一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，选择测量点，钻孔后对土层进行编录，成孔后，下放感测光纤后对孔进行回填，当感测光纤周围的岩土体发生变形时，由于周围土体的包裹力，将带动感测光纤发生变形，通过BOTDR/A等技术测量感测光纤的应变分布，即可获得钻孔剖面相应位置的应变分布情况，将获取的应变沿着光纤进行相应位置的积分便可得出深部岩土体各个土层的变形情况，从而实现钻孔剖面岩土体分层变形分布式测量。适用于地面沉降、地面塌陷、矿山等岩土体变形监测领域。
【专利说明】一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩土体的变形测量方法，具体是一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法。
【背景技术】
[0002]地下资源的开采往往容易引起岩土体变形，引起地面不均匀沉降、地面塌陷等灾害。特别是煤矿开采形成的巷道和采空区，周围的岩土体受力发生变化，造成土层变形、顶板脱落等问题。针对上述问题，采用钻孔观测通道测量各层岩土体的变形是目前采用的主要手段之一。因此选择有效的钻孔剖面岩土体变形测量方法尤其重要。
[0003]现有的土体变形测量技术中，大范围监测技术主要有合成孔径干涉雷达(INSAR)、全球定位系统(GPS)以及水准测量等，其中INSAR技术是一种新型空间对地观测技术，对同一地区采用干涉法记录图像和相位的回波信号，获取地表面三维物理几何特征，通过对比两幅SAR图像的相位差获得干涉图像，进而从干涉条纹中获取地面高程数据，从而实现沉降监测。GPS技术是利用人造卫星对一个地区进行三边测量定位，根据定位获取的地面高程数据实现沉降监测。合成孔径干涉雷达(INSAR)与全球定位系统(GPS)监测技术可实现较大范围内的沉降监测，主要用于区域性的沉降监测研究。小范围监测技术主要有传统的水准测量、基岩标以及分层标等方法。水准测量又称“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法，可在较小范围的沉降监测中获得较高的监测精度。基岩标和分层标监测技术是通过埋设基岩标和分层标，监测以基岩面为水准点的各土层压缩(膨胀)量，从而获取各土层的变形量和地面沉降量。
[0004]上述监测技术中INSAR、GPS、水准测量不能用于岩土体分层变形测量。基岩标和分层标可以实现各岩土体的分层变形测量，但该技术属于传统点式测量，具有实施难度较大、数据量有限和传感密度较低等不足。本发明是针对岩土体分层变形监测存在的问题和难点，提出的一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法。
【发明内容】
[0005]本发明目的是:为了克服现有针对岩土体分层变形常规监测方法和手段的不足，提出一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法。
[0006]为实现上述目的，本发明的采取的技术方案是:
[0007]步骤一为钻孔成孔:选择测量点，采用钻机进行全取芯钻进，形成一个钻孔；
[0008]步骤二为放置光缆:成孔后，采用钻杆将带有配重导锤的分布式感测光纤送入钻孔中，所述送入过程中，控制钻杆下沉速度为0.lm/s-0.5m/s，并通过钢丝绳控制配重导锤下沉；所述光纤是带有护套的光纤或采用二次封装的光纤，感测光纤与导锤固定，感测光纤的中部缠绕在导锤上，在导锤的两侧对称部位形成一个“U”字型回路，对光纤与导锤头部固定处进行热缩保护；钻孔内同时布置二根光纤，其中一根是温度校正光纤；所述钻孔的直径范围是130-200mm。[0009]步骤三为封孔耦合:光纤植入后，采用拌入膨润土的细砂进行回填封孔，所述回填封孔步骤或者替换采用为使用高标号水泥添加细骨料和速凝剂进分段注浆，每段长度为
2-3米；所述回填的过程中感测光纤处于拉直状态；将头部的尾纤进行熔接之后归并到钻孔孔口处设置的箱子里进行保护，回填后在孔口架设固定感测光纤的滑轮；
[0010]步骤四为观测:感测光纤周围岩土体形变时，通过B0TDR/A或BOFDA测量感测光纤的应变分布，获取钻孔剖面相应位置的应变分布情况，将获取的应变沿着光纤进行相应位置的积分得出深部岩土体各个土层的变形情况。
[0011]本发明与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0012]I)实现了钻孔剖面岩土体分层变形分布式测量，克服传统测量技术如基岩标和分层标测点不连续的缺陷；
[0013]2)采用了直埋式和土料回填钻孔方法进行布设，可使光纤与周围土体协调变形，准确测量岩土体各层变形情况；
[0014]3)该方法可以监测到整个钻孔剖面上各点的应力变化值，可对岩土体中产生变形的土层实现精确定位；
[0015]4)钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法采用封装光纤和光信号，可以克服测量区域潮湿、酸、碱、温差大等恶劣环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]附图1为钻孔剖面直埋式光纤分布式测量方法示意图
[0017]附图2为配重导锤示意图
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0019]如附图1所示，本发明的基本方法如下:
