隧道围岩内部应力分布式监测装置及施工方法、监测方法与流程

本公开涉及地下工程围岩稳定性监测技术领域，具体涉及一种隧道围岩内部应力分布式监测装置及施工方法、监测方法。

背景技术：

光纤的布里渊散射特性是一种优良的物理信息监测方法，可实现连续几十公里长距离的光纤走向范围的应力监测，其基本原理是：激光传入光纤之后，光纤受应力发生布里渊散射，其光频率的偏移量与光纤自身受的应力变化为线性关系，因此基于该线性变化特征可以将光频率的偏移量转化为光纤周围的受力大小，通过本发明的装置实现围岩内部应力监测。

现阶段，该技术成功应用于地下工程等安全监测领域，国内具有广阔的应用前景。但发明人在研发过程中发现，在实际工程中，地下工程围岩内部应力的监测和变化位置一直是监测的难点，导致各种潜在的因开挖扰动发生的围岩动力灾害难以遏制。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种隧道围岩内部应力分布式监测装置及施工方法、监测方法，通过特殊的耦合设计和受力支撑结构，实现围岩内部应力变化位置和大小的监测。

本公开一方面提供的一种隧道围岩内部应力分布式监测装置的技术方案是：

一种隧道围岩内部应力分布式监测装置，该装置包括支撑杆件和设置在支撑杆件外侧的耦合基座，所述耦合基座的外侧壁上沿圆周方向开设有多个交错排布的第一凹槽和第二凹槽，每个第二凹槽内均布设有传感光纤。

本公开另一方面提供的一种隧道围岩内部应力分布式监测装置的施工方法的技术方案是：

一种隧道围岩内部应力分布式监测装置的施工方法，该方法包括：

将隧道围岩内部应力分布式监测装置安置在隧道围岩钻孔内部；

待隧道围岩内部应力分布式监测装置安置在围岩钻孔后，对围岩钻孔进行封孔注浆处理。

本公开另一方面提供的一种隧道围岩内部应力分布式监测方法的技术方案是：

一种隧道围岩内部应力分布式监测方法，该方法包括：

位于围岩钻孔内的监测装置中传感光纤受到纵向或横向的应力变化后，发生布里渊背向散射；

布里渊散射测量仪测量到传感光纤的波长偏移量后，进行数据解析，确定围岩内部应力沿装置走向的应力变化位置和大小。

通过上述技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开能够精准监测围岩内部应力大小和位置，使围岩隐蔽风险源变得透明和可控，保证地下工程建设的安全和效率。

(2)本公开使得围岩内部应力大小得到精确测量，并且响应变化位置得以确定，可用于判断围岩应力集中区域和断裂位置，解决了传统监测传感器的内部监测失效和难以适应复杂环境的问题。

(3)本公开提出的监测装置使用的支撑杆件、硅橡胶和传感光纤皆是常规耗材，成本低，结构简单；

(4)本公开将监测装置深入到围岩钻孔内监测，并加以注浆封孔，对围岩整体无二次损伤；使用高强度杆件做支撑杆件，可以额外增加围岩整体性，起到围岩锚固的作用；

(5)本公开提出的监测装置自身可以相互连接组网，传感光纤预留端可以相互熔接，实现对隧道围岩整体化的监测，达到传统监测方式无法实现的全局监测效果。

附图说明

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

图1是实施例一隧道围岩内部应力分布式监测装置的整体结构示意图；

图2是实施例一隧道围岩内部应力分布式监测装置的横截面结构示意图；

图3是实施例二中隧道围岩内部应力分布式监测传感装置位置示意图；

其中，1、传感光纤；2、硅橡胶耦合剂；3、耦合基座；4、支撑杆件；5、第一凹槽；6、第二凹槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开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。

