本發(fā)明涉及圍巖擾動應(yīng)力場測試領(lǐng)域，尤其涉及一種隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力場的動態(tài)測試方法。

背景技術(shù)：

巖體地應(yīng)力也稱為巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力，在工程界又稱原地應(yīng)力，是在天然狀態(tài)下，存在于地層巖體內(nèi)部中未受工程擾動的天然應(yīng)力。巖體地應(yīng)力是三維應(yīng)力狀態(tài)，一般為壓應(yīng)力。

在地下工程施工過程中，工程開挖會導(dǎo)致巖體中的原應(yīng)力場產(chǎn)生變化，即發(fā)生應(yīng)力擾動。而隧道尤其是軟巖隧道開挖過程中必然會產(chǎn)生一定的應(yīng)力擾動區(qū)，其分布特征及其演化規(guī)律是隧道支護參數(shù)優(yōu)化及其長期安全性評價的重要依據(jù)。因工程開挖而導(dǎo)致巖體中應(yīng)力的變化，即產(chǎn)生的擾動應(yīng)力，是巖石工程穩(wěn)定性評價和預(yù)測的重要內(nèi)容。

在傳統(tǒng)的圍巖擾動應(yīng)力場測試方法中，為獲得隧道開挖過程中應(yīng)力場的變化規(guī)律，所采用的測試方法是：從隧道掌子面向前方巖體內(nèi)打孔，在鉆孔內(nèi)提前布置應(yīng)力或應(yīng)變傳感器，以獲得隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力場的變化情況。

這種方法存在以下缺點：

1、以往的測試方法，采用向掌子面前方巖體打設(shè)鉆孔的方式，往往不能得到隧道開挖過程中，圍巖擾動應(yīng)力隨洞壁距離的變化規(guī)律。

2、在測量隧道圍巖的三維應(yīng)力狀態(tài)的變化量時，傳統(tǒng)的測量方法是將測得的應(yīng)變結(jié)合圍巖的彈性模量和泊松比來確定圍巖的應(yīng)力變化情況。這存在以下問題：a、實際測量的是應(yīng)變片載體的應(yīng)變值，雖然應(yīng)變片載體賦存在圍巖中，但是應(yīng)變片載體的應(yīng)變值與圍巖真實的應(yīng)變值之間有差別，即：所測量的應(yīng)變值并不是圍巖真實的應(yīng)變值，用這一應(yīng)變值結(jié)合圍巖自身的彈性模量和泊松比無法獲得真實的圍巖應(yīng)力的變化情況；b、圍巖的彈性模量和泊松比的精確確定比較困難，進一步導(dǎo)致最終的測量結(jié)果不準確。

此外，另一類的三維應(yīng)力測試元件則側(cè)重于如何直接測量圍巖應(yīng)力，這類測試元件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有成本較高、施工不便、容易損壞、而且測量結(jié)果不夠準確等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種布設(shè)測點更科學，可以準確測量待測掌子面前方地質(zhì)狀況，而且能夠準確測量圍巖三維應(yīng)力變化量的隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力場的動態(tài)測試方法。

為了達成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力場的動態(tài)測試方法，包括以下步驟：

步驟1：施工與待監(jiān)測隧道相臨近的前設(shè)開挖體，所述前設(shè)開挖體存在至少一處監(jiān)測空間，所述監(jiān)測空間位于所述待監(jiān)測隧道掌子面的前方；

步驟2：在所述前設(shè)開挖體內(nèi)，向所述待監(jiān)測隧道的掌子面前方打設(shè)至少一條監(jiān)測鉆孔；所述監(jiān)測鉆孔與所述掌子面大致平行；

步驟3：向所述監(jiān)測鉆孔內(nèi)的測點處，布設(shè)應(yīng)變塊，所述應(yīng)變塊上設(shè)有若干用以測量該測點處三維應(yīng)變狀態(tài)的應(yīng)變傳感器；

