專利名稱：裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力測量系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于工程測量技術領域，具體涉及一種隧道應力測量系統(tǒng)及方法，特別是一種裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道應力的測量系統(tǒng)及方法，其用于地下水位以下三趾馬紅土隧道施工過程中圍巖應力快速準確的測量。
背景技術：
受巖土體復雜性與多變性特征的影響，隧道圍巖的應力場及力學行為通常比較復雜，圍巖應力監(jiān)測是隧道施工中的一項十分重要的工作，它是監(jiān)視圍巖是否穩(wěn)定，判斷二襯時機選取是否得當、檢驗支護結構是否合理的依據(jù)。目前，《鐵路隧道施工規(guī)范》(TB10204—2002)中對于隧道圍巖應力的監(jiān)控量測僅僅涉及圍巖壓力，而未考慮到地下水的孔隙水壓力影響。根據(jù)太沙基有效應力原理，土的總應力包含孔隙水壓力與有效應力兩部分，大多數(shù)隧道埋深位于地下水位以上，規(guī)范法監(jiān)測基本可以滿足施工要求。然而，對于埋深位于地下水位以下的特殊土隧道，如三趾馬紅土隧道則并不一定適用。研究表明，三趾馬紅土節(jié)理、裂隙發(fā)育，隧道的開挖勢必引起隧道圍巖的松動，裂隙進一步加大，地下水沿著節(jié)理、裂隙流動，致使圍巖應力場、滲流場發(fā)生變化而重新分布。在應力場和滲流場兩者的相互作用下，圍巖極易產(chǎn)生過大的變形，甚至出現(xiàn)坍塌等嚴重事故。由此可見，孔隙水壓力對三趾馬紅土總應力的影響是不容忽視的。因此，研究一種能夠自動、快速、連續(xù)準確測量裂隙水影響下三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量方法及裝置是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量系統(tǒng)及方法，該方法能夠快速、連續(xù)地準確測量隧道施工過程中孔隙水壓力對圍巖總應力的影響程度，從而能夠及時準確地反饋施工過程中存在的問題，以便實時調(diào)整施工設計方案。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案予以解決一種裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量系統(tǒng)，包括信號放大器、數(shù)據(jù)采集器、上位機、電源和8個傳感器組；其中，每個所述傳感器組由一個電阻式土壓力盒和一個孔隙水壓力傳感器組成，每個電阻式土壓力盒和每個孔隙水壓力傳感器的輸出端均通過信號放大器連接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器輸出端連接上位機；所述電源連接數(shù)據(jù)采集器、信號放大器、電阻式土壓力盒和孔隙水壓力傳感器為其供電；所述8個傳感器組分別安裝在三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位；由所述8個傳感器組的電阻式土壓力盒和一個孔隙水壓力傳感器實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)信號放大器發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器按一定頻率采集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到上位機，由上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。進一步的，所述電阻式土壓力盒包括鐵盒體、電阻應變片、接線板和頂蓋，鐵盒體底面鍍鋅作為受力膜，鐵盒體內(nèi)固定有電阻應變片組成的橋式電路和接線板，電阻應變片組成的橋式電路緊貼鐵盒體內(nèi)底面，所述接線板位于電阻應變片組成的橋式電路的上方；電阻應變片組成的橋式電路通過接線板由信號線引出鐵盒體，在鐵盒體頂部安裝有頂蓋。一種利用上述測量裝置進行裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量的方法，具體包括如下步驟:1)測量系統(tǒng)的組裝:包括傳感器組的焊接、電源的連接、信號放大器的安裝、信號線的連接及其與數(shù)據(jù)采集器的匹配。