一種多功能智能錨桿的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多功能智能錨桿的制作方法，利用安裝在智能錨桿上的光纖光柵傳感器測量智能錨桿在不同深度的應變值，從而推算錨桿在不同深度的軸力，從而對錨桿的承載能力以及其錨固力作出判斷和評價，同時也能對圍巖在荷載等的作用下內部產生變形和位移變化作出一定的判斷；本發明的長標距光纖光柵傳感器制作工藝簡單，造價相比較為低廉。本發明主要通過常用的實心錨桿和由多個長標距光纖光柵傳感單元組成的無熔接長標距多光柵傳感器并輔以多點溫度補償傳感器組成，制作簡單，布設方便，有廣闊的應用前景和良好的經濟效益。
【專利說明】
一種多功能智能錨桿的制作方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種隧道、巖土和邊坡工程的錨桿軸力監測系統，具體涉及一種基于長標距光纖光柵的多功能智能錨桿的制作方法。
【背景技術】
[0002]錨桿支護是在邊坡、巖土深基坑等地表工程及隧道、采礦等地下硐室施工中采用的一種加固支護方式。錨桿支護是通過圍巖內部的錨桿改變圍巖本身的力學狀態，在開挖面周圍形成一個整體而又穩定的巖石帶，利用錨桿與圍巖共同作用，達到維護圍巖或巷道等穩定的目的。它是一種積極防御的支護方法，是圍巖、礦山等支護的重大變革。錨桿不但支護效果好，且用料省、施工簡單、有利于機械化操作、施工速度快。因此錨桿已在很多土木、巖土、隧道、采礦等工程中被大量的使用，如基于新奧法的隧道開挖，錨桿使用量動輒幾萬根，另外如三峽水利工程，亦用了有十幾萬根各式錨桿。
[0003]隨著錨桿支護的廣泛使用，對于錨桿在圍巖中的受力、承載能力、以及可能的損傷等情況進行實時或定期監測，從而對于圍巖的支護情況、穩定情況等作出判斷顯得尤為重要，且已經成為相關領域的重要課題。目前國內外對于錨桿在圍巖支護中的受力、承載、及損傷情況的測試方法基本可歸納為兩大類，其中一類是使用測力錨桿、錨桿拉拔計、應變計及應變片通過錨桿“拉拔試驗”來測試錨桿在拉拔作用下的受力情況和損傷情況;另一類則采用比較間接的方式，利用電磁波、聲波等在不同介質層的反射差異來檢測砂漿錨固體的飽和程度，間接評價錨固的受力及損傷情況。但這些方法從總體上看，存在著受環境影響大，耐久性差，長期穩定性差，測試誤差大等缺點，對于像巖土、隧道、采礦等環境比較惡劣、施工方式粗放，但測試精度要求高的實際工程應用，其適用性尤顯單薄。
[0004]近年來發展起來的光纖傳感技術具有耐久性好，性能穩定、抗電磁干擾、便于分布式測量等優點，也對錨桿軸力檢測、損傷識別等提出了新的思路。目前已有相關學者基于B0TDR、B0TDA等技術對錨桿支護進行了檢測和監測，但是由于目前解調技術的瓶頸限制，其測試精度嚴重不足;而FBG光柵由于精度高，應變測量能達到Ιμε，而且封裝后能防水，耐腐蝕，長期性能比較好，不僅能傳感，而且也能用于傳輸數據，利于組網和實時監測，目前已經被廣泛應用于結構的健康監測中。大連理工大學等也將光柵測試技術在錨桿監測方面作了很多有益的工作，但是都是基于點式應變測試，只能得到非常局部的應變情況，但很難準確地描述尺度比較大的錨桿全長的受力和變形狀況，不能對錨桿的損傷給出有效的判斷。總的來說，目前的測試方法存在以下幾個問題，1.單純而簡單得應用光纖和光柵技術，往往由于不僅其傳感部分，而且其引線都容易損壞，不能適應這些實際工程粗放式的施工環境;2.錨桿結構尺度大，損傷分布范圍廣，傳統的點式傳感很難準確得捕捉到損傷;3.傳統的監測往往都忽視錨桿不同深度的應力應變變化，而實際圍巖由于圍巖在荷載作用之下產生形變，或者是機械開挖和爆破的原因，往往在靠近開挖面的巖層會出現一些碎裂，在圍巖受力作用下，其內部將出現內力重分布，因此在錨桿不同深度的位置上，其應力應變很可能是不同的；4.目前的光纖分布式測試技術由于技術上的瓶頸問題，精度太低，實用性小；5.傳統的光柵測試，都是基于光柵與光柵間引線的熔接串聯來實現的，但是光纖的熔接更易造成損壞斷裂，且大大地增加其光損，從而影響其測試性能;6.傳統的基于點式測試方式，只能獲得該點的應變，無法獲得錨桿的位移。
[0005]為了提高結構應變測試的真實性、可靠性以及噪聲魯棒性，東南大學已開發出了長標距光纖光柵應變傳感器，并成功運用于結構的健康監測中。基于光纖光柵的各類傳感器的開發正在大力推進中，但基于光纖光柵對于錨桿及圍巖監測的研究目前還很少。目前基于光柵的測試都是基于點式應變測試的方法，對于利用長標距光纖光柵進行錨桿承載情況、應力應變情況、以及損傷探測等研究在國內外檢索尚無相關專利及相關文獻。