步驟4：向所述鉆孔內(nèi)灌漿，使所述應(yīng)變塊與圍巖緊密貼合；

步驟5：隧道開挖過程中，圍巖產(chǎn)生擾動變形，所述應(yīng)變傳感器將監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)信號傳輸至監(jiān)測儀，所述監(jiān)測儀根據(jù)所述應(yīng)變塊的彈性模量和泊松比，將所述位移數(shù)據(jù)換算為應(yīng)力數(shù)據(jù)，進而得到該測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)。

步驟1中，所述監(jiān)測空間與所述待監(jiān)測隧道處于同一水平面上；

所述前設(shè)開挖體為超前導(dǎo)洞、或雙向雙隧道中超前開挖的另一條隧道。

所述前設(shè)開挖體的軸線與所述待監(jiān)測隧道軸線間的間距大于所述待監(jiān)測隧道的5倍洞徑，小于50m。

步驟2中，所述大致平行為所述監(jiān)測鉆孔與所述掌子面的夾角不大于30゜。當鉆孔的方向與掌子面的方向大致平行時，可以通過鉆孔內(nèi)的測點更好的獲得圍巖應(yīng)力隨隧道開挖的變化規(guī)律。

步驟2中，所述監(jiān)測鉆孔至少為兩條，一條在拱頂，一條在拱腰，在兩條以上的鉆孔內(nèi)距離洞壁不同距離設(shè)若干測點，通過對距離洞壁不同距離處圍巖應(yīng)力場的監(jiān)測，得到擾動應(yīng)力區(qū)的范圍,進而得到圍巖擾動應(yīng)力隨洞壁距離的變化規(guī)律。

至少有一條所述監(jiān)測鉆孔延伸至所述待監(jiān)測隧道開挖輪廓的上方，即為在拱頂?shù)谋O(jiān)測鉆孔。在開挖輪廓的上方布設(shè)測點，可以為計算隧道圍巖的塌落拱高度提供計算依據(jù)。

至少有一條所述監(jiān)測鉆孔呈水平布置，且高度位于所述待監(jiān)測隧道的拱腰處，即為在拱腰的監(jiān)測鉆孔，這可以方便的獲得隧道側(cè)壁處應(yīng)力釋放的變化情況，為優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

步驟3中，每個所述監(jiān)測鉆孔內(nèi)布設(shè)多個測點，相鄰所述測點的間距為0.5-2.0m。在每個鉆孔內(nèi)布設(shè)多個測點，提高鉆孔監(jiān)測的利用率。測點布置的過密，會產(chǎn)生不必要的浪費；測點布置的過疏，不能充分反映圍巖應(yīng)力的變化情況。按照這種方式布置測點，能達到技術(shù)效果與經(jīng)濟的最優(yōu)。

步驟3中，所述應(yīng)變塊包括相互垂直相交的三個平面，在三個所述平面上，設(shè)有至少六個應(yīng)變傳感器，所述應(yīng)變傳感器包括至少三個棱邊傳感器和至少三個平面?zhèn)鞲衅鳎?/p>

三個所述棱邊傳感器沿三個所述平面之間的三個交線的方向布置；

三個所述平面?zhèn)鞲衅鞣謩e布置在不同的三個所述平面上，且均不與任一所述棱邊傳感器平行。利用一個應(yīng)變塊，即可得到該點的6個應(yīng)力分量，進而獲得主應(yīng)力分布的大小和方向。

所述應(yīng)變傳感器為光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器具有如下優(yōu)點：(1)抗電磁干擾:一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶鸥蓴_的影響。(2)電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無需電源驅(qū)動，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。(3)耐腐蝕，化學性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。(4)體積小、重量輕，幾何形狀可塑。(5)傳輸損耗?。嚎蓪崿F(xiàn)遠距離遙控監(jiān)測。(6)傳輸容量大：可實現(xiàn)多點分布式測量。

