基于多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法与流程

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基于多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法与流程

本发明涉及一种隧道、基坑和边坡工程的基于锚杆的结构变形监测方法,具体涉及基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆的围岩监测方法。



背景技术:

新奥地利隧道施工方法(简称新奥法)是奥地利学者拉布西维兹(L.V.RABCEWICZ)教授于50年代提出的,它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础,在实践基础上开展起来的一种修建隧道工程的新理论与新概念。新奥法将锚杆和喷射混凝土组合在一起,作为主要支护手段的一种施工方法,经过一些国家的许多实践和理论研究,于60年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展,已成为现代隧道工程新技术标志之一。六十年代新奥法被介绍到我国,七十年代末八十年代初得到迅速发展。至今,可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开新奥法,它几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。

新奥法隧道开挖的核心是要及时支护并勤于测量,对于支护系统中锚杆在围岩中的受力、承载能力、以及可能的损伤等情况进行实时或定期监测,从而对于围岩的支护情况、稳定情况等作出判断非常重要,且已经成为相关领域的重要课题。但锚杆的测试对围岩的位移、特别是隧道开挖施工阶段的收敛监测等方面,并不能做出有益的帮助。对于围岩的变形收敛监测,目前国内外普遍采用的有基于钢尺收敛计的测试、水准仪测试、以及全站仪测试等。这些方法一直是隧道断面收敛的常用方法,但在实际应用中还是存在着需要人工量测,随机误差比较大,因环境恶劣而操作困难,不能实时监测等缺点。

近年来发展起来的光纤光栅技术,由于其精度高,应变测量能达到1με,而且封装后能防水,耐腐蚀,长期性能比较好,不仅能传感,而且也能用于传输数据,利于组网和实时监测,目前已经被广泛应用于结构的健康监测中。东南大学更开发出了长标距光纤光栅的制作和测试技术,可以测得某一标距内的平均应变,避免了结构或者传感器的安装等引起的局部应力集中而造成失真情况,另外,通过连续的应变,还能测算出其宏观的位移。这为我们对隧道监测提供了一种新的思路。

对于隧道开挖对周围岩层的影响可知,比较明显的岩层变形和位移的产生主要是在开挖断面周边附近的岩层,随着距离的增加,其位移影响迅速减小,因此在稍远处的地方,围岩由于开挖而产生的位移相对于近处围岩相比不仅绝对位移量且其收敛速度变化率都非常小,因此在总体的位移中占得比较非常小。因此在非软弱岩层的隧道开挖,我们可近似认为离开挖面远的岩层稳定,近似为固定端。本发明通过将锚杆与稳定岩层锚固后与岩层融为一体,因此其远端可近似认为固定于不动的岩层上,亦即近似为固定端,通过锚杆内长标距光纤光栅传感器的测量,获取沿锚杆全长的分布应变,从而得到锚杆总的变形量,也就是开挖面围岩的变形和收敛量及其速率。

本发明提出了对新奥法隧道开挖断面监测的新的工艺手法,通过在围岩垂直于其拱形断面布置智能锚杆,不仅可测试锚杆在岩层不同深度处的应力、应变和损伤情况,同时也可得出断面变形及收敛情况,实现新奥法施工阶段的监测,同时在进入隧道运行期后,也能继续采集数据,实行持续的监测。



技术实现要素:

本发明的目的是克服现有技术的不足,提供基于多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法。

本发明采用的技术方案为:一种多功能智能锚杆,包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、环氧树脂或植筋胶、铠装光缆和软塑料套管;

所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器安装在锚杆沿纵向所开的小槽内,并通过环氧树脂或植筋胶封装;

所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元,所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅,光纤的两端分别固定在套管的锚固段;

所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅,光纤的一端固定在套管的锚固段,另一端自由,套管两端封闭;

所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆连接,从锚杆内引出,所述铠装光缆穿于软塑料套管之中。

基于一种多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法,包括以下步骤:

(1)根据隧道所处位置的地质状况、支护结构设计、周围环境和易损性等分析资料,选定需要监测的断面进行监测;在每个断面,可选择顶部(约90度方向)、两腰(约45度和135度方向)及两底(约0度和180度方向)这5个典型部位进行监测。

