1.本发明涉及岩土工程隧道支护技术领域，特别是涉及一种软岩大变形锚杆、预警系统及方法。
背景技术：2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.对穿越地质复杂、构造运动强烈的地区，隧道遭遇高地应力等不良地质问题尤为突出。高地应力下的软岩大变形问题因变形时间长、变形量大、变形速率高成为隧道治理的难题，直接采用普通锚杆进行支护，围岩应力和位移难以得到有效释放，从而使锚杆拉坏而导致初期支护失效。
4.针对围岩大变形问题，现阶段的让位让压锚杆绝大多数是允许围岩产生一定的变形，但大多数锚杆让位让压结构复杂，在工程应用上不易实现，同时没有实时有效的监测围岩的变形状态。
技术实现要素：5.为了解决上述问题，本发明提出了一种软岩大变形锚杆、预警系统及方法，恒压让位结构在受到一定围岩压力作用下进行让位，释放围岩压力；通过监测锚杆受力状态，同时结合变形状态的判断，实现对锚杆、隧道变形灾害的自动预警。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种软岩大变形锚杆，包括：锚头端、恒压让位结构与锚固杆件；所述恒压让位结构的一端连接锚头端，另一端连接锚固杆件；
8.所述恒压让位结构包括空腔壳体、让位杆和回流活塞；所述让位杆的一端设有回流活塞，且设于空腔壳体内，另一端连接锚固杆件，由让位杆的侧壁、回流活塞的底端与空腔壳体的内侧壁构成恒压腔，由回流活塞的顶端与空腔壳体的内侧壁构成伸缩腔；
9.所述回流活塞上设有弹簧孔，弹簧孔内设有弹簧构件，弹簧孔上还设有出油孔和进油孔，进油孔和出油孔贯通恒压腔与伸缩腔；让位杆带动回流活塞压缩恒压腔内液压油，且恒压腔内的让位压强升高，通过弹簧构件的变形，液压油从进油孔通过出油孔填充至伸缩腔内，以调节恒压腔的让位压强。
10.作为可选择的实施方式，所述锚头端包括锚头杆件，所述锚头杆件的一端连接恒压让位结构，锚头杆件上设有托盘，托盘上设有环形压力传感器，环形压力传感器通过固定件固定在托盘上，且在环形压力传感器的一侧设有预警装置。
11.作为可选择的实施方式，所述弹簧构件包括弹簧螺母、弹簧和弹簧活塞，所述弹簧螺母设于弹簧孔的顶部，弹簧螺母的一端连接弹簧，弹簧的另一端连接弹簧活塞，弹簧活塞设于弹簧孔的底部。
12.作为可选择的实施方式，所述恒压让位结构在围岩变形压力作用下，由让位杆带
动回流活塞压缩恒压腔内的液压油，恒压腔内的让位压强升高，液压油通过进油孔压缩弹簧活塞，弹簧活塞向上压缩弹簧，当弹簧被压缩到出油孔处，则液压油通过出油孔流到伸缩腔。
13.作为可选择的实施方式，所述进油孔设于回流活塞的底端，且位于弹簧活塞的底端。
14.作为可选择的实施方式，在恒压腔的底端设有液压单向阀，通过液压单向阀向恒压腔内注入液压油，且将恒压腔和伸缩腔内充满液压油。
15.作为可选择的实施方式，所述回流活塞包括第一凸台、第二凸台和活塞翼端；第一凸台的顶端与空腔壳体的内侧壁之间构成伸缩腔；第一凸台下端设有第二凸台，在第二凸台内部设置弹簧孔；第二凸台的下端设有活塞翼端，活塞翼端的两侧与空腔壳体的内侧壁贴合。
16.第二方面，本发明提供一种软岩大变形锚杆预警系统，包括：第一方面所述的一种软岩大变形锚杆和预警系统；所述软岩大变形锚杆通过环形压力传感器实时监测锚杆轴力；所述预警系统根据设定的恒压让位结构的变形量阈值、恒压腔让位压强阈值和锚杆轴力监测数据，确定锚杆的工作状态与变形结果，并以此进行预警。
17.作为可选择的实施方式，当锚杆轴力监测数据稳定在一定范围时，则锚杆正常变形让位，所述软岩大变形锚杆中恒压腔内的让位压强达到恒压腔让位压强阈值时，液压油通过进油孔压缩弹簧活塞，弹簧活塞向上压缩弹簧，当弹簧被压缩到出油孔处，液压油通过出油孔流到伸缩腔，伸缩腔推动让位杆的下移，使得软岩大变形锚杆变形让位；
18.在软岩大变形锚杆变形让位的过程中，通过锚杆轴力监测数据判断是否达到变形量阈值，以此进行预警。