所述應(yīng)變塊的彈性模量，為1-40gpa，應(yīng)變塊的選材只要滿足彈性模量與圍巖的彈性模量相差不大，就可以準確的測量圍巖應(yīng)力值。

所述應(yīng)變塊可采用混凝土制成，其中，水泥、石英砂和水的質(zhì)量比為1:1.5:1?；炷恋膹椥阅Ａ颗c圍巖的彈性模量相近，且成本低廉，制造簡單方便。

所述應(yīng)變塊可為正方體。應(yīng)變塊采用規(guī)則的正方體形狀，更加符合應(yīng)力單元體的形狀，所測得的結(jié)果與真實結(jié)果更加接近。

所述平面?zhèn)鞲衅髋c相鄰的所述棱邊傳感器的交角為45゜，更有利于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，測量結(jié)果更加準確。

在每個所述平面上，均設(shè)有兩個相互垂直的所述棱邊傳感器。應(yīng)變塊測量的9個應(yīng)變值，可以通過這9個分量的分析，剔除不合理數(shù)據(jù)，最大限度的消除測量誤差。

所述監(jiān)測儀包括顯示屏。

步驟5中，所述應(yīng)變塊的彈性模量和泊松比在使用前進行標定，比如在實驗室或工廠中進行標定，可以更準確的獲得應(yīng)變塊的相關(guān)力學參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：

利用動態(tài)測試方法來布設(shè)測點，可以在鉆孔數(shù)量很少的情況下，就能布設(shè)多個位于掌子面前方不同方位處的測點，施工成本低，而且測點的布置也更具代表性。通過獲取與掌子面大致平行的前方斷面處的圍巖應(yīng)力場的變化情況，可以明確圍巖應(yīng)力場隨隧道開挖的變化規(guī)律：隨著開挖過程中掌子面的不斷逼近，可以獲得所測量的斷面處的圍巖擾動應(yīng)力隨洞壁距離的變化規(guī)律，進而獲得整個開挖過程中應(yīng)力的變化分布情況，為支撐設(shè)計、工程開挖設(shè)計和決策科學化提供科學依據(jù)，對確定工程最優(yōu)支護參數(shù)、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全施工與運營具有重要意義。

應(yīng)變塊的表面與圍巖緊密貼合，當圍巖發(fā)生變形時，會擠壓應(yīng)變塊也發(fā)生變形，而導(dǎo)致應(yīng)變塊發(fā)生變形的力的大小，就等于圍巖對應(yīng)變塊施加的力的大小，亦即該點處的圍巖應(yīng)力。利用設(shè)置于應(yīng)變塊上的應(yīng)變傳感器，得到應(yīng)變塊的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)變塊本身的彈性模量和泊松比，得到應(yīng)變塊的應(yīng)力值，根據(jù)作用力與反作用力的原理可知，該應(yīng)力值即為圍巖的應(yīng)力值。這種巧妙的思路另辟蹊徑，通過間接的測量應(yīng)變塊的應(yīng)力值，來測量圍巖的應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，施工方便，不易損壞，測試結(jié)果更加準確。

附圖說明

圖1是監(jiān)測原理示意圖；

圖2是動態(tài)測試方法示意圖；

圖3是應(yīng)變塊示意圖。

其中，1、右洞已開挖區(qū)域，2、左洞已開挖區(qū)域，3、左洞未開挖區(qū)域，4、應(yīng)變塊，5、掌子面，6、棱邊傳感器，7、平面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力場的動態(tài)測試方法，包括以下步驟：

步驟1：施工與待監(jiān)測隧道相臨近的前設(shè)開挖體，前設(shè)開挖體存在至少一處監(jiān)測空間，監(jiān)測空間位于待監(jiān)測隧道掌子面的前方；

步驟2：在前設(shè)開挖體內(nèi)，向待監(jiān)測隧道的掌子面前方打設(shè)至少一條監(jiān)測鉆孔；監(jiān)測鉆孔與掌子面大致平行；

