一种用于断层监测的牛顿力监测预警方法

1.本发明属于地震监测预警技术领域，具体涉及一种用于断层监测的牛顿力监测预警方法。


背景技术：

2.2008年，何满潮院士通过室内物理模拟实验，在国际上率先发现了“牛顿力突降，灾变发生”的科学现象，后续又多次在现场滑坡灾害监测中得到验证。而无论是滑坡还是地震，这两类地质灾害的本质是相同的，都是地质岩体先发生hooke变形，再沿着结构面两侧岩体发生相对运动的过程。换言之，这两类地质灾害是岩体从hooke变形体到newton运动体的灾变转换过程，其核心问题是结构面上的牛顿力变化
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3.地震是现今最常见的自然灾害之一，还易引发滑坡、泥石流等次生灾害，其破坏性巨大，严重危害人类的生命和财产安全。地震预警是当前最有效的地震预防手段，但现有的地震预警多是以地震仪和强震仪为基础，地表与深部位移、地下水位等为监测参量，但在遭遇强震时就难以准确预测地震的发生。
4.因此，亟须对现有发震断层监测方法进行改进设计，以提高地震监测预警的准确性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于断层监测的牛顿力监测预警方法，以至少解决目前监测预警方法预测结果不准确等问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种用于断层监测的牛顿力监测预警方法，所述监测预警方法包括以下步骤：
8.步骤1，在隧道侧壁开挖耳洞，从耳洞向断层进行钻孔，钻孔穿过断层；
9.步骤2，在钻孔中安装锚索；
10.步骤3，在钻孔中注浆，直至孔洞注浆密实；
11.步骤4，在锚索伸出钻孔的端部依次安装传感器、恒阻体和锁具，对锚索进行张拉并锁紧锁具；
12.步骤5，实时监测锚索的力变化情况，若锚索受力平稳变化，说明相对平稳，若锚索受力出现突降时，则说明灾变发生。
13.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，在步骤1中，在隧洞的侧壁上开挖两个耳洞，两个耳洞分别位于断层的两侧，从一个耳洞向另外一个耳洞打设钻孔，钻孔穿越断层并连通两个耳洞。
14.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，所述钻孔平行于隧道的轴线。
15.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，在隧道的外周可设置多个钻孔，所述钻孔均穿越断层；在每个钻孔中均布设锚索支护，并对锚索进行监测。
16.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，沿锚索轴线方向上设置有多个架线环，所述架线环包括一个圆环，在圆环的外周均布有多根钢筋，每根钢筋均垂直于圆环的切线；
17.所述锚索包括多根钢绞线，在相邻两钢筋之间设置有一根钢绞线。
18.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，沿锚索轴线方向上设置有多个箍线环，箍线环的截面为圆形，箍线环套设在锚索多根钢绞线的外围；
19.箍线环与架线环沿锚索轴线方向交替设置。
20.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，在步骤3中，待钻孔中注浆初凝后，在锚索伸出钻孔的两个端部均施做锚墩，并在锚索的端部套设隔离管，隔离管用于将锚索与锚墩的混凝土隔离。
21.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，在步骤4中，在锚索两端同步按顺序安装传感器、恒阻体和锁具，并按照荷载需求张拉并将锁具锁紧。