2)傳感器的標定:分別對電阻式土壓力盒、孔隙水壓力傳感器進行標定，得到電阻式土壓力盒標定曲線和孔隙水壓力傳感器標定曲線；3)傳感器的埋設:采用盲管引線法，將8個傳感器組分別固定到三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的8個監(jiān)測點上，8個監(jiān)測點分別位于拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位；按順序從拱頂向兩側逐步挖土洞進行埋設，埋設過程中注意土壓力盒的方向，保證土壓力盒的受力膜I與洞身徑向垂直，埋深30cm-50cm，然后用土回填土洞并夯實；4)數(shù)據(jù)采集:在測量開始前啟動數(shù)據(jù)采集器，記錄保存每個傳感器組的初始信號并發(fā)送給上位機；測量開始，各傳感器組的讀數(shù)隨著土壓力的變化而改變，電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器分別實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，并實時向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出信號，數(shù)據(jù)采集器以一定的頻率采集并記錄接收到的信號，測量過程中共采集η次，并實時將采集到的信號發(fā)送給上位機；5)數(shù)據(jù)處理:上位機通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的信號得到電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器的初值，也即測量開始前各監(jiān)測點的初始圍巖應力及孔隙水壓力；對每個傳感器組的標定曲線進行重新擬合得到擬合標定曲線及對應的擬合公式；由標定擬合公式得知電阻式土壓力盒的標定系數(shù)ξ和孔隙水壓力傳感器的標定系數(shù)Π ;由式5計算得到圍巖總應力σ:σ =VX ξ (式 5)式中，σ—圍巖總應力；V—輸出電壓值；ξ—標定系數(shù)；由式6計算得到孔隙水壓力u:u=v X η (式 6)式中，u—孔隙水壓力；ν—輸出電壓值；Π—標定系數(shù)；將某一時刻h采集的WBX系列電阻式土壓力盒的輸出值V代入式5，得到該時刻圍巖的總應力σ i，按照同樣的方式對每次采集的1#BX系列電阻式土壓力盒的輸出值V進行處理，共得到n組數(shù)據(jù):(01，^，(σ2, t2),……，(on，tn);其中，n表示試驗期內(nèi)的采集次數(shù)；以圍巖總應力σ為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標系，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為σ — t時態(tài)曲線；同理，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為u— t時態(tài)曲線，即孔隙水壓力時態(tài)曲線；將每個采集時刻所得到的圍巖總應力σ減去孔隙水壓力u得到該時刻的有效應力σ e,以有效應力σ e為縱軸，以時間t為橫軸，得到有效應力σ 時態(tài)曲線；至此，得到由1#傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線；同理，得到由其余7個傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線。 進一步的，所述數(shù)據(jù)采集器在試驗期內(nèi)以IOmin/次的采集頻率采集并記錄每個傳感器的輸出信號。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
(I)本發(fā)明的測量裝置和方法將孔隙水壓力納入了監(jiān)測內(nèi)容，全面考慮裂隙水對隧道圍巖應力的影響，彌補了現(xiàn)有技術中未考慮裂隙水影響所引起的測量結果不準確的缺陷，更加符合工程實際，且能夠根據(jù)實時檢測結果及時準確地調(diào)整后期施工方案。(2)采用多個高精度土壓力、孔隙水壓力監(jiān)測元件，將它們埋設在位置固定的拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位的監(jiān)測點上，全方位地覆蓋檢測區(qū)域，且準確監(jiān)測目標點的圍巖應力、孔隙水壓力。(3)采集速度快，采樣速度可達5000次/S，可連續(xù)地反饋裂隙水影響下三趾馬紅土隧道圍巖應力、孔隙水壓力變化規(guī)律，為實時調(diào)整施工方案提供依據(jù)。( 4)本發(fā)明的裝置結構簡單，操作簡單，安裝、使用方便。


圖1是本發(fā)明的測量系統(tǒng)的連接框圖。圖2是電阻式土壓力盒的結構示意圖。圖3是監(jiān)測元件布設圖。圖4是本發(fā)明的實施例的一個電阻式土壓力盒的標定及擬合標定曲線。圖5是本發(fā)明的實施例中一個孔隙水壓力傳感器的標定及擬合標定曲線。圖6是本發(fā)明的實施例中圍巖應力時態(tài)曲線。圖7是本發(fā)明的實施例中孔隙水壓力時態(tài)曲線。圖8是本發(fā)明的實施案例中有效應力時態(tài)曲線。圖中標號1、受力膜，2、電阻應變片，3、接線板，4、信號線，5、頂蓋，6、鐵盒體。以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步解釋說明。