步驟3：向監(jiān)測鉆孔內(nèi)的測點處，布設(shè)應(yīng)變塊，應(yīng)變塊上設(shè)有若干用以測量該測點處三維應(yīng)變狀態(tài)的應(yīng)變傳感器；

步驟4：向鉆孔內(nèi)灌漿，使應(yīng)變塊與圍巖緊密貼合；

步驟5：隧道開挖過程中，圍巖產(chǎn)生擾動變形，應(yīng)變傳感器將監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)信號傳輸至監(jiān)測儀，監(jiān)測儀根據(jù)應(yīng)變塊的彈性模量和泊松比，將位移數(shù)據(jù)換算為應(yīng)力數(shù)據(jù)，進而得到該測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)。

通過獲取與掌子面大致平行的前方斷面處的圍巖應(yīng)力場的變化情況，可以明確圍巖應(yīng)力場隨隧道開挖的變化規(guī)律：隨著開挖過程中掌子面的不斷逼近，可以獲得所測量的斷面處的圍巖擾動應(yīng)力隨洞壁距離的變換規(guī)律，進而獲得整個開挖過程中應(yīng)力的變化分布情況，為支撐設(shè)計、工程開挖設(shè)計和決策科學化提供科學依據(jù)，對確定工程最優(yōu)支護參數(shù)、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全施工與運營具有重要意義。

應(yīng)變塊的表面與圍巖緊密貼合，當圍巖發(fā)生變形時，會擠壓應(yīng)變塊也發(fā)生變形，而導(dǎo)致應(yīng)變塊發(fā)生變形的力的大小，就等于圍巖對應(yīng)變塊施加的力的大小，亦即該點處的圍巖應(yīng)力。利用設(shè)置于應(yīng)變塊上的應(yīng)變傳感器，得到應(yīng)變塊的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)變塊本身的彈性模量和泊松比，得到應(yīng)變塊的應(yīng)力值，根據(jù)作用力與反作用力的原理可知，該應(yīng)力值即為圍巖的應(yīng)力值。這種巧妙的思路另辟蹊徑，通過間接的測量應(yīng)變塊的應(yīng)力值，來測量圍巖的應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，施工方便，不易損壞，測試結(jié)果更加準確。

此處的前設(shè)開挖體可以為從待監(jiān)測隧道體中為了探測前方地質(zhì)情況特意向圍巖中開挖的監(jiān)測隧道，也可以是導(dǎo)洞，或是雙向雙隧道中超前開挖的另一條隧道。

前設(shè)開挖體與待監(jiān)測隧道處于同一水平面上，施工更加方便。如果遇到地質(zhì)條件復(fù)雜的情況，也可以根據(jù)所在的地質(zhì)情況適當調(diào)整監(jiān)測隧道的具體位置，比如布設(shè)在待檢測隧道的偏上方或偏下方。

為了保證前設(shè)開挖體的開挖和存在不會對待監(jiān)測隧道前方的圍巖造成明顯擾動，以影響對圍巖應(yīng)力變化規(guī)律的正確判斷，步驟1中，監(jiān)測隧道的軸線與待監(jiān)測隧道軸線間的間距需要大于待監(jiān)測隧道的5倍洞涇，或大于30m。一般情況下，考慮到施工成本的因素，這兩條軸線間的間距需要小于50m。

步驟2中，打設(shè)的監(jiān)測鉆孔與掌子面平行，可以更好的獲得與掌子面平行斷面的應(yīng)力變化情況，為隧道支護參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

由于每條施工處的隧道地質(zhì)條件具有差異性和獨特性，因此可以根據(jù)實際情況，使打設(shè)的鉆孔與掌子面之間具有一定的夾角，一般情況下，這一夾角不超過30゜。

步驟2中，監(jiān)測鉆孔至少為兩條，一條在拱頂，一條在拱腰，在兩條以上的鉆孔內(nèi)距離洞壁不同距離設(shè)若干測點，通過對距離洞壁不同距離處圍巖應(yīng)力場的監(jiān)測，得到擾動應(yīng)力區(qū)的范圍。

