[发明专利]裂隙水影响下的三趾马红土隧道围岩应力测量系统及方法

权利要求书

1.一种裂隙水影响下的三趾马红土隧道围岩应力的测量系统，其特征在于，包括信号放大器、数据采集器、上位机、电源和8个传感器组；其中，每个所述传感器组由一个电阻式土压力盒和一个孔隙水压力传感器组成，每个电阻式土压力盒和每个孔隙水压力传感器的输出端均通过信号放大器连接数据采集器，数据采集器输出端连接上位机；所述电源连接数据采集器、信号放大器、电阻式土压力盒和孔隙水压力传感器为其供电；所述8个传感器组分别安装在三趾马红土隧道监测断面的拱顶、拱腰两侧、边墙两侧、拱脚两侧和仰拱部位；

由所述8个传感器组的电阻式土压力盒和一个孔隙水压力传感器实时采集土压力和水压力数据，采集到的数据经信号放大器发送到数据采集器，数据采集器按一定频率采集数据并将其发送到上位机，由上位机对接收到的数据进行处理。

2.如权利要求1所述的裂隙水影响下的三趾马红土隧道围岩应力的测量系统，其特征在于，所述电阻式土压力盒包括铁盒体（6）、电阻应变片（2）、接线板（3）和顶盖（5），铁盒体（6）底面镀锌作为受力膜（1），铁盒体（6）内固定有电阻应变片（2）组成的桥式电路和接线板（3），电阻应变片（2）组成的桥式电路紧贴铁盒体（6）内底面，所述接线板（3）位于电阻应变片（2）组成的桥式电路的上方；电阻应变片（2）组成的桥式电路通过接线板（3）由信号线（4）引出铁盒体（6），在铁盒体（6）顶部安装有顶盖（5）。

3.一种利用权利要求1所述的测量装置进行裂隙水影响下的三趾马红土隧道围岩应力的测量的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）测量系统的组装：包括传感器组的焊接、电源模块的组装、信号放大器的安装、信号线的连接及其与数据采集器的匹配。

2）传感器的标定：分别对电阻式土压力盒、孔隙水压力传感器进行标定，得到电阻式土压力盒标定曲线和孔隙水压力传感器标定曲线；

3）传感器的埋设：采用盲管引线法，将8个传感器组分别固定到三趾马红土隧道监测断面的8个监测点上，8个监测点分别位于拱顶、拱腰两侧、边墙两侧、拱脚两侧和仰拱部位；按顺序从拱顶向两侧逐步挖土洞进行埋设，埋设过程中注意土压力盒的方向，保证土压力盒的受力膜1与洞身径向垂直，埋深30cm-50cm，然后用土回填土洞并夯实；

4）数据采集：在测量开始前启动数据采集器，记录保存每个传感器组的初始信号并发送给上位机；测量开始，各传感器组的读数随着土压力的变化而改变，电阻式土压力盒及孔隙水压力传感器分别实时采集土压力和水压力数据，并实时向数据采集器发出信号，数据采集器以一定的频率采集并记录接收到的信号，测量过程中共采集n次，并实时将采集到的信号发送给上位机；

5）数据处理：上位机通过数据采集器发送的信号得到电阻式土压力盒及孔隙水压力传感器的初值，也即测量开始前各监测点的初始围岩应力及孔隙水压力；对每个传感器组的标定曲线进行重新拟合得到拟合标定曲线及对应的拟合公式；由标定拟合公式得知电阻式土压力盒的标定系数ξ和孔隙水压力传感器的标定系数η；

由式5计算得到围岩总应力σ：

σ=V×ξ     (式5)

式中，σ—围岩总应力；V—输出电压值；ξ—标定系数；

由式6计算得到孔隙水压力u：

u=v×η     (式6)

式中，u—孔隙水压力；v—输出电压值；η—标定系数；

将某一时刻t₁采集的1#BX系列电阻式土压力盒的输出值V代入式5，得到该时刻围岩的总应力σ₁，按照同样的方式对每次采集的1#BX系列电阻式土压力盒的输出值V进行处理，共得到n组数据：(σ₁，t₁)，(σ₂，t₂)，.....，(σ_n，t_n)；其中，n表示试验期内的采集次数；以围岩总应力σ为纵轴，以时间t为横轴建立坐标系，得到的n组数据在该坐标系中表示为σ—t时态曲线；同理，得到的n组数据在该坐标系中表示为u—t时态曲线，即孔隙水压力时态曲线；将每个采集时刻所得到的围岩总应力σ减去孔隙水压力u得到该时刻的有效应力σ_e，以有效应力σ_e为纵轴，以时间t为横轴，得到有效应力σ_e—t时态曲线；至此，得到由1#传感器组采集的数据处理得到的有效应力时态曲线；同理，得到由其余7个传感器组采集的数据处理得到的有效应力时态曲线。