[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

说明书

技术领域

本发明属于工程测量技术领域，具体涉及一种隧道应力测量系统及方法，特别是一种裂隙水影响下的三趾马红土隧道应力的测量系统及方法，其用于地下水位以下三趾马红土隧道施工过程中围岩应力快速准确的测量。

背景技术

受岩土体复杂性与多变性特征的影响，隧道围岩的应力场及力学行为通常比较复杂，围岩应力监测是隧道施工中的一项十分重要的工作，它是监视围岩是否稳定，判断二衬时机选取是否得当、检验支护结构是否合理的依据。目前，《铁路隧道施工规范》（TB10204—2002）中对于隧道围岩应力的监控量测仅仅涉及围岩压力，而未考虑到地下水的孔隙水压力影响。根据太沙基有效应力原理，土的总应力包含孔隙水压力与有效应力两部分，大多数隧道埋深位于地下水位以上，规范法监测基本可以满足施工要求。然而，对于埋深位于地下水位以下的特殊土隧道，如三趾马红土隧道则并不一定适用。研究表明，三趾马红土节理、裂隙发育，隧道的开挖势必引起隧道围岩的松动，裂隙进一步加大，地下水沿着节理、裂隙流动，致使围岩应力场、渗流场发生变化而重新分布。在应力场和渗流场两者的相互作用下，围岩极易产生过大的变形，甚至出现坍塌等严重事故。由此可见，孔隙水压力对三趾马红土总应力的影响是不容忽视的。因此，研究一种能够自动、快速、连续准确测量裂隙水影响下三趾马红土隧道围岩应力的测量方法及装置是十分必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供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及方法，该方法能够快速、连续地准确测量隧道施工过程中孔隙水压力对围岩总应力的影响程度，从而能够及时准确地反馈施工过程中存在的问题，以便实时调整施工设计方案。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

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，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。

进一步的，所述电阻式土压力盒包括铁盒体、电阻应变片、接线板和顶盖，铁盒体底面镀锌作为受力膜，铁盒体内固定有电阻应变片组成的桥式电路和接线板，电阻应变片组成的桥式电路紧贴铁盒体内底面，所述接线板位于电阻应变片组成的桥式电路的上方；电阻应变片组成的桥式电路通过接线板由信号线引出铁盒体，在铁盒体顶部安装有顶盖。

一种利用上述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，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、电源的连接、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：