距离，铰接时能够使构件B与构件A的两个单片相错布置，构件B与构件A的中间位置设有一对平行且孔径相同的孔用于铰接。

8.如权利要求1所述的一种用于隧道工程围岩监测的振弦式位移传感器锚固装置，其特征是：所述扭力弹簧在伸缩臂向内侧贴附时会压缩扭力弹簧蓄能，待传感器到达预定位置扭力弹簧释放弹性势能将伸缩臂牢牢固定在孔壁上。

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