19.第三方面，本发明提供一种软岩大变形锚杆预警方法，采用第二方面所述的一种软岩大变形锚杆预警系统，包括：
20.设定恒压让位结构的变形量阈值和恒压腔让位压强阈值；
21.根据恒压腔让位压强阈值判断软岩大变形锚杆的工作状态，在软岩大变形锚杆中恒压腔内的让位压强达到恒压腔让位压强阈值时，软岩大变形锚杆开始变形让位；
22.获取变形让位过程中的锚杆轴力监测数据，根据恒压让位结构的变形量阈值和锚杆轴力监测数据，判断锚杆的变形结果，并根据判断结果进行预警。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.本发明提出一种软岩大变形锚杆、预警系统及方法，结构简单，适用性高，对高地应力下软岩大变形隧道进行支护作用，在受到围岩恒定压力作用时进行让位，允许隧道在安全允许的范围内进行变形，以充分发挥围岩的自稳能力；同时结合锚头端部环形压力传感器实时监测锚杆的受力，在锚杆受力达到锚杆承载力设定阈值时，发生警报。实现了对锚杆工作状态、隧道围岩变形的自动化智能预警，避免因为围岩的大变形而引起隧道施工安全事故。
25.本发明提出一种软岩大变形锚杆、预警系统及方法，控制软岩大变形的让位让压，并对围岩变形状态进行智能化监测，指示施工人员对围岩变形及时加强支护处理，以达到预警作用。
26.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得
明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
28.图1为本发明实施例1提供的软岩大变形锚杆结构示意图；
29.图2为本发明实施例1提供的恒压让位结构的示意图；
30.图3为本发明实施例1提供的弹簧构件的示意图；
31.图4为本发明实施例1提供的回流活塞的示意图；
32.其中，1、螺母，2、螺母垫片，3、环形压力传感器，4、预警装置，5、托盘，6、锚头杆件，7、恒压让位结构，7-1、空腔壳体，7-2、弹簧构件，7-2-1、弹簧螺母，7-2-2、弹簧，7-2-3、弹簧孔，7-2-4、弹簧活塞，7-3、出油孔，7-4、回流活塞，7-4-1、第一凸台，7-4-2、第二凸台，7-4-3、活塞翼端，7-5、进油孔，7-6、恒压腔，7-7、让位杆，7-8、液压单向阀，8、锚固杆件。
具体实施方式
33.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
34.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.实施例1
38.本实施例提供一种软岩大变形锚杆，可用于高地应力条件下，如图1所示，包括：锚头端、恒压让位结构7与锚固杆件8；所述恒压让位结构7的一端连接锚头端，另一端连接锚固杆件8；
39.在本实施例中，所述锚头端包括锚头杆件6，所述锚头杆件6的一端连接恒压让位结构7；
40.作为可选择的一种实施方式，所述锚头杆件6上设有托盘5，所述托盘5上设有环形压力传感器3，所述环形压力传感器3通过固定件固定在托盘5上，且在环形压力传感器3的一侧设有预警装置4；
41.更进一步地，所述环形压力传感器3通过螺母垫片2和螺母1进行固定；
42.更进一步地，从锚头杆件6的另一端依次插入托盘5、环形压力传感器3、螺母垫片2和螺母1。
43.作为可选择的一种实施方式，所述螺母1的内侧壁设有螺纹，与锚头杆件6的外侧
壁设有与之相匹配的螺纹，以实现螺母1与锚头杆件6的紧固连接。
44.在本实施例中，所述锚固杆件8使用水泥砂浆锚固在深部围岩中，为锚杆提供锚固力。
45.在本实施例中，所述恒压让位结构7在受到一定围岩压力情况下进行让位，释放围岩压力；如图2所示，所述恒压让位结构7包括空腔壳体7-1、让位杆7-7和回流活塞7-4；所述让位杆7-7设于空腔壳体7-1内，让位杆7-7的底端穿出空腔壳体7-1的底部并与锚固杆件8连接，让位杆7-7的顶端连接回流活塞7-4且均位于空腔壳体7-1的内部；