具體實施例方式如圖1-圖3所示，本發(fā)明的裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量系統(tǒng)，包括信號放大器、數(shù)據(jù)采集器、上位機、電源和8個傳感器組；其中，每個所述傳感器組由一個電阻式土壓力盒和一個孔隙水壓力傳感器組成，每個電阻式土壓力盒和每個孔隙水壓力傳感器的輸出端均通過信號放大器連接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器輸出端連接上位機；所述電源連接數(shù)據(jù)采集器、信號放大器、電阻式土壓力盒和孔隙水壓力傳感器為其供電。所述8個傳感器組分別安裝在三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位。如圖3所示，所述電阻式土壓力盒包括鐵盒體6、電阻應變片2、接線板3和頂蓋5，鐵盒體6底面鍍鋅作為受力膜1，鐵盒體6內(nèi)固定有電阻應變片2組成的橋式電路和接線板3，電阻應變片2組成的橋式電路緊貼鐵盒體6內(nèi)底面，所述接線板3位于電阻應變片2組成的橋式電路的上方。電阻應變片2組成的橋式電路通過接線板3由信號線4引出鐵盒體6，為了保證施工過程中電阻式土壓力盒的安全，在鐵盒體6頂部安裝有頂蓋5。數(shù)據(jù)采集器采用阿爾泰公司生產(chǎn)的USB2852數(shù)據(jù)采集器，用于實時、連續(xù)的采集傳感器組的輸出信號并進行記錄。本發(fā)明的裂隙水影響下三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量方法，具體包括如下步驟
1、測量系統(tǒng)的組裝測量系統(tǒng)由人工組裝，包括傳感器組的焊接、電源模塊的組裝、信號放大器的安裝、信號線的連接及其與數(shù)據(jù)采集器的匹配。2、傳感器的標定分別對電阻式土壓力盒、孔隙水壓力傳感器進行標定，得到電阻式土壓力盒標定曲線和孔隙水壓力傳感器標定曲線；3、傳感器的埋設如圖2所示，采用盲管引線法，將8個傳感器組分別固定到三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的8個監(jiān)測點上，8個監(jiān)測點分別位于拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位。按順序從拱頂向兩側逐步挖土洞進行埋設，埋設過程中注意土壓力盒的方向，保證土壓力盒的受力膜I與洞身徑向垂直，埋深30cm-50cm，然后用土回填土洞并夯實。4、數(shù)據(jù)采集在測量開始前啟動數(shù)據(jù)采集器，記錄保存每個傳感器組的初始信號并發(fā)送給上位機；測量開始，各傳感器組的讀數(shù)隨著土壓力的變化而改變，電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器分別實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，并實時向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出信號，數(shù)據(jù)采集器以一定的頻率采集并記錄接收到的信號，測量過程中共采集η次，并實時將采集到的信號發(fā)送給上位機。5、數(shù)據(jù)處理上位機通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的信號得到電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器的初值，也即測量開始前各監(jiān)測點的初始圍巖應力及孔隙水壓力。電阻式土壓力盒和孔隙水壓力傳感器的輸出信號與壓力呈較好的線性關`系，為提高監(jiān)測精度，對標定曲線進行重新擬合得到擬合標定曲線及對應的擬合公式。由標定擬合公式得知電阻式土壓力盒的標定系數(shù)ξ和孔隙水壓力傳感器的標定系數(shù)Π ;由式5計算得到圍巖總應力σ:σ =VX ξ (式 5)式中，σ—圍巖總應力；V—輸出電壓值；ξ—標定系數(shù)。由式6計算得到孔隙水壓力u:u=v X η (式 6)式中，u—孔隙水壓力；ν—輸出電壓值；Π—標定系數(shù)。將某一時刻h采集的WBX系列電阻式土壓力盒的輸出值V代入式5，得到該時刻圍巖的總應力σ i，按照同樣的方式對每次采集的1#BX系列電阻式土壓力盒的輸出值V進行處理，共得到n組數(shù)據(jù):(01，^，(σ2, t2),……，(on，tn);其中，n表示試驗期內(nèi)的采集次數(shù)；以圍巖總應力σ為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標系，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為σ —t時態(tài)曲線，即圍巖應力時態(tài)曲線。同理，將時刻&采集的1#孔隙水壓力傳感器的輸出值V代入式6，得到該時刻的孔隙水壓力U1,按照同樣的方式對每次采集的1#孔隙水壓力傳感器的輸出值V進行處理，也得到n組數(shù)據(jù):(U1, ti), (u2, t2),....., (un, tn);其中，n表示試驗期內(nèi)的采集次數(shù)；以孔隙水壓力u為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標系，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為u—t時態(tài)曲線，即孔隙水壓力時態(tài)曲線。