【發明內容】
[0000]本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種具有尚精確度、尚耐久性、結構簡單、造價低廉的基于長標距光纖光柵智能錨桿的制作方法。
[0007]本發明采用的技術方案為:一種多功能智能錨桿，包括無熔接長標距多光柵傳感器、光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器、環氧樹脂或植筋膠、鎧裝光纜和軟塑料套管；
[0008]所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器安裝在錨桿沿縱向所開的小槽內，并通過環氧樹脂或植筋膠封裝；
[0009]所述無熔接長標距多光柵傳感器包括多個依次串聯的長標距光纖光柵傳感單元，所述長標距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段；
[0010]所述光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉；
[0011]所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜連接，從錨桿內引出，所述鎧裝光纜穿于軟塑料套管之中。
[0012]上述一種多功能智能錨桿的制作方法，包括以下幾個步驟:
[0013](I)制作無熔接長標距多光柵傳感器
[0014](al)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵；
[0015](a2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，根據工程測試要求設計出每個光柵的錨固點位置，并在套管上根據錨固位置切出多個缺口，穿入帶有多個光柵的單模光纖，調整光柵與套管缺口的位置；
[0016](a3)將光纖兩端通過牽引裝置施加一定的預應力，同時在套管缺口處注入固結膠水形成錨固，固結后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個連續的長標距光纖光柵傳感單元且沒有熔接點的長標距多光柵傳感器；
[0017](a4)對于每個長標距光纖光柵傳感單元來說，套管內的光纖的兩端分別通過固結膠與套管相固定，其余部分的光纖則與套管內壁無接觸或雖有輕微接觸，但摩擦力極小可忽略；
[0018](a5)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行無熔接長標距多光柵傳感器本身的一體化封裝加固；
[0019](2)制作多點溫度補償輔助傳感器
[0020](bl)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵;這些光柵的位置設計可以與無熔接長標距多光柵傳感器中的多個光柵一一對應，或者按照沿錨桿長度進行溫度插值的思想進行溫補光柵位置設計;這些光柵的波長不僅在溫度補償傳感器內不能有相同，且與無熔接長標距多光柵傳感器之中的光柵波長亦不能有相同的波長；
[0021](b2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，在套管的一層用膠封閉，將刻好的多光柵兩端尾纖的某一端剪短，然后插入套管內，使其中的光柵的位置處于設計好的某個位置附近，且剪短尾纖側的尾纖縮在套管內部且距離套管尾部有一定距離，此距離以此尾纖不會碰到套管尾部封裝的膠水為原則，然后在套管兩端處注入少許固結膠水，使之封閉形成一個含多個光柵的溫補傳感器。
[0022](b3)對于封裝于套管內的帶多個光柵的光纖尾纖，其一端縮在套管內完全自由，另一端與套管固結并作為引出線引出，光纖在套管內能完全自由滑動；
[0023](b4)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行溫度補償輔助傳感器本身的一體化封裝加固；
[0024](3)制作多功能智能錨桿