在拱頂處的監(jiān)測鉆孔的具體位置是延伸至待監(jiān)測隧道開挖輪廓的上方。在開挖輪廓的上方布設(shè)測點，可以為計算隧道圍巖的塌落拱高度提供計算依據(jù)。

在拱腰處的監(jiān)測鉆孔呈水平布置，且高度位于待監(jiān)測隧道的拱腰處，可以方便的獲得隧道側(cè)壁處應(yīng)力釋放的變化情況，為優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

對于不同的施工現(xiàn)場，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，針對實際情況和應(yīng)力分布規(guī)律在相應(yīng)位置打設(shè)多個監(jiān)測鉆孔。

步驟3中，每個監(jiān)測鉆孔內(nèi)布設(shè)多個測點，相鄰測點的間距為0.5-2.0m。在每個鉆孔內(nèi)布設(shè)多個測點，可以更好的獲得圍巖應(yīng)力隨隧道開挖的應(yīng)力變化規(guī)律，提高鉆孔監(jiān)測的利用率。測點布置的過密，會產(chǎn)生不必要的浪費；測點布置的過疏，不能充分反映圍巖應(yīng)力的變化情況。按照這種方式布置測點，能達到技術(shù)效果與經(jīng)濟的最優(yōu)。

利用動態(tài)測試方法來布設(shè)測點，可以在鉆孔數(shù)量很少的情況下，就能布設(shè)多個位于掌子面前方不同方位處的測點，施工成本低，而且測點的布置也更具代表性。

步驟3中，所采用的應(yīng)變塊、應(yīng)變傳感器和監(jiān)測儀共同構(gòu)成一種隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力的采集裝置。此處的擾動應(yīng)力，是指因施工等各方面因素所造成的圍巖應(yīng)力值的變化量。

圍巖擾動應(yīng)力的采集裝置包括監(jiān)測儀和圍巖應(yīng)力測試元件，圍巖應(yīng)力測試元件包括用于布設(shè)在測點且與圍巖緊密貼合的應(yīng)變塊，應(yīng)變塊上設(shè)有若干用以測量測點處應(yīng)變狀態(tài)的應(yīng)變傳感器；應(yīng)變傳感器將監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)信號傳輸至監(jiān)測儀，監(jiān)測儀根據(jù)應(yīng)變塊的彈性模量和泊松比，將位移數(shù)據(jù)換算為應(yīng)力數(shù)據(jù)，進而得到該測點處的應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)變塊的表面與圍巖緊密貼合，當圍巖發(fā)生變形時，會擠壓應(yīng)變塊也發(fā)生變形，而導(dǎo)致應(yīng)變塊發(fā)生變形的力的大小，就等于圍巖對應(yīng)變塊施加的力的大小，亦即該點處的圍巖應(yīng)力。利用設(shè)置于應(yīng)變塊上的應(yīng)變傳感器，得到應(yīng)變塊的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)變塊本身的彈性模量和泊松比，得到應(yīng)變塊的應(yīng)力值，根據(jù)作用力與反作用力的原理可知，該應(yīng)力值即為圍巖的應(yīng)力值。這種巧妙的思路另辟蹊徑，通過間接的測量應(yīng)變塊的應(yīng)力值，來測量圍巖的應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，施工方便，不易損壞，測試結(jié)果更加準確。

其中，圍巖應(yīng)力測試元件為三維應(yīng)力測試元件，并最終得到該測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)。

此外，對于應(yīng)變傳感器采用其他布置形式的應(yīng)變塊，比如應(yīng)變塊上的應(yīng)變傳感器只測量一個方向(即一維)或兩個方向(即二維)的情況，雖然不能測量圍巖的三維擾動應(yīng)力狀態(tài)，但是也能在一定程度上測量圍巖的擾動應(yīng)力情況，這種結(jié)構(gòu)也在本申請的保護范圍之內(nèi)。

