隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法与流程

本发明涉及围岩扰动应力场测试领域，尤其涉及一种隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法。

背景技术：

岩体地应力也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，在工程界又称原地应力，是在天然状态下，存在于地层岩体内部中未受工程扰动的天然应力。岩体地应力是三维应力状态，一般为压应力。

在地下工程施工过程中，工程开挖会导致岩体中的原应力场产生变化，即发生应力扰动。而隧道尤其是软岩隧道开挖过程中必然会产生一定的应力扰动区，其分布特征及其演化规律是隧道支护参数优化及其长期安全性评价的重要依据。因工程开挖而导致岩体中应力的变化，即产生的扰动应力，是岩石工程稳定性评价和预测的重要内容。

在传统的围岩扰动应力场测试方法中，为获得隧道开挖过程中应力场的变化规律，所采用的测试方法是：从隧道掌子面向前方岩体内打孔，在钻孔内提前布置应力或应变传感器，以获得隧道开挖过程中围岩应力场的变化情况。

这种方法存在以下缺点：

1、以往的测试方法，采用向掌子面前方岩体打设钻孔的方式，往往不能得到隧道开挖过程中，围岩扰动应力随洞壁距离的变化规律。

2、在测量隧道围岩的三维应力状态的变化量时，传统的测量方法是将测得的应变结合围岩的弹性模量和泊松比来确定围岩的应力变化情况。这存在以下问题：a、实际测量的是应变片载体的应变值，虽然应变片载体赋存在围岩中，但是应变片载体的应变值与围岩真实的应变值之间有差别，即：所测量的应变值并不是围岩真实的应变值，用这一应变值结合围岩自身的弹性模量和泊松比无法获得真实的围岩应力的变化情况；b、围岩的弹性模量和泊松比的精确确定比较困难，进一步导致最终的测量结果不准确。

此外，另一类的三维应力测试元件则侧重于如何直接测量围岩应力，这类测试元件的结构复杂，具有成本较高、施工不便、容易损坏、而且测量结果不够准确等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种布设测点更科学，可以准确测量待测掌子面前方地质状况，而且能够准确测量围岩三维应力变化量的隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，包括以下步骤：

步骤1：施工与待监测隧道相临近的前设开挖体，所述前设开挖体存在至少一处监测空间，所述监测空间位于所述待监测隧道掌子面的前方；

步骤2：在所述前设开挖体内，向所述待监测隧道的掌子面前方打设至少一条监测钻孔；所述监测钻孔与所述掌子面大致平行；

步骤3：向所述监测钻孔内的测点处，布设应变块，所述应变块上设有若干用以测量该测点处三维应变状态的应变传感器；

步骤4：向所述钻孔内灌浆，使所述应变块与围岩紧密贴合；

步骤5：隧道开挖过程中，围岩产生扰动变形，所述应变传感器将监测的位移数据信号传输至监测仪，所述监测仪根据所述应变块的弹性模量和泊松比，将所述位移数据换算为应力数据，进而得到该测点处的三维应力状态。

步骤1中，所述监测空间与所述待监测隧道处于同一水平面上；

所述前设开挖体为超前导洞、或双向双隧道中超前开挖的另一条隧道。

所述前设开挖体的轴线与所述待监测隧道轴线间的间距大于所述待监测隧道的5倍洞径，小于50m。

步骤2中，所述大致平行为所述监测钻孔与所述掌子面的夹角不大于30゜。当钻孔的方向与掌子面的方向大致平行时，可以通过钻孔内的测点更好的获得围岩应力随隧道开挖的变化规律。

步骤2中，所述监测钻孔至少为两条，一条在拱顶，一条在拱腰，在两条以上的钻孔内距离洞壁不同距离设若干测点，通过对距离洞壁不同距离处围岩应力场的监测，得到扰动应力区的范围,进而得到围岩扰动应力随洞壁距离的变化规律。

至少有一条所述监测钻孔延伸至所述待监测隧道开挖轮廓的上方，即为在拱顶的监测钻孔。在开挖轮廓的上方布设测点，可以为计算隧道围岩的塌落拱高度提供计算依据。

至少有一条所述监测钻孔呈水平布置，且高度位于所述待监测隧道的拱腰处，即为在拱腰的监测钻孔，这可以方便的获得隧道侧壁处应力释放的变化情况，为优化支护结构的设计参数提供依据。

步骤3中，每个所述监测钻孔内布设多个测点，相邻所述测点的间距为0.5-2.0m。在每个钻孔内布设多个测点，提高钻孔监测的利用率。测点布置的过密，会产生不必要的浪费；测点布置的过疏，不能充分反映围岩应力的变化情况。按照这种方式布置测点，能达到技术效果与经济的最优。