[0025](Cl)選用實體錨桿，并沿縱向開一個小槽;準備兩根長度適中的鎧裝光纜，并穿于一根直徑與硬度適中的軟塑料套管之中，鎧裝光纜比軟塑料套管略長，兩頭露出；
[0026](c2)將制作好的無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器固定于錨桿所開的小槽內，并分別用鎧裝光纜連接，從錨桿內引出;無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜進行熔焊的熔焊接頭位于錨桿小槽內，且鎧裝光纜在小槽內保留具有能起到錨固作用的長度，這樣封裝后外部光纜的受力不會導致內部傳感器受力；
[0027](c3)在錨桿小槽內注入環氧樹脂或植筋膠至填平，將無熔接長標距多光柵傳感器和多點溫度補償輔助傳感器與錨桿封裝為一體，形成最終的多功能智能錨桿。
[0028]本發明的有益效果:
[0029](I)本發明的智能錨桿原理簡單可靠，測試方法新穎巧妙。本發明主要是利用安裝在智能錨桿上的光纖光柵傳感器測量智能錨桿在不同深度的應變值，從而推算錨桿在不同深度的軸力，從而對錨桿的承載能力以及其錨固力作出判斷和評價，同時也能對圍巖在荷載等的作用下內部產生變形和位移變化作出一定的判斷；
[0030](2)本發明的長標距光纖光柵傳感器制作工藝簡單，造價相比較為低廉。本發明主要通過常用的實心錨桿和由多個長標距光纖光柵傳感單元組成的無熔接長標距多光柵傳感器并輔以多點溫度補償傳感器組成，制作簡單，布設方便，有廣闊的應用前景和良好的經濟效益；
[0031](3)本發明的無熔接長標距多光柵傳感器由多個串聯的長標距光纖光柵傳感單元組成，因此不僅能測量不同深度的錨桿的應變和軸力情況，還能測量錨桿軸向的變形量，獲取圍巖等的沉降或滑移的位移
[0032](4)本發明的無熔接長標距多光柵傳感器，由刻寫在一根光纖上的多個裸光柵封裝而成，因此各個傳感單元相互之間自然連接，無需熔接，避免了光纖熔接處光損大，容易斷的缺點；
[0033](5)由于本發明的無熔接長標距多光柵傳感器本身采用了復合材料和環氧樹脂封裝，其耐水防銹、耐腐蝕等性能優越，且不怕電磁屏蔽和干擾，與錨桿一體化封裝以后更是能適用于環境侵蝕，具有很好的耐久性和廣泛的適用性；
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明的多功能智能錨桿構造示意圖；
[0035]圖2為圖1的縱向剖視圖；
[0036]圖3為圖1的橫向剖視圖；
[0037]圖4為本發明的無熔接長標距多光柵傳感器示意圖；
[0038]圖5為本發明的多點溫度補償輔助傳感器的示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0040]如圖1-5所示，一種多功能智能錨桿，包括無熔接長標距多光柵傳感器1、光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2、環氧樹脂或植筋膠3、鎧裝光纜4和軟塑料套管5;
[0041]所述無熔接長標距多光柵傳感器I和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2安裝在錨桿6沿縱向所開的小槽內，并通過環氧樹脂或植筋膠3封裝；
[0042]所述無熔接長標距多光柵傳感器I包括多個依次串聯的長標距光纖光柵傳感單元，所述長標距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段；
[0043]所述光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉；
[0044]所述無熔接長標距多光柵傳感器I和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器2分別與鎧裝光纜4連接，從錨桿6內引出，所述鎧裝光纜4穿于軟塑料套管5之中。
[0045]上述一種多功能智能錨桿的制作方法，包括以下幾個步驟:
[0046](I)制作無熔接長標距多光柵傳感器
[0047](al)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵；
[0048](a2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，根據工程測試要求設計出每個光柵的錨固點位置，并在套管上根據錨固位置切出多個缺口，穿入帶有多個光柵的單模光纖，調整光柵與套管缺口的位置；