在將位移數(shù)據(jù)換算為應(yīng)力數(shù)據(jù)后，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，通過坐標變換即可得到該測點處的三維應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)變塊包括相互垂直相交的三個平面，在三個平面上，設(shè)有至少六個應(yīng)變傳感器，應(yīng)變傳感器包括至少三個棱邊傳感器和至少三個平面?zhèn)鞲衅鳎?/p>

三個棱邊傳感器沿三個平面之間的三個交線的方向布置；

三個平面?zhèn)鞲衅鞣謩e布置在不同的三個平面上，且均不與任一棱邊傳感器平行。利用一個應(yīng)變塊，即可得到該點的6個應(yīng)力分量，進而獲得主應(yīng)力分布的大小和方向。

應(yīng)變傳感器為光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器具有如下優(yōu)點：(1)抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低許多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘柌皇茈姶鸥蓴_的影響。(2)電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無需電源驅(qū)動，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。(3)耐腐蝕，化學性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料一石英具有極高的化學穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。(4)體積小、重量輕，幾何形狀可塑。(5)傳輸損耗?。嚎蓪崿F(xiàn)遠距離遙控監(jiān)測。(6)傳輸容量大：可實現(xiàn)多點分布式測量。

應(yīng)變塊，可根據(jù)現(xiàn)場的巖性確定，對于軟巖一般為1-10gpa，對于硬巖一般為20-40gpa，應(yīng)變塊的選材只要滿足彈性模量與圍巖的彈性模量相差不大，就可以準確的測量圍巖應(yīng)力值。

應(yīng)變塊采用混凝土制成，水泥、石英砂和水的質(zhì)量比為1:1.5:1?；炷恋膹椥阅Ａ颗c圍巖的彈性模量相近，且成本低廉，制造簡單方便。

優(yōu)選的，應(yīng)變塊可為長方體；進一步優(yōu)選的，應(yīng)變塊可為正方體。應(yīng)變塊采用規(guī)則的正方體形狀，更加符合應(yīng)力單元體的形狀，所測得的結(jié)果與真實結(jié)果更加接近。

平面?zhèn)鞲衅髋c相鄰的棱邊傳感器的交角為45゜，更有利于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，測量結(jié)果更加準確。

在每個平面上，均設(shè)有兩個相互垂直的棱邊傳感器。應(yīng)變塊測量的9個應(yīng)變值，可以通過這9個分量的分析，剔除不合理數(shù)據(jù)，最大限度的消除測量誤差。

監(jiān)測儀包括顯示屏，可以更加方便的顯示不同測點處的擾動應(yīng)力狀態(tài)。

步驟5中，應(yīng)變塊的彈性模量和泊松比在使用前進行標定，比如在實驗室或工廠中進行標定，可以更準確的獲得應(yīng)變塊的相關(guān)力學參數(shù)。

應(yīng)變塊包括相互相交的三個平面，在三個所述平面上，設(shè)有至少六個應(yīng)變傳感器，所述應(yīng)變傳感器包括至少三個棱邊傳感器和至少三個平面?zhèn)鞲衅鳎?/p>

三個所述棱邊傳感器沿三個所述平面之間的三個交線的方向置布；

三個所述平面?zhèn)鞲衅鞣謩e布置在不同的三個所述平面上，且均不與任一所述棱邊傳感器平行。

三個棱邊傳感器即使不是正交，通過簡單的坐標變換，也可以得到在相互正交的坐標系中的應(yīng)力分量，進而得到該點處的三維應(yīng)力狀態(tài)。

所述應(yīng)變傳感器布設(shè)在所述應(yīng)變塊的表面和/或內(nèi)部。

所述應(yīng)變傳感器包括至少三個棱邊傳感器和至少三個平面?zhèn)鞲衅?，三個所述棱邊傳感器彼此互不平行，其中任意兩個所述棱邊傳感器所在的平面構(gòu)成測量平面，在每個與所述測量平面平行或重合的平面內(nèi)，設(shè)有至少一個所述平面?zhèn)鞲衅?，所述平面?zhèn)鞲衅髋c任意一個所述棱邊傳感器均不平行。

