[發明專利]隧道圍巖徑向應力應變分布式監測技術

有效

• 申請號: 201010595141.4
• 申請日: 2010-12-20
• 公開（公告）號: CN102102537A
• 公開（公告）日: 2011-06-22
• 發明（設計）人: 施斌;尹龍;張丹;席均;趙洪巖;干昆蓉;楊毅;任彥超
• 申請（專利權）人: 中鐵隧道集團有限公司
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18;G01B11/16
• 代理公司: 洛陽明律專利代理事務所 41118
• 代理人: 盧洪方

技術領域

本發明屬于巖土工程監測技術領域，涉及一種基于分布式光纖傳感技術的隧道圍巖徑向變形分布式監測技術。

背景技術

我國目前正處于大規模建設時期，在交通、國防、水利等各個領域出現了大量的隧道工程。在隧道施工和使用過程中，圍巖的應力應變將產生變化，保證圍巖穩定性安全是一個極其重要的任務。隧道圍巖徑向應力應變監測是確定隧道圍巖松動圈影響范圍、判斷圍巖穩定性，掌握圍巖應力應變發展變化規律，評估支護效果的主要手段和依據。

隧道開挖過程中，由于一側巖土被挖去對圍巖產生卸荷作用，圍巖從應力平衡狀態轉變為非平衡狀態，在隧道施工過程中往往需要通過支護結構使圍巖重新達到一個平衡狀態來維持圍巖的穩定性。在圍巖應力重分布過程中，將產生一個圍巖松動圈，圈內的巖土體將發生徑向上的應力應變變化而圈外則基本不受影響。對圍巖徑向變形等進行監測是確定圍巖松動圈影響范圍，保證圍巖的穩定安全最可靠的方法之一。隧道圍巖穩定性安全監測比較常見的監測內容有圍巖變形位移監測、支護結構與圍巖接觸應力監測等，這些監測內容主要通過電測式傳感器(位移計、應力計、土壓力盒等)和光學測量儀器(水準儀、全站儀等)來實現。這些監測手段只能監測到一些圍巖界面上的信息而無法了解整個圍巖內部的應力應變情況；常規傳感器多為點式傳感器，當監測區域范圍較大、監測點空間密度要求較高時需要布設大量的傳感器，這必然導致監測工作復雜程度和費用的劇增，而且監測數據之間缺少聯系，無法反映圍巖整體的變形規律。此外，常規的電測式傳感元件，由于受到腐蝕和雷電等的干擾，使用壽命和穩定性難以滿足長期監測的要求。因此一種全新的分布式光纖監測方法，對現代工程中隧道圍巖的監測有著重要的意義。

基于布里淵光時域反射技術(Brillouin?Optical?Time?Domain?Reflectormeter，縮寫：BOTDR)的分布式傳感技術是近年來在光電信息領域內研發一項尖端技術，它除了具有一般光纖傳感技術的耐腐蝕、抗干擾等特點，最重要的是具有分布式測量的特點，可以得到光纖沿線任意點的應變和溫度信息。將該技術用于隧道圍巖徑向變形監測，評價圍巖松動圈，對圍巖的穩定性進行評估和預測。

發明內容

針對目前圍巖監測中存在的問題，結合隧道圍巖應力重分布的特點，提出一種基于分布式光纖傳感技術的隧道圍巖變形的監測技術。

本發明的目的是這樣實現的：

一種隧道圍巖徑向應力應變分布式監測技術，沿隧道徑向鉆取監測孔；將分布式光纖傳感器通過固定支撐系統的支撐桿件送至徑向監測孔的孔底；孔口處通過孔口固定系統固定支撐桿件、注漿排氣管并封堵孔口；通過注漿方式填充光纖傳感器與圍巖空隙，使光纖傳感器與圍巖協調變形；光纖傳感器包括分布式光纖應變傳感器和溫度補償光纖傳感器，分布式光纖應變傳感器通過彈簧秤施加定量預拉力，溫度補償光纖傳感器不施加預拉力；所述分布式光纖應變傳感器為GFRP加強型緊套單模光纖傳感器，用于應變量的監測；所述溫度補償光纖傳感器為鎧裝松套單模光纖傳感器，用于應變量的溫度補償；將各個監測孔的分布式光纖傳感器熔接串聯接至光纖應變分析儀BOTDR；應變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；根據布里淵頻移與應變和溫度之間的線性關系，可以得到圍巖內部徑向上應變分布和溫度分布，剔除溫度的影響，就得到隧道圍巖徑向上的應變分布；通過對測量的應變分布進行乘積、求和運算得到圍巖徑向的變形，進而對圍巖的穩定性作出評價和預測。

具體而言：監測孔沿隧道徑向鉆取，布設位置根據實際監測需要確定；監測孔孔徑為70mm至90mm，監測孔長度可選取圍巖松動圈計算值或經驗值的1.5倍以上，使監測孔穿越圍巖松動圈的底部達到圍巖穩定區域。

所述的固定支撐系統由光纖傳感器支撐桿件、注漿排氣管、孔口固定系統組成；支撐桿件采用高強度不銹鋼管，每節桿件長1m，桿件之間用外接頭相連以適用不同長度的監測孔；桿件端點留有圓弧凹槽以固定光纖傳感器；排氣管采用PVC管材，每節2m至3m，通過PVC管接頭相連。安裝時，注漿排氣管一端加裝傘狀防護罩，逐節連接直至監測孔底，注漿排氣管另一端自孔口固定系統的蓋板的注漿排氣管出口引出；孔口固定系統包括套筒及蓋板兩部分；套筒直徑略大于監測孔徑，尾部留有圓形裙邊，裙邊上留有螺栓固定孔；蓋板直徑與套筒裙邊相同，最外側留有與裙邊相對應的螺栓固定孔，蓋板與套筒裙邊之間放置橡膠墊圈；蓋板中心位置固定支撐桿件，并在蓋板中間區域開設兩個光纖傳感器引出孔、1個注漿孔、1個注漿排氣管出口。