实施例一

本实施例提供了一种隧道围岩内部应力分布式监测装置，能精确测量围岩因开挖扰动影响发生的应力大小变化和位置。

请参阅附图1和图2，所隧道围岩内部应力分布式监测装置包括支撑杆件4、耦合基座3和传感光纤1。

所述支撑杆件4的外侧设置有所述耦合基座3，所述耦合基座3的外侧壁上沿圆周方向开设有多个第一凹槽5和第二凹槽6，所述第一凹槽5和第二凹槽6的交错排布，所述多个第一凹槽5沿支撑杆件4中心对称设置，所述多个第二凹槽6沿支撑杆件4纵向和横向中心线对称设置，可实现钻孔内四向受力判断和定位；所述第二凹槽6内布设有传感光纤1。

位于支撑杆件4顶部的传感光纤弯曲处填充有硅橡胶，以免传感光纤发生大角度弯折，出现较多光量损耗。为了让传感光纤1与支撑杆件4紧密耦合，采用硅橡胶对光纤进行封装处理，使传感光纤1与支撑杆件4保持协调一致变形，能保证光纤自身柔韧度，与应力变化发生一直变化，同时兼顾耦合强度。

所述传感光纤1的一端延伸出支撑杆件一端，作为预留端；所述传感光纤1预留端可连接布里渊散射测量仪，传感光纤1受纵向或横向的应力变化后，发生布里渊背向散射，与传感光纤连接的布里渊散射测量仪测量到波长偏移量后，进行数据解析，实现围岩内部应力监测和沿装置走向范围的应力变化点定位，直接反应沿装置走线的应力变化位置和大小。

所述传感光纤1预留端还可以与其他监测装置的传感光纤的预留端连接，进行组网实现对隧道围岩整体化的监测，达到传统监测方式无法实现的全局监测效果。

在本实施例中，所述支撑杆件4呈圆柱状；所述传感光纤1采用包含外封装层的单模光纤。

本实施例提出的隧道围岩内部应力分布式监测装置，结构简单，成本低，监测长度可随现场需求设计。

实施例二

本实施例提供一种隧道围岩内部应力分布式监测装置的施工方法，请参阅附图3，该方法包括以下步骤：

利用光纤传感技术的布里渊背向散射受应力发生对应变化的特性，将装置安置在隧道围岩钻孔内部，可实现围岩内部应力的精准监测，并且可定位沿装置走向范围的应力异常变化点，完成围岩内部应力大小和位置的信息采集，对判断隧道受开挖扰动的围岩稳定性具有重要作用。

所述隧道围岩内部应力分布式监测装置安置在围岩钻孔后，进行封孔注浆处理，让装置与围岩形成统一的整体，保持变形协调，同时不影响围岩强度。

实施例三

本实施例提供一种隧道围岩内部应力分布式监测方法，该方法包括以下步骤：

s101，位于围岩钻孔内的监测装置中传感光纤1受纵向或横向的应力变化后，发生布里渊背向散射。

s102，与传感光纤连接的布里渊散射测量仪测量到波长偏移量后，进行数据解析，确定围岩内部应力沿装置走向的应力变化位置和大小。

从以上的描述中，可以看出，上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)能够精准监测围岩内部应力大小和位置，使围岩隐蔽风险源变得透明和可控，保证地下工程建设的安全和效率。

(2)使得围岩内部应力大小得到精确测量，并且响应变化位置得以确定，可用于判断围岩应力集中区域和断裂位置，解决了传统监测传感器的内部监测失效和难以适应复杂环境的问题。

(3)使用的支撑杆件、硅橡胶和传感光纤皆是常规耗材，成本低，结构简单；

(4)将监测装置深入到围岩钻孔内监测，并加以注浆封孔，对围岩整体无二次损伤；使用高强度杆件做支撑杆件，可以额外增加围岩整体性，起到围岩锚固的作用；

(5)监测装置自身可以相互连接组网，传感光纤预留端可以相互熔接，实现对隧道围岩整体化的监测，达到传统监测方式无法实现的全局监测效果。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。