步骤3中，所述应变块包括相互垂直相交的三个平面，在三个所述平面上，设有至少六个应变传感器，所述应变传感器包括至少三个棱边传感器和至少三个平面传感器；

三个所述棱边传感器沿三个所述平面之间的三个交线的方向布置；

三个所述平面传感器分别布置在不同的三个所述平面上，且均不与任一所述棱边传感器平行。利用一个应变块，即可得到该点的6个应力分量，进而获得主应力分布的大小和方向。

所述应变传感器为光纤光栅传感器。光纤光栅传感器具有如下优点：(1)抗电磁干扰:一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。(2)电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。(3)耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料——石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。(4)体积小、重量轻，几何形状可塑。(5)传输损耗小：可实现远距离遥控监测。(6)传输容量大：可实现多点分布式测量。

所述应变块的弹性模量，为1-40gpa，应变块的选材只要满足弹性模量与围岩的弹性模量相差不大，就可以准确的测量围岩应力值。

所述应变块可采用混凝土制成，其中，水泥、石英砂和水的质量比为1:1.5:1。混凝土的弹性模量与围岩的弹性模量相近，且成本低廉，制造简单方便。

所述应变块可为正方体。应变块采用规则的正方体形状，更加符合应力单元体的形状，所测得的结果与真实结果更加接近。

所述平面传感器与相邻的所述棱边传感器的交角为45゜，更有利于对监测数据的分析处理，测量结果更加准确。

在每个所述平面上，均设有两个相互垂直的所述棱边传感器。应变块测量的9个应变值，可以通过这9个分量的分析，剔除不合理数据，最大限度的消除测量误差。

所述监测仪包括显示屏。

步骤5中，所述应变块的弹性模量和泊松比在使用前进行标定，比如在实验室或工厂中进行标定，可以更准确的获得应变块的相关力学参数。

本发明的有益效果是：

利用动态测试方法来布设测点，可以在钻孔数量很少的情况下，就能布设多个位于掌子面前方不同方位处的测点，施工成本低，而且测点的布置也更具代表性。通过获取与掌子面大致平行的前方断面处的围岩应力场的变化情况，可以明确围岩应力场随隧道开挖的变化规律：随着开挖过程中掌子面的不断逼近，可以获得所测量的断面处的围岩扰动应力随洞壁距离的变化规律，进而获得整个开挖过程中应力的变化分布情况，为支撑设计、工程开挖设计和决策科学化提供科学依据，对确定工程最优支护参数、实现结构的安全施工与运营具有重要意义。

应变块的表面与围岩紧密贴合，当围岩发生变形时，会挤压应变块也发生变形，而导致应变块发生变形的力的大小，就等于围岩对应变块施加的力的大小，亦即该点处的围岩应力。利用设置于应变块上的应变传感器，得到应变块的应变值，根据应变块本身的弹性模量和泊松比，得到应变块的应力值，根据作用力与反作用力的原理可知，该应力值即为围岩的应力值。这种巧妙的思路另辟蹊径，通过间接的测量应变块的应力值，来测量围岩的应力值，结构简单，成本低廉，施工方便，不易损坏，测试结果更加准确。

附图说明

图1是监测原理示意图；

图2是动态测试方法示意图；

图3是应变块示意图。

其中，1、右洞已开挖区域，2、左洞已开挖区域，3、左洞未开挖区域，4、应变块，5、掌子面，6、棱边传感器，7、平面传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，包括以下步骤：

步骤1：施工与待监测隧道相临近的前设开挖体，前设开挖体存在至少一处监测空间，监测空间位于待监测隧道掌子面的前方；

步骤2：在前设开挖体内，向待监测隧道的掌子面前方打设至少一条监测钻孔；监测钻孔与掌子面大致平行；

步骤3：向监测钻孔内的测点处，布设应变块，应变块上设有若干用以测量该测点处三维应变状态的应变传感器；

步骤4：向钻孔内灌浆，使应变块与围岩紧密贴合；

步骤5：隧道开挖过程中，围岩产生扰动变形，应变传感器将监测的位移数据信号传输至监测仪，监测仪根据应变块的弹性模量和泊松比，将位移数据换算为应力数据，进而得到该测点处的三维应力状态。

通过获取与掌子面大致平行的前方断面处的围岩应力场的变化情况，可以明确围岩应力场随隧道开挖的变化规律：随着开挖过程中掌子面的不断逼近，可以获得所测量的断面处的围岩扰动应力随洞壁距离的变换规律，进而获得整个开挖过程中应力的变化分布情况，为支撑设计、工程开挖设计和决策科学化提供科学依据，对确定工程最优支护参数、实现结构的安全施工与运营具有重要意义。