(2)布设于隧道不同位置的锚杆,通过引出的铠装光缆,汇集到光纤光栅解调仪,形成监测传感网络。一般来说,同一根锚杆内的光栅(包括无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器所含的光栅)将输送到同一个通道,光纤光栅解调仪的每个通道一般可根据其连接光栅数量的能力,用耦合器同时连接多根锚杆,但每个通道内不能有波长相同或非常接近的光栅。光纤光栅解调仪每个通道连接智能锚杆和光栅的数量主要由光纤光栅解调仪的波长范围、光栅之间所需要的波长间距、连接产生的光损等几个方面进行考虑确定。

(3)连接各锚杆的光纤光栅解调仪与控制电脑相连,并通过监测系统软件,构建围岩监测系统。各锚杆用于围岩状态的传感感知,光纤光栅解调仪用于数据采集,监测软件系统则实现对数据的分析、围岩状态的评估和预警功能。

(4)各锚杆中的长标距多光栅传感器在各自标距内的长标距波长读数应该由对应的多点温度补偿传感器进行相应位置的精确温度补偿,然后转化为标距内的平均应变值,获取沿锚杆纵向方位的应变分布;

(5)围岩监测先根据锚杆的不同深度位置的应变分布,可根据锚杆的应力应变关系,求出沿锚杆的应力分布,继而获得不同深度的围岩压力特征;同时,基于锚杆的应变分布可求出在每个标距内的变形量,得到沿锚杆纵向不同深度区段内的变形量的分布情况,并进一步求出围岩开挖面的总变形量,在此基础上,通过变形量在时间轴上的变化,求出围岩的收敛速率,判断围岩变形稳定情况。锚杆的损伤则可根据锚杆的分布应力/应变最大值是否达到屈服点来进行判断。这样即可获得围岩在不同深度的围岩压力特征、围岩变形和收敛情况及锚杆的损伤情况。

(6)本围岩监测方法采用持续不间断地实时监测,或采用有一定时间间隔的持续性监测,可以获得围岩压力、变形的实时连续变化特征以及收敛速率,本方法可作为隧道在施工期和运营期定期检测的方法。

作为优选,如采用有一定时间间隔的持续性监测,则按照下面方法进行:

施工期监测:

监测内容:隧道围岩压力、围岩变形、围岩变形收敛速率

监测时间:爆破后24小时内开始进行,按监控量测断面距开挖面距离;

(0~1)B:1~2次/天;(1~2)B:1次/天;(2~5)B:2次/天;>5B:

1次/周;(注:B为隧道开挖宽度)

运营期监测:

监测内容:隧道围岩压力、围岩变形

监测时间:1次/周或按要求监测频率。

本发明的有益效果:

(1)本发明所用的智能锚杆原理简单可靠,测试方法新颖巧妙。本发明主要是利用安装在智能锚杆上的光纤光栅传感器测量其在标距内的平均应变,根据智能锚杆沿长度方向的应变分布,可以得到锚杆的某一标距范围乃至全长的伸长(压缩)量;

(2)本发明的长标距光纤光栅传感器由多个串联的长标距光纤光栅传感单元组成,能测量不同深度的锚杆的应变和轴力情况,因此可以监测到不同深度和位置的围岩的内部受力状况;

(3)本发明的围岩变形及收敛监测方法巧妙,原理简单,将较长的锚杆垂直断面锚固于较远的可近似认为不动的岩层,则近端的锚杆变形量就是断面表层围岩的变形总量,因此可通过锚杆应变的监测,来达到围岩变形和收敛的监测的目的;

(4)本发明的围岩监测,可通过将铠装光缆引线引至设置于安全位置的光纤光栅采集仪,由程序控制自动采集和分析;

(5)本发明所用的智能锚杆制作工艺简单,造价相比较为低廉,布设方便。智能锚杆在隧道内的布设,既可以用作监测,也可以作为受力杆件,起到加固支护作用,有广阔的应用前景和良好的经济效益;