一種隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力的采集方法，包括以下步驟：

步驟1：將用以測量圍巖擾動應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變塊置于測點，所述應(yīng)變塊的表面與圍巖緊密貼合；

步驟2：通過所述應(yīng)變塊上的應(yīng)變傳感器，獲取測點處的應(yīng)變信息；

步驟3：根據(jù)所述應(yīng)變塊的彈性模量和泊松比，將所述應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值，該應(yīng)力值即為圍巖擾動應(yīng)力值。

應(yīng)變塊的表面與圍巖緊密貼合，當圍巖發(fā)生變形時，會擠壓應(yīng)變塊也發(fā)生變形，而導(dǎo)致應(yīng)變塊發(fā)生變形的力的大小，就等于圍巖對應(yīng)變塊施加的力的大小，亦即該點處的圍巖應(yīng)力。利用設(shè)置于應(yīng)變塊上的應(yīng)變傳感器，得到應(yīng)變塊的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)變塊本身的彈性模量和泊松比，得到應(yīng)變塊的應(yīng)力值，根據(jù)作用力與反作用力的原理可知，該應(yīng)力值即為圍巖的應(yīng)力值。這種巧妙的思路另辟蹊徑，通過間接的方式測量應(yīng)變塊的應(yīng)力值，思路清晰，簡單明了，適用范圍廣泛，可廣泛推廣。

其中，應(yīng)變塊和應(yīng)變傳感器可以采用上述隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力的采集裝置中所述的應(yīng)變塊和應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)形式。

進一步的，步驟1中，將用以測量圍巖三維應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變塊在測點處固定后，獲取所述應(yīng)變塊的初始坐標的方位角；步驟3中：根據(jù)坐標變換的規(guī)律，得到所述測點處相對于初始坐標的圍巖三維應(yīng)力狀態(tài)，進而得到該點處圍巖的三個主應(yīng)力的大小和方向。

具體的是：所述應(yīng)變塊包括相互垂直相交的三個平面，在三個所述平面上，設(shè)有至少六個應(yīng)變傳感器，所述應(yīng)變傳感器包括至少三個棱邊傳感器和至少三個平面?zhèn)鞲衅?；三個所述棱邊傳感器沿三個所述平面之間的三個交線的方向布置；三個所述平面?zhèn)鞲衅鞣謩e布置在不同的三個所述平面上，且均不與任一所述棱邊傳感器平行。

此外，對于應(yīng)變傳感器采用其他布置情況的應(yīng)變塊，比如應(yīng)變塊上的應(yīng)變傳感器只測量一個方向(即一維)或兩個方向(即二維)的情況，雖然不能測量圍巖的三維擾動應(yīng)力狀態(tài)，但是也能在一定程度上測量圍巖的擾動應(yīng)力情況，這種方式也在本申請的保護范圍之內(nèi)。

步驟1中，在所述應(yīng)變塊布置到相應(yīng)測點后，對所述鉆孔進行灌漿充填，漿液硬結(jié)固化后，使應(yīng)變塊的表面與圍巖緊密貼合。

步驟2中，所述應(yīng)變傳感器將所述應(yīng)變信息傳輸給監(jiān)測儀。

步驟3中，所述應(yīng)變塊的彈性模量和泊松比在安裝前進行標定，可以更準確的獲得應(yīng)變塊的相關(guān)力學參數(shù)。

步驟3中，利用所述監(jiān)測儀，將所述應(yīng)變值轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值。

步驟3中，所述監(jiān)測儀的顯示屏，直接顯示所述測點處圍巖的三維應(yīng)力狀態(tài)。三維應(yīng)力狀態(tài)包括該測點處三個主應(yīng)力的大小和方向。

