专利名称：隧道围岩径向应力应变分布式监测技术的制作方法
技术领域：
本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种基于分布式光纤传感技术的隧道围 岩径向变形分布式监测技术。
背景技术：
我国目前正处于大规模建设时期，在交通、国防、水利等各个领域出现了大量的隧 道工程。在隧道施工和使用过程中，围岩的应力应变将产生变化，保证围岩稳定性安全是一 个极其重要的任务。隧道围岩径向应力应变监测是确定隧道围岩松动圈影响范围、判断围 岩稳定性，掌握围岩应力应变发展变化规律，评估支护效果的主要手段和依据。隧道开挖过程中，由于一侧岩土被挖去对围岩产生卸荷作用，围岩从应力平衡状 态转变为非平衡状态，在隧道施工过程中往往需要通过支护结构使围岩重新达到一个平衡 状态来维持围岩的稳定性。在围岩应力重分布过程中，将产生一个围岩松动圈，圈内的岩土 体将发生径向上的应力应变变化而圈外则基本不受影响。对围岩径向变形等进行监测是确 定围岩松动圈影响范围，保证围岩的稳定安全最可靠的方法之一。隧道围岩稳定性安全监 测比较常见的监测内容有围岩变形位移监测、支护结构与围岩接触应力监测等，这些监测 内容主要通过电测式传感器(位移计、应力计、土压力盒等)和光学测量仪器(水准仪、全 站仪等)来实现。这些监测手段只能监测到一些围岩界面上的信息而无法了解整个围岩内 部的应力应变情况；常规传感器多为点式传感器，当监测区域范围较大、监测点空间密度要 求较高时需要布设大量的传感器，这必然导致监测工作复杂程度和费用的剧增，而且监测 数据之间缺少联系，无法反映围岩整体的变形规律。此外，常规的电测式传感元件，由于受 到腐蚀和雷电等的干扰，使用寿命和稳定性难以满足长期监测的要求。因此一种全新的分 布式光纤监测方法，对现代工程中隧道围岩的监测有着重要的意义。基于布里渊I光时域反射技术(Brillouin Optical Time Domain Reflectormeter, 缩写B0TDR)的分布式传感技术是近年来在光电信息领域内研发一项尖端技术，它除了具 有一般光纤传感技术的耐腐蚀、抗干扰等特点，最重要的是具有分布式测量的特点，可以得 到光纤沿线任意点的应变和温度信息。将该技术用于隧道围岩径向变形监测，评价围岩松 动圈，对围岩的稳定性进行评估和预测。
发明内容
针对目前围岩监测中存在的问题，结合隧道围岩应力重分布的特点，提出一种基 于分布式光纤传感技术的隧道围岩变形的监测技术。本发明的目的是这样实现的一种隧道围岩径向应力应变分布式监测技术，沿隧道径向钻取监测孔；将分布式 光纤传感器通过固定支撑系统的支撑杆件送至径向监测孔的孔底；孔口处通过孔口固定系 统固定支撑杆件、注浆排气管并封堵孔口 ；通过注浆方式填充光纤传感器与围岩空隙，使光 纤传感器与围岩协调变形；光纤传感器包括分布式光纤应变传感器和温度补偿光纤传感
权利要求
1.一种隧道围岩径向应力应变分布式监测技术，其特征是沿隧道径向钻取监测孔； 将分布式光纤传感器通过固定支撑系统的支撑杆件送至径向监测孔的孔底；孔口处通过 孔口固定系统固定支撑杆件、注浆排气管并封堵孔口 ；通过注浆方式填充光纤传感器与围 岩空隙，使光纤传感器与围岩协调变形；光纤传感器包括分布式光纤应变传感器和温度补 偿光纤传感器，分布式光纤应变光纤传感器通过弹簧秤施加定量预拉力；温度补偿光纤传 感器不施加预拉力；所述分布式光纤应变传感器为GFRP加强型紧套单模光纤传感器，用 于应变量的监测；所述温度补偿光纤传感器为铠装松套单模光纤传感器，用于长期监测中 的应变量的温度补偿；将各个监测孔的分布式光纤传感器熔接串联接至光纤应变分析仪 BOTDR ；应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，通过对接受到的布里渊背向散射光功 率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变和温 度之间的线性关系，可以得到围岩内部径向上应变分布和温度分布，剔除温度的影响，就得 到隧道围岩径向上的应变分布；通过对测量的应变分布进行乘积、求和运算得到围岩径向 的变形，进而对围岩的稳定性做出评价和预测；所述监测孔孔径为70mm至90mm，监测孔长 度可选取围岩松动圈计算值或经验值的1.5倍以上，使监测孔穿越围岩松动圈的底部达到 围岩稳定区域。
2.由权利要求1所述的隧道围岩径向应力应变分布式监测技术，其特征是所述径向监 测孔穿越围岩松动影响圈，孔底到达围岩稳定区域，以孔底作为基点，对上述应变分布进行 一次积分运算就能得到围岩径向变形的分布。
3.由权利要求1所述的隧道围岩径向应力应变分布式监测技术，其特征是所述固定 支撑系统由光纤传感器支撑杆件(1)、注浆排气管(13)、套筒(9)、盖板(8)组成；支撑杆件 (1)采用高强度不锈钢管，每节杆件长lm，杆件之间用外接头相连以适用不同长度的监测 孔；支撑杆件(1) 一端端点留有圆弧凹槽(10)以固定光纤传感器，固定方式采用胶带将光 纤传感器捆扎在支撑杆件上，分布式光纤应变传感器与温度补偿传感器与支撑杆件的连接 关系，如图3 ；注浆排气管(13)采用PVC管材(如图4)，每节an至: ，通过PVC管接头(16) 相连至所需长度。安装时，注浆排气管(13) —端加装伞状防护罩(15)，逐节连接直至监测 孔底，注浆排气管(13)另一端自孔口固定系统的盖板(8)的注浆排气管出口(7)引出。伞 状防护罩(15)用以防止注浆排气(13)管伸入钻孔过程中，岩土碎屑堵塞管口 ；孔口固定系 统由套筒(9)及盖板(8)两部分组成；套筒直径略大于监测孔径，尾部留有圆形裙边，裙边 上留有固定螺栓孔O)；盖板直径与套筒裙边相同，最外侧留有与裙边相对应的螺栓固定 孔，盖板与套筒裙边之间放置橡胶垫圈( ；盖板中心位置固定支撑杆件，并在盖板中间区 域开设光纤传感器引出孔(5)、注浆孔G)、注浆排气管出口(7)。
全文摘要
本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种基于分布式光纤传感技术的隧道围岩径向变形分布式监测技术；将分布式光纤传感器通过支撑杆件送至径向监测孔的孔底；孔口处通过孔口固定系统将支撑杆件(1)、注浆排气管(13)，封堵于孔内；注浆孔(4)通过注浆管连接至注浆机，通过向孔内注入与围岩变形模量相匹配的浆液，填充光纤传感器与围岩间空隙，使光纤传感器与围岩协调变形；光纤传感器包括分布式光纤应变光纤传感器和温度光纤传感器，将各个监测孔的分布式光纤传感器熔接串联接至光纤应变分析仪BOTDR；通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变和温度之间的线性关系，可以得到围岩内部径向上应变分布和温度分布进而对围岩的稳定性作出评价和预测。
文档编号G01B11/16GK102102537SQ20101059514
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者任彦超, 尹龙, 席均, 干昆蓉, 张丹, 施斌, 杨毅, 赵洪岩 申请人:中铁隧道集团有限公司
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