46.具体地，所述让位杆7-7设于空腔壳体7-1内，让位杆7-7的两侧壁与空腔壳体7-1的内侧壁有间隙，不贴合；所述回流活塞7-4的两侧壁与空腔壳体7-1的内侧壁贴合，且回流活塞7-4的顶端与空腔壳体7-1的内侧壁之间有间隙，不贴合；
47.由此，由让位杆7-7的两侧壁、回流活塞7-4的底部与空腔壳体7-1的内侧壁构成恒压腔7-6，由回流活塞7-4的顶端与空腔壳体7-1的内侧壁构成伸缩腔7-9。
48.在本实施例中，所述回流活塞7-4上设有弹簧孔7-2-3，弹簧孔7-2-3内设有弹簧构件7-2；如图3所示，所述弹簧构件7-2包括：弹簧螺母7-2-1、弹簧7-2-2和弹簧活塞7-2-4，所述弹簧螺母7-2-1设于弹簧孔7-2-3的顶部，弹簧螺母7-2-1的一端连接弹簧7-2-2，弹簧7-2-2的另一端连接弹簧活塞7-2-4，弹簧活塞7-2-4设于弹簧孔7-2-3的底部；
49.在弹簧孔7-2-3上设有出油孔7-3和进油孔7-5；所述出油孔7-3连通伸缩腔7-9，进油孔7-5连通恒压腔7-6，通过进油孔7-5和出油孔7-3贯通恒压腔7-6与伸缩腔7-9，构成回流通道；
50.作为可选择的一种实施方式，所述进油孔7-5设于回流活塞7-4的底端，且位于弹簧活塞7-2-4的底端。
51.作为可选择的一种实施方式，在恒压腔7-6的底端设有液压单向阀7-8，通过液压单向阀7-8向恒压腔7-6内注入液压油，且将恒压腔7-6和伸缩腔7-9内充满液压油，通过弹簧构件7-2调节恒压腔7-6内的让位压强。
52.作为可选择的一种实施方式，所述让位杆7-7的底端与锚固杆件8上均设置螺纹，两者通过螺纹相连。
53.在本实施例中，如图4所示，所述回流活塞4包括第一凸台7-4-1、第二凸台7-4-2和活塞翼端7-4-3；
54.所述回流活塞4的顶部设有第一凸台7-4-1，第一凸台7-4-1的顶端与空腔壳体7-1的内侧壁之间有间隙，不贴合，即构成伸缩腔7-9；第一凸台7-4-1设置的目的是为了便于安装和保护弹簧螺母，同时防止回流活塞4的顶部紧贴在空腔壳体7-1的内侧壁，导致伸缩腔7-9难以让位；
55.所述第一凸台7-4-1下端设有第二凸台7-4-2，在第二凸台7-4-2内部设置弹簧孔7-2-3，弹簧螺母7-2-1设与第二凸台7-4-2的顶部；
56.所述第二凸台7-4-2的下端设有活塞翼端7-4-3，活塞翼端7-4-3的两侧与空腔壳体7-1的内侧壁贴合，活塞翼端7-4-3的底端设有进油孔7-5，弹簧活塞7-2-4设于活塞翼端7-4-3的底端，活塞翼端7-4-3的底端还与让位杆7-7连接。
57.作为可选择的一种实施方式，所述第一凸台7-4-1的宽度小于第二凸台7-4-2的宽度。
58.作为可选择的一种实施方式，所述活塞翼端7-4-3与弹簧活塞7-2-4紧密贴合，且设有密封圈防止液压油回流，防止让位过快，加大围岩变形。
59.在本实施例中，所述锚固杆件8使用水泥砂浆锚固在深部围岩中，锚头端设置在围岩外壁，在围岩发生变形的时候，恒压让位结构7在围岩变形压力的作用下，由让位杆7-7带动回流活塞7-4压缩恒压腔7-6内的液压油，使得恒压腔7-6内压强升高，液压油通过进油孔7-5压缩弹簧活塞7-2-4，弹簧活塞7-2-4向上压缩弹簧7-2-2，由此带动弹簧7-2-2的变形；
60.当恒压腔7-6内部的让位压强达到设定的恒压腔让位压强阈值时，弹簧7-2-2被压缩到出油孔7-3处，则液压油通过出油孔7-3流到伸缩腔7-9，伸缩腔7-9内液压油增多，推动让位杆7-7的下移，伸缩腔7-9伸长，从而实现恒压让位结构7整体的伸长变形。
61.作为可选择的一种实施方式，恒压腔让位压强阈值根据锚杆承载能力的一定比例作为阈值对弹簧进行选择与调节；