22.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，在锚索的两端均设置监测装置，同时监测锚索两端所受力的变化情况。
23.如上所述的用于断层监测的牛顿力监测预警方法，优选的，所述监测装置包括轴力计，所述轴力计用于测量锚索的轴力变化情况。
24.有益效果：
25.(1)通过使npr锚索穿过断层，并在锚索两端安装传感器，能够实现在深部断裂面(带)上对牛顿力的监测。
26.(2)npr锚索两端取消传统锚固段，同步用锁具锚固，同步监测，能够有效减少锚固失效的几率，保证监测的准确性。同时在隧道周向布置多个锚索，由于锚索两端均用锁具锚固，大大提高了锚索对断层的缝合作用，保证了隧道的安全性。
27.(3)在有效面积内安装npr锚索，以点代面，能够在确保监测效果的前提下最大程度地降低监测成本。
28.(4)对活动断裂进行跨断层牛顿力监测，实现对灾变发生的准确高效监测。
附图说明
29.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
30.图1为本发明实施例中钻孔、耳洞与断层关系示意图，
31.图2为本发明实施例中锚索安装示意图，
32.图3为本发明实施例中架线环示意图，
33.图4为本发明实施例中，
34.图5为本发明实施例中，
35.图6为本发明实施例中，
36.图中：1、钻孔；2、耳洞；3、钢绞线；4、架线环；5、箍线环；6、锚墩；61、锚索孔；7、恒阻体；10、断层；20、岩体。
具体实施方式
37.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
39.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.根据本发明的具体实施例，如图1-6所示，本发明提供一种用于断层监测的牛顿力监测预警方法，监测预警方法包括以下步骤：
41.步骤1，在隧道侧壁开挖耳洞，从耳洞向断层进行钻孔，钻孔穿过断层；
42.步骤2，在钻孔中安装锚索；
43.步骤3，在钻孔中注浆，直至孔洞注浆密实；
44.步骤4，在锚索伸出钻孔的端部依次安装传感器、恒阻体和锁具，对锚索进行张拉并锁紧锁具；
45.步骤5，实时监测锚索的力变化情况，若锚索受力平稳变化，说明相对平稳，若锚索受力出现突降时，则说明灾变发生。
46.该预警监测方法所依据的自然规律：在稳定的岩体20之间存在着断层10；地质岩体发生破坏之前，遵循固体力学胡克变形定律；地质岩体发生破坏开始运动后，遵循运动力学牛顿运动定律。由于从地质体变形到运动阶段属于岩石力学非线性大变形问题，缺乏相应的力学理论解释依据，导致无法实现地质灾害的准确预警。
47.探索深部地质灾害监测预警方法，其核心在于揭示灾变发生的充分必要条件。无论是滑坡、矿震还是地震灾害，双体相对运动的本质是作用在断裂面(带)上的牛顿力大小及方向(合力)：如果牛顿力fs＞0，且方向沿着断裂面向下，则灾变发生；如果牛顿力fs≤0，则相对稳定。这个规律符合牛顿第二定律，即一个质量为m的物体如果想改变运动状态获得加速度，必须有力的产生，这个力就是合力(也称之为牛顿力)，是其运动状态改变的充分必要条件。也即，牛顿力变化就可以作为判断灾变发生的充分必要条件。
48.本技术中监测预警方法就是利用上述自然规律来预警灾变的发生。具体的，由于作用在深部断裂面(带)上的牛顿力受多种因素的影响，无法直接测量，因此如何获取牛顿力大小就成为一个关键问题和难题。
49.本技术的预警方法利用人为力学系统的可监测性，将一种特殊的人为力学系统(在本技术中为锚索及与其连接的监测装置)插入到不可测的天然力学系统(即穿越断层的钻孔)中，构成复杂力学系统，通过对可监测的人为力学系统(锚索)的直接测量，从而间接计算出了断层中不可测的牛顿力变化情况，实现了对牛顿力的量测；从而实现了对地震灾变发生的准确监测预警。