(6)由于本发明所用智能锚杆内的长标距光纤光栅传感器采用了复合材料和环氧树脂封装,其耐水防锈、耐腐蚀等性能优越,且不怕电磁屏蔽和干扰,与锚杆一体化封装以后更是能适用于环境侵蚀,具有很好的耐久性和广泛的适用性;

(7)本发明的测试精度高,其应变测试精度可达1με,甚至更小;

(8)本发明可对断面的顶面、两腰及两边底部等多个位置的锚杆同时进行监测,也可按照具体的监测需求,在多个位置植入智能锚杆,实现一个区域的整体监测。

(9)本发明的监测方法,既适用于隧道的施工监测,也适用于隧道的运营期监测。监测的手段可进行不间断实时监测,也可采用有一定时间间隔的持续性监测。

附图说明

图1为本发明的多功能智能锚杆构造示意图;

图2为图1的纵向剖视图;

图3为图1的横向剖视图;

图4为本发明无熔接长标距多光栅传感器构造示意图;

图5为本发明光纤光栅多点温度补偿辅助传感器构造示意图;

图6和7为本发明的多功能智能锚杆安装布设示意图;

图8为本发明的隧道围岩监测系统示意图;

图9为基于长标距应变分布的位移量计算示意图;

图10为隧道围岩位移量随时间变化的时程曲线示意图;

图11为围岩收敛速率示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-5所示,一种基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆,包括无熔接长标距多光栅传感器1、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2、环氧树脂或植筋胶3、铠装光缆4和软塑料套管5;

所述无熔接长标距多光栅传感器1和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2安装在锚杆6沿纵向所开的小槽内,并通过环氧树脂或植筋胶3封装;

所述无熔接长标距多光栅传感器1包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元,所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅,光纤的两端分别固定在套管的锚固段;

所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅,光纤的一端固定在套管的锚固段,另一端自由,套管两端封闭;

所述无熔接长标距多光栅传感器1和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2分别与铠装光缆4连接,从锚杆6内引出,所述铠装光缆4穿于软塑料套管5之中。

上述一种多功能智能锚杆的制作方法,包括以下几个步骤:

(1)制作无熔接长标距多光栅传感器

(a1)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅;

(a2)选用一个细的光滑套管,内口径比光纤略粗,根据工程测试要求设计出每个光栅的锚固点位置,并在套管上根据锚固位置切出多个缺口,穿入带有多个光栅的单模光纤,调整光栅与套管缺口的位置;

(a3)将光纤两端通过牵引装置施加一定的预应力,同时在套管缺口处注入固结胶水形成锚固,固结后将牵引装置放开,从而封装出含多个连续的长标距光纤光栅传感单元且没有熔接点的长标距多光栅传感器;

(a4)对于每个长标距光纤光栅传感单元来说,套管内的光纤的两端分别通过固结胶与套管相固定,其余部分的光纤则与套管内壁无接触或虽有轻微接触,但摩擦力极小可忽略;

(a5)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂,进行无熔接长标距多光栅传感器本身的一体化封装加固;

(2)制作多点温度补偿辅助传感器

(b1)在一根单模光纤上根据实际工程需求设计并刻写多个一定间距且不同波长的光栅;这些光栅的位置设计可以与无熔接长标距多光栅传感器中的多个光栅一一对应,或者按照沿锚杆长度进行温度插值的思想进行温补光栅位置设计;这些光栅的波长不仅在温度补偿传感器内不能有相同,且与无熔接长标距多光栅传感器之中的光栅波长亦不能有相同的波长;

(b2)选用一个细的光滑套管,内口径比光纤略粗,在套管的一层用胶封闭,将刻好的多光栅两端尾纤的某一端剪短,然后插入套管内,使其中的光栅的位置处于设计好的某个位置附近,且剪短尾纤侧的尾纤缩在套管内部且距离套管尾部有一定距离,此距离以此尾纤不会碰到套管尾部封装的胶水为原则,然后在套管两端处注入少许固结胶水,使之封闭形成一个含多个光栅的温补传感器。

(b3)对于封装于套管内的带多个光栅的光纤尾纤,其一端缩在套管内完全自由,另一端与套管固结并作为引出线引出,光纤在套管内能完全自由滑动;