应变块的表面与围岩紧密贴合，当围岩发生变形时，会挤压应变块也发生变形，而导致应变块发生变形的力的大小，就等于围岩对应变块施加的力的大小，亦即该点处的围岩应力。利用设置于应变块上的应变传感器，得到应变块的应变值，根据应变块本身的弹性模量和泊松比，得到应变块的应力值，根据作用力与反作用力的原理可知，该应力值即为围岩的应力值。这种巧妙的思路另辟蹊径，通过间接的测量应变块的应力值，来测量围岩的应力值，结构简单，成本低廉，施工方便，不易损坏，测试结果更加准确。

此处的前设开挖体可以为从待监测隧道体中为了探测前方地质情况特意向围岩中开挖的监测隧道，也可以是导洞，或是双向双隧道中超前开挖的另一条隧道。

前设开挖体与待监测隧道处于同一水平面上，施工更加方便。如果遇到地质条件复杂的情况，也可以根据所在的地质情况适当调整监测隧道的具体位置，比如布设在待检测隧道的偏上方或偏下方。

为了保证前设开挖体的开挖和存在不会对待监测隧道前方的围岩造成明显扰动，以影响对围岩应力变化规律的正确判断，步骤1中，监测隧道的轴线与待监测隧道轴线间的间距需要大于待监测隧道的5倍洞泾，或大于30m。一般情况下，考虑到施工成本的因素，这两条轴线间的间距需要小于50m。

步骤2中，打设的监测钻孔与掌子面平行，可以更好的获得与掌子面平行断面的应力变化情况，为隧道支护参数的优化提供依据。

由于每条施工处的隧道地质条件具有差异性和独特性，因此可以根据实际情况，使打设的钻孔与掌子面之间具有一定的夹角，一般情况下，这一夹角不超过30゜。

步骤2中，监测钻孔至少为两条，一条在拱顶，一条在拱腰，在两条以上的钻孔内距离洞壁不同距离设若干测点，通过对距离洞壁不同距离处围岩应力场的监测，得到扰动应力区的范围。

在拱顶处的监测钻孔的具体位置是延伸至待监测隧道开挖轮廓的上方。在开挖轮廓的上方布设测点，可以为计算隧道围岩的塌落拱高度提供计算依据。

在拱腰处的监测钻孔呈水平布置，且高度位于待监测隧道的拱腰处，可以方便的获得隧道侧壁处应力释放的变化情况，为优化支护结构的设计参数提供依据。

对于不同的施工现场，本领域技术人员可以根据现有技术，针对实际情况和应力分布规律在相应位置打设多个监测钻孔。

步骤3中，每个监测钻孔内布设多个测点，相邻测点的间距为0.5-2.0m。在每个钻孔内布设多个测点，可以更好的获得围岩应力随隧道开挖的应力变化规律，提高钻孔监测的利用率。测点布置的过密，会产生不必要的浪费；测点布置的过疏，不能充分反映围岩应力的变化情况。按照这种方式布置测点，能达到技术效果与经济的最优。

利用动态测试方法来布设测点，可以在钻孔数量很少的情况下，就能布设多个位于掌子面前方不同方位处的测点，施工成本低，而且测点的布置也更具代表性。

步骤3中，所采用的应变块、应变传感器和监测仪共同构成一种隧道施工过程中围岩扰动应力的采集装置。此处的扰动应力，是指因施工等各方面因素所造成的围岩应力值的变化量。

围岩扰动应力的采集装置包括监测仪和围岩应力测试元件，围岩应力测试元件包括用于布设在测点且与围岩紧密贴合的应变块，应变块上设有若干用以测量测点处应变状态的应变传感器；应变传感器将监测的位移数据信号传输至监测仪，监测仪根据应变块的弹性模量和泊松比，将位移数据换算为应力数据，进而得到该测点处的应力状态。

应变块的表面与围岩紧密贴合，当围岩发生变形时，会挤压应变块也发生变形，而导致应变块发生变形的力的大小，就等于围岩对应变块施加的力的大小，亦即该点处的围岩应力。利用设置于应变块上的应变传感器，得到应变块的应变值，根据应变块本身的弹性模量和泊松比，得到应变块的应力值，根据作用力与反作用力的原理可知，该应力值即为围岩的应力值。这种巧妙的思路另辟蹊径，通过间接的测量应变块的应力值，来测量围岩的应力值，结构简单，成本低廉，施工方便，不易损坏，测试结果更加准确。