利用上述方法，可以通過監(jiān)測儀直接獲取測點處圍巖的三維應(yīng)力狀態(tài)，自動化程度更高，使用更加方便。

實施例1：

一種隧道施工過程中圍巖擾動應(yīng)力場的動態(tài)測試方法，如圖2所示。通過從右洞已開挖區(qū)域1向左洞未開挖區(qū)域3施工兩個深孔，在設(shè)定的測點上分別布置帶有光纖光柵傳感器的應(yīng)變塊4，光纖光柵傳感器具體包括棱邊傳感器6和平面?zhèn)鞲衅?。通過寬帶光源，采用耦合器將光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到探測器中，最后接入計算機，按相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式得到左洞斷面開挖時的應(yīng)變讀數(shù)，并觀察其應(yīng)變變化情況，進而得到圍巖應(yīng)力變化情況。整個數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示。圖3為應(yīng)變塊示意圖。通過獲取與掌子面5大致平行的前方斷面處的圍巖應(yīng)力場的變化情況，可以明確圍巖應(yīng)力場隨隧道開挖的變化規(guī)律：隨著左洞已開挖區(qū)域2中掌子面5的不斷向前推進，可以獲得所測量斷面處的圍巖擾動應(yīng)力隨洞壁距離的變換規(guī)律，進而獲得整個開挖過程中應(yīng)力的變化分布情況，為支撐設(shè)計、工程開挖設(shè)計和決策科學化提供科學依據(jù)，對確定工程最優(yōu)支護參數(shù)、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全施工與運營具有重要意義。

具體的，令αa、αb、αc分別代表a、b、c三個方向與x軸間的夾角，可得到：

當平面?zhèn)鞲衅髋c相鄰的所述棱邊傳感器的交角為45°時，即對于εu，α＝45°時，代入(1)式得：

即：

γxy＝2εu-εx-εy(3)

其中，εi(i＝a、b、c、x、y、z、u)代表一點沿i方向的應(yīng)變。

根據(jù)公式(1)可以看出，當平面?zhèn)鞲衅髋c棱邊傳感器的交角不為45゜時，只需將相應(yīng)的夾角帶入公式(1)即可，因此對于這種情況，仍在本申請的保護范圍之內(nèi)。

此處，x、y、z軸為應(yīng)變塊放入圍巖時的三個棱邊傳感器對應(yīng)的三個坐標軸。結(jié)合公式(4)、(5)(6)和(7)，即可求的該點處應(yīng)變塊的三維受力狀況。根據(jù)作用力與反作用力的原理，所測得的應(yīng)變塊的三維受力狀況即為該點出圍巖三維應(yīng)力狀況。

l²+m²+n²＝1(7)

式中，σx、σy、σz——測點處沿x、y、z方向的正應(yīng)力；

τxy、τyz、τzx——測點處的剪應(yīng)力；

εx、εy、εz——測點處沿x、y、z方向的正應(yīng)變，由光纖光柵測得；

γxy、γyz、γxz——測點處的剪應(yīng)變；

ε45°(xy)、ε45°(yz)、ε45°(xz)——測點o處象限角xoy、yoz、xoz平分線上的正應(yīng)變，由光纖光柵測得；

l、m、n——主應(yīng)力σ1、σ2、σ3的方向余弦；

q、g——應(yīng)變塊的拉梅常數(shù)，它們與應(yīng)變塊的彈性模量e和泊松比μ的關(guān)系為：

此外，作為比較原始的方法，設(shè)計人員依次根據(jù)步驟1-步驟3的方法，比如在步驟2中直接獲取監(jiān)測的應(yīng)變信息數(shù)據(jù)，即使不通過監(jiān)測儀，而是利用比較原始的方法，如通過其他的計算機或是手算得到的圍巖三維應(yīng)力狀態(tài)，仍然在本申請的保護范圍之內(nèi)。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)，未予以詳細說明的部分，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不進行贅述。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的范圍。