CN108918012A - 一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法 - Google Patents

一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法，选择隧道围岩应力监测断面，布设六向压力传感器；将各个六向压力传感器分别与光缆连接，注浆对拱顶钻孔、侧部钻孔、各个右侧钻孔和各个左侧钻孔进行封孔，光缆与光纤光栅解调仪相连接；获取各个六向压力传感器相对于大地坐标系的埋设方位及倾向，获得每个测点的六向压力传感器的6个不同方向应力分量，进而求得该测点的三维应力状态。本发明的各个六向压力传感器可串联使得大规模布设时数据采集和引出都较为简单，大规模监测成本低；实现了在长期下对围岩三维扰动应力进行多点分布式监测；给出了一种六向压力传感器合理的布置方式，可进行有效的测量，不会造成资源浪费。

Description

一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法
技术领域
本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法。
背景技术
在城市环境中，高层建筑、高架桥梁、地下管线等建构筑物密布云集。由于受线路、地下空间等的限制,地铁隧道将不得不从一些建筑物基础与地下管线的附近穿过。隧道开挖将使土体产生扰动,引起土体的移动和变形,移动土体作用在建筑物的基础上，就会引起建筑物及其基础的附加内力和变形，从而对已有建筑产生不利影响，甚至导致建筑物的破坏。另外，隧道开挖将受到建筑物基础上作用荷载的影响，建筑物基础上的荷载将会增加土体与隧道的变形,改变隧道周围及土体中的应力分布。因此，在隧道工程建设中，掌握围岩应力状态和掘进扰动过程中地应力场实时变化过程，对施工和运营阶段的稳定性分析与控制极为关键。
光纤光栅力传感器是近年来得到较多关注的一种新型应力监测仪器，由于其制作技术的提高及传感机理成熟，与传统的“点式”压力传感器相比具有很多突出的优势，即不受电磁干扰，有较高的精度和灵敏度，也具有一定的耐腐蚀性，能实现多点分布式测试等，已越来越多的应用于煤矿巷道、引水隧道等地下结构物的稳定性监测中。
目前，在浅埋隧道中，多采用土压力盒来进行一个已知方向压力的测量，且大多安装在管片与土体之间，很少涉及到对隧道周围土体三维扰动应力场的监测，而对围岩应力场的监测，传感器的布置方式是很关键的，布置的好既节省成本又能进行高效的测量得到全面的数据。
发明内容
本发明的目的在于针对地铁盾构隧道围岩稳定性分析，提供一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法，方法易行，操作简便。
为了实现上述的目的,本发明采用以下技术措施：
一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法，包括以下步骤：
步骤1、选择隧道围岩应力监测断面，
在隧道断面的隧道拱顶正上方开设有垂直的拱顶钻孔，拱顶钻孔的底部延伸至隧道断面的隧道拱顶；
在隧道断面所在平面内且在隧道断面右侧两倍隧道直径范围内每隔2m开设有垂直的右侧钻孔；
在隧道断面所在平面内且在隧道断面左侧两倍隧道直径范围内每隔2m开设有垂直的左侧钻孔；
在隧道断面所在平面内，定义分布射线为以隧道断面的中心为原点的射线，
定义以隧道断面的中心到隧道断面的隧道拱顶的所在的分布射线为0°方向分布射线，设定顺时针方向为分布射线的角度增加方向，
在隧道断面所在平面内位于45°方向分布射线的隧道断面的外壁的正上方开设有垂直的侧部钻孔，侧部钻孔的底部延伸至位于45°方向分布射线的隧道断面的外壁；
在各个测点布设六向压力传感器，六向压力传感器包括0°方向六向压力传感器、45°方向六向压力传感器、90°方向六向压力传感器、135°方向六向压力传感器、270°方向六向压力传感器，
在0°方向分布射线上自隧道断面的外壁至地层交界处每隔2m的测点设置 0°方向六向压力传感器，即在隧道断面的隧道拱顶正上方开设有垂直的钻孔内，自隧道断面的外部至地层交界处每隔2m的测点设置0°方向六向压力传感器，
45°方向分布射线与隧道断面的外壁、侧部钻孔、右侧钻孔相交的各个测点设置45°方向六向压力传感器，
90°方向分布射线与隧道断面的外壁、右侧钻孔相交的各个测点设置90°方向六向压力传感器，
135°方向分布射线与隧道断面的外壁、右侧钻孔相交的各个测点设置 135°方向六向压力传感器，