50.在本实施例中，由于锚索预先施加有预紧力，因此最先监测到的锚索受力并不为零，该监测预警方法通过实时监测锚索受力变化的情况，若锚索轴力变化平稳，说明地质岩层在有规律的自然平稳运动；若锚索所受轴力发生突降，则说明地质岩层发生不规律的剧烈运动，也即是灾变发生。锚索采用npr锚索，npr锚索强度较高，不仅能起到监测的作用，还对断层起到缝合的作用，保证隧道的安全性。
51.在步骤1中，在隧洞的侧壁上开挖两个耳洞2，两个耳洞2分别位于断层10的两侧，从一个耳洞2向另外一个耳洞2打设钻孔1，钻孔1穿越断层10并连通两个耳洞2。
52.两个耳洞2分别位于断层10的两侧，在从一个耳洞2钻孔1至另外一个耳洞2时，钻孔1必穿过断层10，从而保证了钻孔1打设的精确性。
53.钻孔1平行于隧道的轴线。从而能够更加精确的测量在与隧道轴线平行的方向上，断层10活动造成的锚索受力的变化情况，在灾变发生后对隧道结构的加固也能提供一定的支护数据基础。在本实施例中，两个耳洞2相互平行，从而便于后续钻孔1平行与隧道轴线方向。
54.在隧道的外周可设置多个钻孔1，钻孔1均穿越断层10；在每个钻孔1中均布设锚索支护，并对锚索进行监测。
55.在隧道外周设置多个穿越断层10的锚索，不仅能够从隧道周向不同角度对断层10进行监测预警，而且多个锚索也在隧道周向对断层10进行了缝合，保证在灾变发生时，多个锚索能够对隧道起到较好的支护作用，保证隧道不会发生较大的变形。
56.沿锚索轴线方向上设置有多个架线环4，架线环4包括一个圆环，在圆环的外周均布有多根钢筋，每根钢筋均垂直于圆环的切线；锚索包括多根钢绞线3，在相邻两钢筋之间设置有一根钢绞线3。架线环4是为了控制钢绞线3之间的距离，而且设置架线环4能够增加锚索与注浆的接触面积，使得锚索更加牢固的埋在注浆浆液中。
57.沿锚索轴线方向上设置有多个箍线环5，箍线环5的截面为圆形，箍线环5套设在锚索多根钢绞线3的外围；箍线环5与架线环4沿锚索轴线方向交替设置。
58.箍线环5是为了不让锚索发生束散；在本实施例中，锚索用6根φ15.24mm钢绞线3组成，钢绞线3涂抹黄油并外套波纹管防腐，其间有架线环4与紧箍环，每隔1米间隔设置；箍线环5采用直径75mm钢管制作，架线环4采用直径60mm的钢管与6根长25mm的钢筋制作而成。
59.在步骤3中，待钻孔1中注浆初凝后，在锚索伸出钻孔1的两个端部均施做锚墩6，并在锚索的端部套设隔离管，隔离管用于将锚索与锚墩6的混凝土隔离。在本实施例中，隔离管采用pvc管，pvc管对锚索起到一定的保护作用。锚墩6内设置钢筋；锚墩6内还设置有锚索孔61，锚索穿过锚墩6内的锚索孔61伸出锚墩6。
60.在步骤4中，在锚索两端同步按顺序安装传感器、恒阻体7、和锁具，并按照荷载需求张拉并将锁具锁紧。该监测预警方法完全取消掉传统锚索安装时的锚固段，而且在锚索的两端均设置锚墩6，并同步用锁具锚固，能够有效减少锚索锚固失效的几率。
61.在锚索的两端均设置监测装置，同时监测锚索两端所受力的变化情况。时对锚索的两端进行监测，能够大大的提高监测的准确性。而且在有效面积内安装锚索，以点代面，能够在确保监测效果的前提下最大程度地降低监测成本。
62.监测装置包括轴力计，轴力计用于测量锚索的轴力变化情况。在本实施例中，通过设置轴力计，实时监测锚索所受轴力变化，实现对断层10牛顿力的间接监测；同时还可构建
多源监测系统平台，实现自动化实时监测。
63.综上所述，本发明提供的用于断层监测的牛顿力监测预警方法的技术方案中，通过对可监测的人为力学系统(锚索)的直接测量，从而间接计算出了断层中不可测的牛顿力变化情况，实现了对牛顿力的量测；从而实现了对地震灾变发生的准确监测预警。同时在隧道周向布置多个锚索，由于锚索两端均用锁具锚固，大大提高了锚索对断层的缝合作用，保证了隧道的安全性。
64.可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本技术实施例对此并不进行限定。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。