62.更进一步地，恒压腔让位压强阈值根据锚杆承载能力的80％作为阈值对弹簧进行选择，剩余的20％承载能力是为施工人员进行再次加固等支护处理提供安全储备。
63.此过程中，恒压腔在围岩缓慢的变形中，让位压强基本保持稳定；同时，锚头端环形压力传感器实时监测锚杆轴力，通过恒压让位结构稳定的压强和锚杆轴环形压力传感器实时监测的轴力，可为锚杆的工作状态和变形水平进行安全评估。
64.实施例2
65.本实施例提供了一种软岩大变形锚杆预警系统，包括：实施例1所述的软岩大变形锚杆和预警系统；
66.所述软岩大变形锚杆通过环形压力传感器实时监测锚杆轴力；
67.所述预警系统根据设定的恒压让位结构的变形量阈值、恒压腔让位压强阈值和锚杆轴力监测数据，确定锚杆的工作状态与变形结果，并以此进行预警。
68.作为可选择的一种实施方式，所述预警系统包括数据处理模块和警报器；数据处理模块根据设定的恒压让位结构的变形量阈值、恒压腔让位压强阈值和锚杆轴力监测数据，判断锚杆的工作状态与变形结果。
69.具体地，在锚杆工作时，当恒压腔内部的让位压强达到恒压腔让位压强阈值时，锚杆在该恒压下开始变形让位；其中，当恒压腔内部的让位压强达到设定的恒压腔让位压强阈值时，液压油通过进油孔压缩弹簧活塞，弹簧活塞向上压缩弹簧，弹簧被压缩到出油孔处，液压油通过出油孔流到伸缩腔，伸缩腔内液压油增多，推动让位杆的下移，伸缩腔伸长，从而实现锚杆的伸长变形；
70.在恒压让位过程中，锚杆受力基本稳定，也就是环形压力传感器输出的锚杆轴力监测数据基本稳定，此时锚杆正常工作；
71.若锚杆变形达到最大设计变形量时，锚杆停止让位，起到控制变形的作用，围岩变形受到限制，锚杆受力增大，此时，环形压力传感器输出的锚杆轴力监测数据变大；
72.那么，通过监测锚杆轴力监测数据，判断恒压让位结构的变形量是否达到变形量阈值，若达到变形量阈值，则进入预警阶段，通过警报器进行预警。
73.作为可选择的一种实施方式，恒压让位结构的变形量阈值根据隧道工程安全允许变形量进行设计。
74.作为可选择的一种实施方式，恒压腔让位压强阈值根据锚杆承载能力的一定比例
作为阈值对弹簧进行选择与调节；
75.更进一步地，恒压腔让位压强阈值根据锚杆承载能力的80％作为阈值对弹簧进行选择，剩余的20％承载能力是为施工人员进行再次加固等支护处理提供安全储备。
76.在本实施例中，恒压让压结构在受到围岩恒定压力作用下进行让位，允许隧道在安全允许的范围内进行变形，以充分发挥围岩的自稳能力；同时结合锚杆端部环形压力传感器实时监测锚杆的受力，在锚杆应力达到锚杆承载能力的阈值时，警报器发生警报。实现对锚杆工作状态、变形的自动化智能预警，警示施工人员及时加固处理，避免因围岩大变形而引起隧道施工安全事故。
77.实施例3
78.本实施例提供一种实施例2所述的软岩大变形锚杆预警系统的预警方法，包括：
79.设定恒压让位结构的变形量阈值和恒压腔让位压强阈值；
80.根据恒压腔让位压强阈值判断软岩大变形锚杆的工作状态，在软岩大变形锚杆中恒压腔内的让位压强达到恒压腔让位压强阈值时，软岩大变形锚杆开始变形让位；
81.获取变形让位过程中的锚杆轴力监测数据，根据恒压让位结构的变形量阈值和锚杆轴力监测数据，判断锚杆的变形结果，并根据判断结果进行预警。
82.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。