[0020]步骤一为钻孔成孔:首先选择一个测量点，采用钻机进行全取芯钻进，形成一定深度的孔，钻孔的深度可以根据具体需求，需要时可以达到上百米；同时对钻孔土层进行编录，编录用于在观测中更好的掌握不同土层的测试效果；附图1中，用不同图案表示钻孔两边不同质地的土层；
[0021]步骤二为放置光缆:成孔后，钻孔的直径范围130-200_，采用钻杆将带有配重导锤I的分布式感测光纤2送入孔中，钻孔内同时布置二根光纤上述各种光纤，其中一根是温度校正光纤；所述送入过程中，控制钻杆下沉速度约为0.1-0.5m/s，并通过钢丝绳控制配重导锤I ;防止钻杆与配重导锤I脱节，导致钻杆破坏其他感测光缆。感测光纤2与导锤固定，感测光纤2的中部缠绕在导锤上，在导锤的两侧对称部位形成一个“U”字型回路，对光纤与导锤头部固定处进行热缩保护。所述光纤是带有护套的光纤或采用二次封装的光纤，如金属基索状感测光缆，GFRP玻璃纤维加筋应变感测光缆，金属基带状光缆，铠装松套温度感测光缆等，在不同程度上提高光纤的抗损性、初始应变及均一性、耐久性、变形协调性、应变传递性、挤压抗弯性和铺设可行性等性能，满足钻孔剖面岩土体分层变形测量需求。所述配重导锤I外形示意图如附图2所示；尤其是采用金属基索状感测光缆和GFRP玻璃纤维加筋应变感测光缆；在钻孔内同时布置二根光纤，其中一根是感测光纤，一根是温度校正光纤，均是金属基索状感测光缆和GFRP玻璃纤维加筋加强与感测光纤和温度校正光纤一道构成光缆。使得施工操作更易于进行。
[0022]步骤三为封孔耦合:光纤植入后，采用拌入少量膨润土的细砂进行回填封孔，所述回填封孔步骤可替换为使用高标号水泥添加适量细骨料(如粉砂和粉煤灰)和速凝剂进分段注浆，即分段进行所述回填封孔和所述速凝剂注浆，每段长度为2-3米；所述回填的过程中感测光纤2处于拉直状态；将头部的尾纤进行熔接之后归并到钻孔口处设置的箱子里进行保护，回填后在孔口架设固定感测光纤2的滑轮；其中，膨润土的含量为4%-6% ；
[0023]步骤四为观测:感测光纤2周围岩土体形变时，通过B0TDR/A或BOFDA (分布式光纤传感技术)测量感测光纤2的应变分布，获取钻孔剖面相应位置的应变分布情况，将获取的应变沿着光纤进行相应位置的积分得出深部岩土体各个土层的变形情况。
[0024]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，其特征在于:在钻孔中直埋布设光纤，回填土样，利用岩土体包裹力使得感测光纤(2)与周围岩土体协调变形，通过测量感测光纤的应变分布获得光纤相应位置的岩土体各个土层的变形情况，实现钻孔剖面岩土体分层变形分布式测量，该方法包括如下步骤: 1)钻孔成孔:选择测量点，采用钻机进行全取芯钻进，形成一个钻孔； 2)放置光缆:成孔后，采用钻杆将带有配重导锤(I)的分布式感测光纤送入钻孔中，所述送入过程中，控制钻杆下沉速度为0.lm/s-0.5m/s，并通过钢丝绳控制配重导锤(I)下沉； 3)封孔耦合:光纤植入后，采用拌入膨润土的细砂进行回填封孔，所述回填封孔步骤或者替换采用为使用高标号水泥添加细骨料和速凝剂进分段注浆；所述回填的过程中感测光纤(2)处于拉直状态；将头部的尾纤进行熔接之后归并到钻孔孔口处设置的箱子里进行保护，回填后在孔口架设固定感测光纤(2)的滑轮； 4)观测:感测光纤(2)周围岩土体形变时，通过BOTDR/A或BOFDA测量感测光纤(2)的应变分布，获取钻孔剖面相应位置的应变分布情况，将获取的应变沿着光纤进行相应位置的积分得出深部岩土体各个土层的变形情况。
2.根据权利要求1所述的钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，其特征在于:步骤2)，所述光纤是带有护套的光纤或采用二次封装的光纤，感测光纤(2)与导锤固定，感测光纤(2)的中部缠绕在导锤上，在导锤的两侧对称部位形成一个“U”字型回路，对光纤与导锤头部固定处进行热缩保护。
3.根据权利要求1所述的钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，其特征在于:步骤2)，所述钻孔的直径范围是130-200_。
4.根据权利要求1所述的钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，其特征在于钻孔内同时布置二根光纤，其中一根是感测光纤，一根是温度校正光纤。
5.根据权利要求1所述的钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，其特征在于:步骤3)，光纤植入后封孔，交替采用拌入膨润土的细砂进行回填封孔和采用高标号水泥添加细骨料和速凝剂注浆，即分段进行所述回填封孔和所述速凝剂注浆，每段长度为2-3米。
6.根据权利要求4所述的钻孔剖面岩土体分层变形光纤测量方法，其特征在于:在钻孔内同时布置二根光纤，其中一根是感测光纤，一根是温度校正光纤，均是金属基索状感测光缆和GFRP玻璃纤维加筋加强与感测光纤和温度校正光纤一道构成光缆。
【文档编号】G01B11/16GK103438820SQ201310399092
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】施斌, 魏广庆, 朴春德, 童恒金, 卢毅, 席均, 孙义杰, 刘瑾 申请人:南京大学, 苏州南智传感科技有限公司, 南京大学（苏州）高新技术研究院