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技术方案

本发明专利技术公开了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，包括信号放大器、数据采集器、上位机、电源和8个传感器组；传感器组通过信号放大器连接数据采集器，数据采集器连接上位机；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；由传感器组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发送到上位机，由上位机对接收到的数据进行处理。本发明专利技术能够快速、连续地准确测量三趾马红土隧道施工过程中孔隙水压力对围岩总应力的影响程度，及时反馈施工过程中存在的问题，实时调整施工设计方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工程测量
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于，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，本专利技术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I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η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Π ;由式5计算得到围岩总应力σ:σ =VX 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 X η (式 6)式中，u—孔隙水压力；ν—输出电压值；Π—标定系数；将某一时刻h采集的WBX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σ i，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:(01，^，(σ2, t2),……，(on，tn);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 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。 进一步的，所述数据采集器在试验期内以IOmin/次的采集频率采集并记录每个传感器的输出信号。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是:(I)本专利技术的测量装置和方法将孔隙水压力纳入了监测内容，全面考虑裂隙水对隧道围岩应力的影响，弥补了现有技术中未考虑裂隙水影响所引起的测量结果不准确的缺陷，更加符合工程实际，且能够根据实时检测结果及时准确地调整后期施工方案。(2)采用多个高精度土压力、孔隙水压力监测元件，将它们埋设在位置固定的拱顶、拱腰两侧、边墙两侧、拱脚两侧和仰拱部位的监测点上，全方位地覆盖检测区域，且准确监测目标点的围岩应力、孔隙水压力。(3)采集速度快，采样速度可达5000次/S，可连续地反馈裂隙水影响下三趾马红土隧道围岩应力、孔隙水压力变化规律，为实时调整施工方案提供依据。( 4)本专利技术的装置结构简单，操作简单，安装、使用方便。附图说明图1是本专利技术的测量系统的连接框图。图2是电阻式土压力盒的结构示意图。图3是监测元件布设图。图4是本专利技术的实施例的一个电阻式土压力盒的标定及拟合标定曲线。图5是本专利技术的实施例中一个孔隙水压力传感器的标定及拟合标定曲线。图6是本专利技术的实施例中围岩应力时态曲线。图7是本专利技术的实施例中孔隙水压力时态曲线。图8是本专利技术的实施案例中有效应力时态曲线。图中标号1、受力膜，2、电阻应变片，3、接线板，4、信号线，5、顶盖，6、铁盒体。以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步解释说明。具体实施例方式如图1-图3所示，本专利技术的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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家鼎，谷天峰，王建斌，赵金刚，李家栋，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：