技术特征：1.一种软岩大变形锚杆，其特征在于，包括：锚头端、恒压让位结构与锚固杆件；所述恒压让位结构的一端连接锚头端，另一端连接锚固杆件；所述恒压让位结构包括空腔壳体、让位杆和回流活塞；所述让位杆的一端设有回流活塞，且设于空腔壳体内，另一端连接锚固杆件，由让位杆的侧壁、回流活塞的底端与空腔壳体的内侧壁构成恒压腔，由回流活塞的顶端与空腔壳体的内侧壁构成伸缩腔；所述回流活塞上设有弹簧孔，弹簧孔内设有弹簧构件，弹簧孔上还设有出油孔和进油孔，进油孔和出油孔贯通恒压腔与伸缩腔；让位杆带动回流活塞压缩恒压腔内液压油，且恒压腔内的让位压强升高，通过弹簧构件的变形，液压油从进油孔通过出油孔填充至伸缩腔内，以调节恒压腔的让位压强。2.如权利要求1所述的一种软岩大变形锚杆，其特征在于，所述锚头端包括锚头杆件，所述锚头杆件的一端连接恒压让位结构，锚头杆件上设有托盘，托盘上设有环形压力传感器，环形压力传感器通过固定件固定在托盘上，且在环形压力传感器的一侧设有预警装置。3.如权利要求1所述的一种软岩大变形锚杆，其特征在于，所述弹簧构件包括弹簧螺母、弹簧和弹簧活塞，所述弹簧螺母设于弹簧孔的顶部，弹簧螺母的一端连接弹簧，弹簧的另一端连接弹簧活塞，弹簧活塞设于弹簧孔的底部。4.如权利要求3所述的一种软岩大变形锚杆，其特征在于，所述恒压让位结构在围岩变形压力作用下，由让位杆带动回流活塞压缩恒压腔内的液压油，恒压腔内的让位压强升高，液压油通过进油孔压缩弹簧活塞，弹簧活塞向上压缩弹簧，当弹簧被压缩到出油孔处，则液压油通过出油孔流到伸缩腔。5.如权利要求3所述的一种软岩大变形锚杆，其特征在于，所述进油孔设于回流活塞的底端，且位于弹簧活塞的底端。6.如权利要求1所述的一种软岩大变形锚杆，其特征在于，在恒压腔的底端设有液压单向阀，通过液压单向阀向恒压腔内注入液压油，且将恒压腔和伸缩腔内充满液压油。7.如权利要求1所述的一种软岩大变形锚杆，其特征在于，所述回流活塞包括第一凸台、第二凸台和活塞翼端；第一凸台的顶端与空腔壳体的内侧壁之间构成伸缩腔；第一凸台下端设有第二凸台，在第二凸台内部设置弹簧孔；第二凸台的下端设有活塞翼端，活塞翼端的两侧与空腔壳体的内侧壁贴合。8.一种软岩大变形锚杆预警系统，其特征在于，包括：权利要求1-7任一项所述的一种软岩大变形锚杆和预警系统；所述软岩大变形锚杆通过环形压力传感器实时监测锚杆轴力；所述预警系统根据设定的恒压让位结构的变形量阈值、恒压腔让位压强阈值和锚杆轴力监测数据，确定锚杆的工作状态与变形结果，并以此进行预警。9.如权利要求8所述的一种软岩大变形锚杆预警系统，其特征在于，所述软岩大变形锚杆中恒压腔内的让位压强达到恒压腔让位压强阈值时，液压油通过进油孔压缩弹簧活塞，弹簧活塞向上压缩弹簧，当弹簧被压缩到出油孔处，液压油通过出油孔流到伸缩腔，伸缩腔推动让位杆的下移，使得软岩大变形锚杆变形让位；在软岩大变形锚杆变形让位的过程中，通过锚杆轴力监测数据判断是否达到变形量阈值，以此进行预警。10.一种软岩大变形锚杆预警方法，其特征在于，采用权利要求8-9任一项所述的一种软岩大变形锚杆预警系统，包括：
设定恒压让位结构的变形量阈值和恒压腔让位压强阈值；根据恒压腔让位压强阈值判断软岩大变形锚杆的工作状态，在软岩大变形锚杆中恒压腔内的让位压强达到恒压腔让位压强阈值时，软岩大变形锚杆开始变形让位；获取变形让位过程中的锚杆轴力监测数据，根据恒压让位结构的变形量阈值和锚杆轴力监测数据，判断锚杆的变形结果，并根据判断结果进行预警。
技术总结本发明公开一种软岩大变形锚杆、预警系统及方法，包括锚头端、恒压让位结构与锚固杆件；恒压让位结构的一端连接锚头端，另一端连接锚固杆件；恒压让位结构包括空腔壳体、让位杆和回流活塞；让位杆的一端设有回流活塞，由让位杆的侧壁、回流活塞的底端与空腔壳体的内侧壁构成恒压腔，由回流活塞的顶端与空腔壳体的内侧壁构成伸缩腔；回流活塞上设弹簧孔，弹簧孔内设弹簧构件，弹簧孔上还设出油孔和进油孔，让位杆带动回流活塞压缩恒压腔内液压油，且恒压腔内的让位压强升高，通过弹簧构件的变形，液压油填充至伸缩腔内，以调节恒压腔的让位压强。在受到一定围岩压力作用下进行让位，释放围岩压力；还可实现对锚杆、隧道变形灾害的自动预警。动预警。动预警。
技术研发人员：邱道宏 李雪冰 许振浩 薛翊国 张文卿 刘秋实 郭壮壮
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.07.14
技术公布日：2022/11/1