270°方向分布射线与隧道断面的外壁、左侧钻孔相交的各个测点设置 270°方向六向压力传感器，
步骤2、将各个六向压力传感器分别与光缆连接，注浆对拱顶钻孔、侧部钻孔、各个右侧钻孔和各个左侧钻孔进行封孔，光缆与光纤光栅解调仪相连接，获取各个六向压力传感器相对于大地坐标系的埋设方位及倾向，根据光纤光栅解调仪得到每个测点的六向压力传感器的6个不同方向应力分量，根据六向压力传感器相对于大地坐标系的埋设方位及倾向，以及六向压力传感器的6个不同方向应力分量，得该测点的三维应力状态，三维应力状态包括x、y、z方向的正应力σx、σy、σz，以及剪应力τxy、τyz、τzx。
本发明现对于现有技术具有以下有益效果：
通过预先在设计位置处埋设六向压力传感器来监测掘进过程中围岩的应力变化，比较准确地测量出断面围岩中某点的三维应力状态变化，通过获取多个断面多测点处的围岩应力场的变化情况，可以明确围岩应力场随隧道掘进的变化规律，能够更好的反映出盾构过程中围岩的扰动范围，对开挖后围岩的支护设计有很好的指导作用，有利于节省工程量，加快施工进度，保证洞室的整体稳定和施工人员的人身安全。本发明的各个六向压力传感器可串联使得大规模布设时数据采集和引出都较为简单，大规模监测成本低；实现了在长期下对围岩三维扰动应力进行多点分布式监测；给出了一种六向压力传感器合理的布置方式，可进行有效的测量，不会造成资源浪费。
附图说明
图1为本发明的隧道围岩中光纤光栅六向压力传感器布置示意图；
图2为本发明的工作面推进方向钻孔布置方式图；
图中，1-隧道断面；2-左侧钻孔；3-270°方向六向压力传感器；4-拱顶钻孔； 5-0°方向六向压力传感器；6-侧部钻孔；7-45°方向六向压力传感器；8-右侧钻孔；9-90°方向六向压力传感器；10-135°方向六向压力传感器；11-光纤光栅解调仪；12-计算机；13-光缆；14-隧道工作面推进方向。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明作进一步描述，需要强调的是，虽然本发明将结合实例进行阐述，这并非指本发明限定于这些实例，这些实例仅仅用于表明本发明的技术方案的可实施性。
一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法：
步骤1、在隧道开挖之前，根据工程地质条件和周围建筑物的密集程度来选择隧道围岩应力监测断面。
在隧道断面的隧道拱顶正上方开设有垂直的拱顶钻孔，拱顶钻孔的底部延伸至隧道断面的隧道拱顶；
在隧道断面所在平面内且在隧道断面右侧两倍隧道直径范围内每隔2m开设有垂直的右侧钻孔；
在隧道断面所在平面内且在隧道断面左侧两倍隧道直径范围内每隔2m开设有垂直的左侧钻孔；
在隧道断面所在平面内，定义分布射线为以隧道断面的中心为原点的射线，
定义以隧道断面的中心到隧道断面的隧道拱顶的所在的分布射线为0°方向分布射线，设定顺时针方向为分布射线的角度增加方向，
在隧道断面所在平面内位于45°方向分布射线的隧道断面的外壁的正上方开设有垂直的侧部钻孔。侧部钻孔的底部延伸至位于45°方向分布射线的隧道断面的外壁；
在各个测点布设六向压力传感器，六向压力传感器包括0°方向六向压力传感器、45°方向六向压力传感器、90°方向六向压力传感器、135°方向六向压力传感器、270°方向六向压力传感器。
在0°方向分布射线上自隧道断面的外壁至地层交界处每隔2m的测点设置 0°方向六向压力传感器，即在隧道断面的隧道拱顶正上方开设有垂直的钻孔内，自隧道断面的外部至地层交界处每隔2m的测点设置0°方向六向压力传感器，可以为计算隧道围岩的塌落拱高度提供计算依据。
45°方向分布射线与隧道断面的外壁、侧部钻孔、右侧钻孔相交的各个测点设置45°方向六向压力传感器，
90°方向分布射线与隧道断面的外壁、右侧钻孔相交的各个测点设置90°方向六向压力传感器，
135°方向分布射线与隧道断面的外壁、右侧钻孔相交的各个测点设置 135°方向六向压力传感器，
270°方向分布射线与隧道断面的外壁、左侧钻孔相交的各个测点设置 270°方向六向压力传感器，
在具有代表性的45°、90°、135°、270°方向设距离洞壁不同距离的若干测点，通过对距离洞壁不同距离处围岩应力场的监测，得到洞周扰动应力区的范围。
以选取的某一隧道围岩应力监测断面为例进行说明，传感器的布设示意图如图1所示。