(b4)在套管外面进一步包裹复合材料并浸润环氧树脂,进行温度补偿辅助传感器本身的一体化封装加固;

(3)制作多功能智能锚杆

(c1)选用实体锚杆,并沿纵向开一个小槽;准备两根长度适中的铠装光缆,并穿于一根直径与硬度适中的软塑料套管之中,铠装光缆比软塑料套管略长,两头露出;

(c2)将制作好的无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器固定于锚杆所开的小槽内,并分别用铠装光缆连接,从锚杆内引出;无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆进行熔焊的熔焊接头位于锚杆小槽内,且铠装光缆在小槽内保留具有能起到锚固作用的长度,这样封装后外部光缆的受力不会导致内部传感器受力;

(c3)在锚杆小槽内注入环氧树脂或植筋胶至填平,将无熔接长标距多光栅传感器和多点温度补偿辅助传感器与锚杆封装为一体,形成最终的多功能智能锚杆。

如图6和7所示,本发明的基于长标距光纤光栅智能锚杆的安装布设方法,包括以下几个步骤:

(d1)针对具体隧道工程的具体情况,选定监测的具体断面位置;一般来说,可选择比较关键和危险的断面进行监测,在每个断面,可选择顶部(约90度方向)、两腰(约45度和135度方向)及两底(约0度和180度方向)这5个部位进行布设监测;

(d2)在所需布置锚杆的岩体或其他介质上沿深度方向钻孔,孔径比锚杆略大;同时,在距离监测断面不远的地方,安装并固定好光缆接线盒;

(d3)将封装成一体的智能锚杆的无引出光缆的一端插入钻好的锚孔内并至一定的深度,将引出光缆圆润自然地顺着围岩或钢筋网或钢骨架等引出至预先固定好的线盒之中,途中作必要的固定和保护,完成智能锚杆的就位;

(d4)向装入锚杆的孔道内注入速凝水泥砂浆,其中注浆质量控制和盖板等的设置可参考普通锚杆的安装手册;待水泥砂浆凝固即完成智能锚杆的布设安装;

(d5)两根连接无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器并从智能锚杆内引出的引出光缆在穿入接线盒后,用光纤耦合器将两者耦合,耦合连接部位置于接线盒内,耦合后的输出光缆则从接线盒中引出,顺着隧道结构内壁,一直引至安置好的光纤光栅解调仪,并在途中作必要的固定和保护;

(d6)智能锚杆与其他锚杆和刚骨架等都安装就位之后,随即喷射混凝土进行喷锚,完成该断面位置的衬砌施工。

所述基于长标距光纤光栅的多功能智能锚杆也可在岩体或其他介质上沿深度方向钻孔后,向孔道内装入速凝锚固药卷,然后插入锚杆,捅破速凝锚固药卷而实现固结安装。对于像泥层的较软粘性介质体,可以钻一个直径比锚杆略小的孔道,将锚杆直接插入,并在端部用锤击等方法顶入。

如图8所示,基于一种多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法,包括以下步骤:

(1)根据隧道所处位置的地质状况、结构设计和易损性分析等资料,选定需要监测的断面进行监测;在每个断面,可选择顶部(约90度方向)、两腰(约45度和135度方向)及两底(约0度和180度方向)这5个典型部位进行监测。

(2)布设于隧道不同位置的锚杆6,通过引出的铠装光缆4,汇集到光纤光栅解调仪7,形成监测传感网络。一般来说,同一根锚杆6内的光栅(包括无熔接长标距多光栅传感器和温度补偿辅助传感器所含的光栅)将输送到同一个通道,光纤光栅解调仪7的每个通道一般可根据其连接光栅数量的能力,用耦合器同时连接多根锚杆,但每个通道内不能有波长相同或非常接近的光栅。光纤光栅解调仪7每个通道连接锚杆和光栅的数量主要由光纤光栅解调仪7的波长范围、光栅之间所需要的波长间距、连接产生的光损等几个方面进行考虑确定。

(3)连接各锚杆6的光纤光栅解调仪7与控制电脑8相连,并通过监测系统软件,构建围岩监测系统。各锚杆6用于围岩状态的传感感知,光纤光栅解调仪7用于数据采集,监测软件系统则实现对数据的分析、围岩状态的评估和预警功能。