其中，围岩应力测试元件为三维应力测试元件，并最终得到该测点处的三维应力状态。

此外，对于应变传感器采用其他布置形式的应变块，比如应变块上的应变传感器只测量一个方向(即一维)或两个方向(即二维)的情况，虽然不能测量围岩的三维扰动应力状态，但是也能在一定程度上测量围岩的扰动应力情况，这种结构也在本申请的保护范围之内。

在将位移数据换算为应力数据后，本领域技术人员根据现有技术，通过坐标变换即可得到该测点处的三维应力状态。

应变块包括相互垂直相交的三个平面，在三个平面上，设有至少六个应变传感器，应变传感器包括至少三个棱边传感器和至少三个平面传感器；

三个棱边传感器沿三个平面之间的三个交线的方向布置；

三个平面传感器分别布置在不同的三个平面上，且均不与任一棱边传感器平行。利用一个应变块，即可得到该点的6个应力分量，进而获得主应力分布的大小和方向。

应变传感器为光纤光栅传感器。光纤光栅传感器具有如下优点：(1)抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。(2)电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。(3)耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。(4)体积小、重量轻，几何形状可塑。(5)传输损耗小：可实现远距离遥控监测。(6)传输容量大：可实现多点分布式测量。

应变块，可根据现场的岩性确定，对于软岩一般为1-10gpa，对于硬岩一般为20-40gpa，应变块的选材只要满足弹性模量与围岩的弹性模量相差不大，就可以准确的测量围岩应力值。

应变块采用混凝土制成，水泥、石英砂和水的质量比为1:1.5:1。混凝土的弹性模量与围岩的弹性模量相近，且成本低廉，制造简单方便。

优选的，应变块可为长方体；进一步优选的，应变块可为正方体。应变块采用规则的正方体形状，更加符合应力单元体的形状，所测得的结果与真实结果更加接近。

平面传感器与相邻的棱边传感器的交角为45゜，更有利于对监测数据的分析处理，测量结果更加准确。

在每个平面上，均设有两个相互垂直的棱边传感器。应变块测量的9个应变值，可以通过这9个分量的分析，剔除不合理数据，最大限度的消除测量误差。

监测仪包括显示屏，可以更加方便的显示不同测点处的扰动应力状态。

步骤5中，应变块的弹性模量和泊松比在使用前进行标定，比如在实验室或工厂中进行标定，可以更准确的获得应变块的相关力学参数。

应变块包括相互相交的三个平面，在三个所述平面上，设有至少六个应变传感器，所述应变传感器包括至少三个棱边传感器和至少三个平面传感器；

三个所述棱边传感器沿三个所述平面之间的三个交线的方向置布；

三个所述平面传感器分别布置在不同的三个所述平面上，且均不与任一所述棱边传感器平行。

三个棱边传感器即使不是正交，通过简单的坐标变换，也可以得到在相互正交的坐标系中的应力分量，进而得到该点处的三维应力状态。

所述应变传感器布设在所述应变块的表面和/或内部。

所述应变传感器包括至少三个棱边传感器和至少三个平面传感器，三个所述棱边传感器彼此互不平行，其中任意两个所述棱边传感器所在的平面构成测量平面，在每个与所述测量平面平行或重合的平面内，设有至少一个所述平面传感器，所述平面传感器与任意一个所述棱边传感器均不平行。

一种隧道施工过程中围岩扰动应力的采集方法，包括以下步骤：

步骤1：将用以测量围岩扰动应力状态的应变块置于测点，所述应变块的表面与围岩紧密贴合；

步骤2：通过所述应变块上的应变传感器，获取测点处的应变信息；

步骤3：根据所述应变块的弹性模量和泊松比，将所述应变值转换为应力值，该应力值即为围岩扰动应力值。

应变块的表面与围岩紧密贴合，当围岩发生变形时，会挤压应变块也发生变形，而导致应变块发生变形的力的大小，就等于围岩对应变块施加的力的大小，亦即该点处的围岩应力。利用设置于应变块上的应变传感器，得到应变块的应变值，根据应变块本身的弹性模量和泊松比，得到应变块的应力值，根据作用力与反作用力的原理可知，该应力值即为围岩的应力值。这种巧妙的思路另辟蹊径，通过间接的方式测量应变块的应力值，思路清晰，简单明了，适用范围广泛，可广泛推广。