同一方向分布射线的相邻六向压力传感器的间距在0.5～3m，测点布置的过密或过长，会产生不必要的浪费，测点布置的过疏或过短，不能充分反映围岩应力的变化。按照这种方式布置测点，能达到技术效果与经济的最优。
步骤2、将0°方向六向压力传感器、45°方向六向压力传感器、90°方向六向压力传感器、135°方向六向压力传感器、270°方向六向压力传感器分别与光缆13连接，注浆对拱顶钻孔、侧部钻孔、各个右侧钻孔和各个左侧钻孔进行封孔，光缆13与光纤光栅解调仪11相连接，解调仪3将监测过程输出的光信号解调，传输至计算机***4根据传感面弹性模量和泊松比及传感原理，将波长数据换算为应力数据，进而得各测点的三维应力状态。
各个0°方向六向压力传感器、45°方向六向压力传感器、90°方向六向压力传感器、135°方向六向压力传感器、270°方向六向压力传感器均为光纤光栅式六向压力传感器，由6个不同方向且互不平行的传感单元组成，传感单元内部结构由受力弹性形变的承载板、光纤光栅应变计、立柱组成。当承载板受到外荷载的作用时，产生弹性弯曲变形，使得紧固夹头张拉的光纤光栅应变计伸长，光纤光栅返回的波长信号将发生对应的变化，由此可建立应力与波长一一对应的关系，从而将波长数据转换为应力数据。
光纤光栅式六向压力传感器为球形，避免了传感器自身对应力传递产生的干扰和局部应力集中现象的产生，提高测试结果的准确程度。
在步骤1中，将各个六向压力传感器在对应的测点固定后，获取六向压力传感器相对于大地坐标系的埋设方位及倾向；通过步骤2即可得到每个测点的六向压力传感器的6个不同方向应力分量，根据六向压力传感器相对于大地坐标系的埋设方位及倾向，以及六向压力传感器的6个不同方向应力分量，得该测点的三维应力状态，三维应力状态包括x、y、z方向的正应力σx、σy、σz，以及剪应力τxy、τyz、τzx。
通过本发明建立实时监测***完成对数据的采集、传输和分析。在本发明，光纤光栅传感器是在隧道开挖之前埋设的，可以对施工期及运营期隧道围岩扰动应力进行实时监测。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于地铁盾构隧道围岩扰动应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选择隧道围岩应力监测断面，
在隧道断面的隧道拱顶正上方开设有垂直的拱顶钻孔，拱顶钻孔的底部延伸至隧道断面的隧道拱顶；
在隧道断面所在平面内且在隧道断面右侧两倍隧道直径范围内每隔2m开设有垂直的右侧钻孔；
在隧道断面所在平面内且在隧道断面左侧两倍隧道直径范围内每隔2m开设有垂直的左侧钻孔；
在隧道断面所在平面内，定义分布射线为以隧道断面的中心为原点的射线，
定义以隧道断面的中心到隧道断面的隧道拱顶的所在的分布射线为0°方向分布射线，设定顺时针方向为分布射线的角度增加方向，
在隧道断面所在平面内位于45°方向分布射线的隧道断面的外壁的正上方开设有垂直的侧部钻孔，侧部钻孔的底部延伸至位于45°方向分布射线的隧道断面的外壁；
在各个测点布设六向压力传感器，六向压力传感器包括0°方向六向压力传感器、45°方向六向压力传感器、90°方向六向压力传感器、135°方向六向压力传感器、270°方向六向压力传感器，
在0°方向分布射线上自隧道断面的外壁至地层交界处每隔2m的测点设置0°方向六向压力传感器，即在隧道断面的隧道拱顶正上方开设有垂直的钻孔内，自隧道断面的外部至地层交界处每隔2m的测点设置0°方向六向压力传感器，
45°方向分布射线与隧道断面的外壁、侧部钻孔、右侧钻孔相交的各个测点设置45°方向六向压力传感器，
90°方向分布射线与隧道断面的外壁、右侧钻孔相交的各个测点设置90°方向六向压力传感器，
135°方向分布射线与隧道断面的外壁、右侧钻孔相交的各个测点设置135°方向六向压力传感器，
270°方向分布射线与隧道断面的外壁、左侧钻孔相交的各个测点设置270°方向六向压力传感器，
步骤2、将各个六向压力传感器分别与光缆连接，注浆对拱顶钻孔、侧部钻孔、各个右侧钻孔和各个左侧钻孔进行封孔，光缆与光纤光栅解调仪相连接，获取各个六向压力传感器相对于大地坐标系的埋设方位及倾向，根据光纤光栅解调仪得到每个测点的六向压力传感器的6个不同方向应力分量，根据六向压力传感器相对于大地坐标系的埋设方位及倾向，以及六向压力传感器的6个不同方向应力分量，得该测点的三维应力状态，三维应力状态包括x、y、z方向的正应力σx、σy、σz，以及剪应力τxy、τyz、τzx。
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