(4)各锚杆6中的长标距多光栅传感器在各自标距内的长标距波长读数应该由对应的多点温度补偿传感器进行相应位置的精确温度补偿,然后转化为标距内的平均应变值,获取沿锚杆纵向方位的应变分布;

(5)围岩监测先根据锚杆的不同深度位置的应变分布,可根据锚杆的应力应变关系,求出沿锚杆的应力分布,继而获得不同深度的围岩压力特征;同时,基于锚杆的应变分布可求出在每个标距内的变形量,得到沿锚杆纵向不同深度区段内的变形量的分布情况,并进一步求出围岩开挖面的总变形量,在此基础上,通过变形量在时间轴上的变化,求出围岩的收敛速率,判断围岩变形稳定情况。锚杆的损伤则可根据锚杆的分布应力/应变最大值是否达到屈服点来进行判断。这样即可获得围岩在不同深度的围岩受力特征、围岩变形和收敛情况、锚杆的损伤情况。

(6)本围岩监测方法采用持续不间断地实时监测,或采用有一定时间间隔的持续性监测,可以获得围岩压力、变形的实时连续变化特征以及收敛速率,本方法可作为隧道在施工期和运营期定期检测的方法。

如采用有一定时间间隔的持续性监测,则按照下面方法进行:

施工期监测:

监测内容:隧道围岩压力、围岩变形、围岩变形收敛速率

监测时间:爆破后24小时内开始进行,按监控量测断面距开挖面距离;

(0~1)B:1~2次/天;(1~2)B:1次/天;(2~5)B:2次/天;>5B:

1次/周;(注:B为隧道开挖宽度)

运营期监测:

监测内容:隧道围岩压力、围岩变形

监测时间:1次/周或按要求监测频率。

本发明的基于智能锚杆的围岩断面收敛监测的工作原理如下:

对于隧道开挖对周围岩层的影响可知,比较明显的岩层变形和位移的产生主要是在开挖断面周边附近的岩层,随着距离的增加,其变形影响迅速减小,因此在稍远处的地方,围岩由于开挖而产生的变形相对于近处围岩相比不仅绝对位移量且其收敛速度变化率都非常小,因此在总体的位移中占得比较非常小。因此在非软弱岩层的隧道开挖,我们可近似认为离开挖面稍远的岩层为稳定岩层。本发明通过将锚杆延伸布置至稍远的岩层,锚固后与岩层融为一体,因此其远端可近似认为固定于稳定的岩层上,亦即近似为固定端,通过锚杆内长标距多光栅传感器的测量,获取沿锚杆纵向方向全长的应变分布,得到锚杆在不同深度的受力情况,同时获得相对于固定端智能锚杆的总的变形量,从而得到开挖面围岩的变形和收敛量及其速率。

围岩变形量的计算可如下进行:先求出经过温度补偿后的每个长标距传感单元标距内的应变值,然后乘以其标距长度得到该长标距传感单元的变形量,然后累计整个锚杆上的变形量。如图9所示,通过测出标距L1、L2和L3之间的平均应变ε1、ε2和ε3,则可根据公式Δ=ε1·L1+ε2·L2+ε3·L3求出锚杆两端的总位移量Δ。

围岩自爆破开挖之后,将会逐渐向开挖断面产生变形,因此所测到的变形量会逐渐增大,但随着围岩逐渐稳定,位移量Δ逐渐趋向于一个定值,图10是隧道围岩位移量随时间变化的时程曲线示意图。

同时,围岩的变形收敛速率也就是变形量的变化速率,是反映围岩支护的一个重要指标。当围岩爆破开挖后,由于内部应力突然失衡而产生变形,其变形速率在刚爆破开挖时最快,后来随着内力重分布,围岩趋于稳定,变形速率逐渐减小并最终趋向于0,其过程可如图11所示。位移变化速率的计算可根据以下公式计算:

变形Δ的变化速率=(Δ(ti)-Δ(ti-1))/(ti-ti-1)

其中:Δ(ti)为ti时的变形量,Δ(ti-1)为ti-1时的变形量。

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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

再多了解一些
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