其中，应变块和应变传感器可以采用上述隧道施工过程中围岩扰动应力的采集装置中所述的应变块和应变传感器的结构形式。

进一步的，步骤1中，将用以测量围岩三维应力状态的应变块在测点处固定后，获取所述应变块的初始坐标的方位角；步骤3中：根据坐标变换的规律，得到所述测点处相对于初始坐标的围岩三维应力状态，进而得到该点处围岩的三个主应力的大小和方向。

具体的是：所述应变块包括相互垂直相交的三个平面，在三个所述平面上，设有至少六个应变传感器，所述应变传感器包括至少三个棱边传感器和至少三个平面传感器；三个所述棱边传感器沿三个所述平面之间的三个交线的方向布置；三个所述平面传感器分别布置在不同的三个所述平面上，且均不与任一所述棱边传感器平行。

此外，对于应变传感器采用其他布置情况的应变块，比如应变块上的应变传感器只测量一个方向(即一维)或两个方向(即二维)的情况，虽然不能测量围岩的三维扰动应力状态，但是也能在一定程度上测量围岩的扰动应力情况，这种方式也在本申请的保护范围之内。

步骤1中，在所述应变块布置到相应测点后，对所述钻孔进行灌浆充填，浆液硬结固化后，使应变块的表面与围岩紧密贴合。

步骤2中，所述应变传感器将所述应变信息传输给监测仪。

步骤3中，所述应变块的弹性模量和泊松比在安装前进行标定，可以更准确的获得应变块的相关力学参数。

步骤3中，利用所述监测仪，将所述应变值转换成应力值。

步骤3中，所述监测仪的显示屏，直接显示所述测点处围岩的三维应力状态。三维应力状态包括该测点处三个主应力的大小和方向。

利用上述方法，可以通过监测仪直接获取测点处围岩的三维应力状态，自动化程度更高，使用更加方便。

实施例1：

一种隧道施工过程中围岩扰动应力场的动态测试方法，如图2所示。通过从右洞已开挖区域1向左洞未开挖区域3施工两个深孔，在设定的测点上分别布置带有光纤光栅传感器的应变块4，光纤光栅传感器具体包括棱边传感器6和平面传感器7。通过宽带光源，采用耦合器将光纤光栅传感器的数据转换到探测器中，最后接入计算机，按相应的转换公式得到左洞断面开挖时的应变读数，并观察其应变变化情况，进而得到围岩应力变化情况。整个数据传输如图1所示。图3为应变块示意图。通过获取与掌子面5大致平行的前方断面处的围岩应力场的变化情况，可以明确围岩应力场随隧道开挖的变化规律：随着左洞已开挖区域2中掌子面5的不断向前推进，可以获得所测量断面处的围岩扰动应力随洞壁距离的变换规律，进而获得整个开挖过程中应力的变化分布情况，为支撑设计、工程开挖设计和决策科学化提供科学依据，对确定工程最优支护参数、实现结构的安全施工与运营具有重要意义。

具体的，令αa、αb、αc分别代表a、b、c三个方向与x轴间的夹角，可得到：

当平面传感器与相邻的所述棱边传感器的交角为45°时，即对于εu，α＝45°时，代入(1)式得：

即：

γxy＝2εu-εx-εy(3)

其中，εi(i＝a、b、c、x、y、z、u)代表一点沿i方向的应变。

根据公式(1)可以看出，当平面传感器与棱边传感器的交角不为45゜时，只需将相应的夹角带入公式(1)即可，因此对于这种情况，仍在本申请的保护范围之内。

此处，x、y、z轴为应变块放入围岩时的三个棱边传感器对应的三个坐标轴。结合公式(4)、(5)(6)和(7)，即可求的该点处应变块的三维受力状况。根据作用力与反作用力的原理，所测得的应变块的三维受力状况即为该点出围岩三维应力状况。

l²+m²+n²＝1(7)

式中，σx、σy、σz——测点处沿x、y、z方向的正应力；

τxy、τyz、τzx——测点处的剪应力；

εx、εy、εz——测点处沿x、y、z方向的正应变，由光纤光栅测得；

γxy、γyz、γxz——测点处的剪应变；

ε45°(xy)、ε45°(yz)、ε45°(xz)——测点o处象限角xoy、yoz、xoz平分线上的正应变，由光纤光栅测得；

l、m、n——主应力σ1、σ2、σ3的方向余弦；

q、g——应变块的拉梅常数，它们与应变块的弹性模量e和泊松比μ的关系为：

此外，作为比较原始的方法，设计人员依次根据步骤1-步骤3的方法，比如在步骤2中直接获取监测的应变信息数据，即使不通过监测仪，而是利用比较原始的方法，如通过其他的计算机或是手算得到的围岩三维应力状态，仍然在本申请的保护范围之内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。