[0049](a3)將光纖兩端通過牽引裝置施加一定的預應力，同時在套管缺口處注入固結膠水形成錨固，固結后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個連續的長標距光纖光柵傳感單元且沒有熔接點的長標距多光柵傳感器；
[0050](a4)對于每個長標距光纖光柵傳感單元來說，套管內的光纖的兩端分別通過固結膠與套管相固定，其余部分的光纖則與套管內壁無接觸或雖有輕微接觸，但摩擦力極小可忽略；
[0051](a5)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行無熔接長標距多光柵傳感器本身的一體化封裝加固；
[0052](2)制作多點溫度補償輔助傳感器
[0053](bl)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵;這些光柵的位置設計可以與無熔接長標距多光柵傳感器中的多個光柵一一對應，或者按照沿錨桿長度進行溫度插值的思想進行溫補光柵位置設計;這些光柵的波長不僅在溫度補償傳感器內不能有相同，且與無熔接長標距多光柵傳感器之中的光柵波長亦不能有相同的波長；
[0054](b2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，在套管的一層用膠封閉，將刻好的多光柵兩端尾纖的某一端剪短，然后插入套管內，使其中的光柵的位置處于設計好的某個位置附近，且剪短尾纖側的尾纖縮在套管內部且距離套管尾部有一定距離，此距離以此尾纖不會碰到套管尾部封裝的膠水為原則，然后在套管兩端處注入少許固結膠水，使之封閉形成一個含多個光柵的溫補傳感器。
[0055](b3)對于封裝于套管內的帶多個光柵的光纖尾纖，其一端縮在套管內完全自由，另一端與套管固結并作為引出線引出，光纖在套管內能完全自由滑動；
[0056](b4)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行溫度補償輔助傳感器本身的一體化封裝加固；
[0057](3)制作多功能智能錨桿
[0058](Cl)選用實體錨桿，并沿縱向開一個小槽;準備兩根長度適中的鎧裝光纜，并穿于一根直徑與硬度適中的軟塑料套管之中，鎧裝光纜比軟塑料套管略長，兩頭露出；
[0059](c2)將制作好的無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器固定于錨桿所開的小槽內，并分別用鎧裝光纜連接，從錨桿內引出;無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜進行熔焊的熔焊接頭位于錨桿小槽內，且鎧裝光纜在小槽內保留具有能起到錨固作用的長度，這樣封裝后外部光纜的受力不會導致內部傳感器受力；
[0060](c3)在錨桿小槽內注入環氧樹脂或植筋膠至填平，將無熔接長標距多光柵傳感器和多點溫度補償輔助傳感器與錨桿封裝為一體，形成最終的多功能智能錨桿。
[0061]本發明的多功能智能錨桿的工作原理如下:是將含有多個傳感單元的長標距光纖光柵傳感器安裝并封裝于錨桿之內，因此錨桿因受力而引起的應變將被長標距光纖光柵傳感器的所有傳感單元捕捉，由于有多個傳感單元，因此能捕捉到錨桿不同位置的應變，繼而推算出錨桿在不同位置的應力以及承載情況。同時，可根據錨桿長度方向的長標距應變分布，在可不計其彎曲影響時，可以獲得其沿軸向方向的位移。對于圍巖來講，特別是對于新奧法隧道開挖等用爆破等手段開挖的時候，會使得巖層出現一定程度的破碎，因此加入錨桿進行支護后，在不同深度的應力應變也將不同，因此本發明的智能錨桿能比較準確得反映出由于巖層內部內力重分布而引起的應力不均情況，從而能準確得反映錨桿真實的受力及承載支護情況。多個智能錨桿布置在圍巖的不同位置，可以用來監測該區域的錨桿承載情況，以及圍巖支護和穩定情況，這對圍巖監測非常重要。
