[发明专利]基于多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法

摘要

本发明公开了一种基于多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法，根据隧道所处位置的地质状况、支护结构设计、周围环境和易损性等分析资料，选定需要监测的断面进行监测；布设于隧道不同位置的锚杆，通过引出的铠装光缆，汇集到光纤光栅解调仪，形成监测传感网络；连接各锚杆的光纤光栅解调仪与控制电脑相连，并通过监测系统软件，构建围岩监测系统。本发明的围岩监测方法原理简单可靠，不仅能测试锚杆的轴力以及其沿纵向的分布情况，从而得到隧道的围岩压力，而且可计算出开挖面围岩的变形量或是某一区段围岩的变形量。本发明可用于新奥法隧道开挖时的施工监测，也能用于日后在运营期的隧道变形及稳定性监测。

主权项

基于多功能智能锚杆的隧道围岩监测方法，其特征在于：所述多功能智能锚杆包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、环氧树脂或植筋胶、铠装光缆和软塑料套管；所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器安装在锚杆沿纵向所开的小槽内，并通过环氧树脂或植筋胶封装；所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器分别与铠装光缆连接，从锚杆内引出，所述铠装光缆穿于软塑料套管之中；所述监测方法包括以下步骤：(1)根据隧道所处位置的地质状况、支护结构设计、周围环境和易损性这些分析资料，选定需要监测的断面进行监测；在每个断面，选择顶部、两腰及两底这5个典型部位进行监测；(2)布设于隧道不同位置的锚杆，通过引出的铠装光缆，汇集到光纤光栅解调仪，形成监测传感网络；同一根锚杆内的光栅将输送到同一个通道，光纤光栅解调仪的每个通道根据其连接光栅数量的能力，用耦合器同时连接多根锚杆，但每个通道内不能有波长相同或非常接近的光栅；光纤光栅解调仪每个通道连接锚杆和光栅的数量由光纤光栅解调仪的波长范围、光栅之间所需要的波长间距、连接产生的光损几个方面进行考虑确定；(3)连接各锚杆的光纤光栅解调仪与控制电脑相连，并通过监测系统软件，构建围岩监测系统；各锚杆用于围岩状态的传感感知，光纤光栅解调仪用于数据采集，监测软件系统则实现对数据的分析、围岩状态的评估和预警功能；(4)各锚杆中的长标距多光栅传感器在各自标距内的长标距波长读数应该由对应的多点温度补偿传感器进行相应位置的精确温度补偿，然后转化为标距内的平均应变值，获取沿锚杆纵向方位的应变分布；(5)围岩监测先根据锚杆的不同深度位置的应变分布，根据锚杆的应力应变关系，求出沿锚杆的应力分布，继而获得不同深度的围岩压力特征；同时，基于锚杆的应变分布可求出在每个标距内的变形量，得到沿锚杆纵向不同深度区段内的变形量的分布情况，并进一步求出围岩开挖面的总变形量，在此基础上，通过变形量在时间轴上的变化，求出围岩的收敛速率，判断围岩变形稳定情况；锚杆的损伤则根据锚杆的分布应力/应变最大值是否达到屈服点来进行判断；这样即获得围岩在不同深度的围岩压力特征、围岩变形和收敛情况及锚杆的损伤情况；(6)本围岩监测方法采用持续不间断地实时监测，或采用有一定时间间隔的持续性监测，可以获得围岩压力、变形的实时连续变化特征以及收敛速率，本方法可作为隧道在施工期和运营期定期检测的方法。