[0062]應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種多功能智能錨桿的制作方法，其特征在于:該多功能智能錨桿包括無熔接長標距多光柵傳感器、光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器、環氧樹脂或植筋膠、鎧裝光纜和軟塑料套管； 所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器安裝在錨桿沿縱向所開的小槽內，并通過環氧樹脂或植筋膠封裝； 所述無熔接長標距多光柵傳感器包括多個依次串聯的長標距光纖光柵傳感單元，所述長標距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段； 所述光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉； 所述無熔接長標距多光柵傳感器和光纖光柵多點溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜連接，從錨桿內引出，所述鎧裝光纜穿于軟塑料套管之中； 上述一種多功能智能錨桿的制作方法，包括以下幾個步驟: (1)制作無熔接長標距多光柵傳感器 (al)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵； (a2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，根據工程測試要求設計出每個光柵的錨固點位置，并在套管上根據錨固位置切出多個缺口，穿入帶有多個光柵的單模光纖，調整光柵與套管缺口的位置； (a3)將光纖兩端通過牽引裝置施加一定的預應力，同時在套管缺口處注入固結膠水形成錨固，固結后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個連續的長標距光纖光柵傳感單元且沒有熔接點的長標距多光柵傳感器； (a4)對于每個長標距光纖光柵傳感單元來說，套管內的光纖的兩端分別通過固結膠與套管相固定，其余部分的光纖則與套管內壁無接觸或雖有輕微接觸，但摩擦力極小可忽略；(a5)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行無熔接長標距多光柵傳感器本身的一體化封裝加固； (2)制作多點溫度補償輔助傳感器 (bl)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵;這些光柵的位置設計可以與無熔接長標距多光柵傳感器中的多個光柵一一對應，或者按照沿錨桿長度進行溫度插值的思想進行溫補光柵位置設計;這些光柵的波長不僅在溫度補償傳感器內不能有相同，且與無熔接長標距多光柵傳感器之中的光柵波長亦不能有相同的波長； (b2)選用一個細的光滑套管，內口徑比光纖略粗，在套管的一層用膠封閉，將刻好的多光柵兩端尾纖的某一端剪短，然后插入套管內，使其中的光柵的位置處于設計好的某個位置附近，且剪短尾纖側的尾纖縮在套管內部且距離套管尾部有一定距離，此距離以此尾纖不會碰到套管尾部封裝的膠水為原則，然后在套管兩端處注入少許固結膠水，使之封閉形成一個含多個光柵的溫補傳感器。 (b3)對于封裝于套管內的帶多個光柵的光纖尾纖，其一端縮在套管內完全自由，另一端與套管固結并作為引出線引出，光纖在套管內能完全自由滑動； (b4)在套管外面進一步包裹復合材料并浸潤環氧樹脂，進行溫度補償輔助傳感器本身的一體化封裝加固； (3)制作多功能智能錨桿 (Cl)選用實體錨桿，并沿縱向開一個小槽;準備兩根長度適中的鎧裝光纜，并穿于一根直徑與硬度適中的軟塑料套管之中，鎧裝光纜比軟塑料套管略長，兩頭露出； (c2)將制作好的無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器固定于錨桿所開的小槽內，并分別用鎧裝光纜連接，從錨桿內引出；無熔接長標距多光柵傳感器和溫度補償輔助傳感器分別與鎧裝光纜進行熔焊的熔焊接頭位于錨桿小槽內，且鎧裝光纜在小槽內保留具有能起到錨固作用的長度，這樣封裝后外部光纜的受力不會導致內部傳感器受力； (c3)在錨桿小槽內注入環氧樹脂或植筋膠至填平，將無熔接長標距多光柵傳感器和多點溫度補償輔助傳感器與錨桿封裝為一體，形成最終的多功能智能錨桿。
【文檔編號】G01B11/16GK106017523SQ201610560845
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】萬春風, 趙學亮, 夏呈
【申請人】東南大學