按照有效應力原理:σ e= σ -U，將每個時刻所得到的圍巖總應力σ減去孔隙水壓力u得到該時刻的有效應力σ e,以有效應力σ e為縱軸，以時間t為橫軸，可得有效應力
時態(tài)曲線，即有效應力時態(tài)曲線。至此，得到由1#傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線。同理，得到由其余7個傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線。實施例1:為了實時監(jiān)測三趾馬紅土隧道施工過程中孔隙水壓力對圍巖應力的影響程度，反饋施工過程中可能存在的問題，以及時調(diào)整施工方案提供理論依據(jù)，在某三趾馬紅土隧道施工現(xiàn)場進行了實時動態(tài)監(jiān)測?？紤]到三趾馬紅土裂隙發(fā)育且隧道埋深于地下水位以下，裂隙水對該隧道圍巖穩(wěn)定性影響程度是不容忽視的，而現(xiàn)行的《鐵路隧道施工規(guī)范》(TB10204— 2002)中并沒有涉及孔隙水壓力的監(jiān)測項目，不能滿足施工要求。因此，為了彌補缺失孔隙水壓力的監(jiān)測的不足，本實施例采用本發(fā)明的測量系統(tǒng)及方法進行實時動態(tài)監(jiān)測，其中，傳感器組選用丹東市電子儀器廠生產(chǎn)的BX系列電阻式土壓力盒和BX系列孔隙水壓力傳感器。具體過程如下:1、測量系統(tǒng)的組裝首先進行各個傳感器的焊接，將電阻式土壓力盒焊接牢固，將其輸入線(正極:紅線；負極:綠線)和輸出線(正極:藍線；負極:黃線)與引線用錫焊焊接牢固；另外，將孔隙水壓力傳感器的輸入線(正極:紅線；負極:黑線)和輸出線(正極:藍線；負極:黃線)與引線用焊錫焊接牢固。然后進行電源模塊的組裝，為了使監(jiān)測結果更加精確，加入了信號放大器，將原有信號放大500倍，用以監(jiān)測施工過程中圍巖應力及孔隙水壓力產(chǎn)生的微變化。最后，將各信號線與數(shù)據(jù)采集器進行匹配優(yōu)化。2、傳感器的標定對BX系列電阻式土壓力盒、BX系列孔隙水壓力傳感器分別進行標定。由于監(jiān)測系統(tǒng)受人工組裝和施工現(xiàn)場影響比較大，人工操作可能產(chǎn)生誤差，在此次測量中對每個土壓力盒和每個傳感器進行單獨標定，分別得到BX系列電阻式土壓力盒標定曲線(見圖4)、BX系列孔隙水壓力傳感器標定曲線(見圖5)；3、傳感器的埋設在三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面拱頂、拱腰、邊墻、拱腳和仰拱等需要監(jiān)測的部位均布設有監(jiān)測點，根據(jù)監(jiān)測需要共布置1# 8#這8個監(jiān)測點，如圖2所示，電阻式土壓力盒標號:T1-T8 ;孔隙水壓力傳感器標號:Κ1-Κ8。對每一個監(jiān)測點應分別配置BX電阻式土壓力盒和孔隙水壓力傳感器組合。為保證施工過程中引線不被破壞，用盲管將引線包裹，將BX系列電阻式土壓力盒和BX孔隙水壓力傳感器組合固定到相應的監(jiān)測點。施工時按順序從拱頂向兩側逐步埋設傳感器，埋設過程中注意土壓力盒的方向，保證受力面與洞身徑向垂直，最后用土回填土洞并夯實。4、數(shù)據(jù)采集在測量開始前啟動數(shù)據(jù)采集器，記錄保存每個傳感器的初始信號并發(fā)送給上位機；測量開始后，各土壓力盒和各傳感器讀數(shù)會隨著土壓力的變化而改變，BX系列電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器分別發(fā)出信號，數(shù)據(jù)采集器以IOmin/次的采集頻率采集并記錄每個傳感器的輸出信號，并將采集到的信號實時發(fā)送給上位機，試驗完畢共采集η次。
5、數(shù)據(jù)處理從步驟2得到的標定曲線看出，BX系列電阻式土壓力盒和孔隙水壓力傳感器的輸出信號與壓力呈較好的線性關系，為提高監(jiān)測精度，對步驟2得到的兩個標定曲線進行重新擬合，得到如圖4 圖5的兩條擬合標定曲線及對應的擬合公式。此處僅以1#傳感器組為例進行說明，其他傳感器組標定與該傳感器組方式一致。1#ΒΧ系列電阻式土壓力盒的標定擬合公式:y = 0.3497x, R2 = I (式 3)1#BX系列孔隙水壓力傳感器的標定擬合公式:y = 6Χ1(Γ6χ+0.0013，R2 = 0.9912 (式 4)其中:χ為土壓力盒或者傳感器信號值，單位:mv ；y為壓力值，單位:MPa ；R為相關系數(shù)。由標定擬合公式知，WBX系列電阻式土壓力盒的標定系數(shù)ξ !=0.3497，孔隙水壓力傳感器的標定系數(shù)ηρθχιο6。電阻式土壓力盒的工作原理是將 應變片4組成的橋式電路反應出的應變轉(zhuǎn)化為電阻的變化并以電壓的形式輸出。土壓力的計算公式:σ =VX ξ (式 5)式中，σ-總應力；V輸出電壓值；ξ標定系數(shù)?？紫端畨毫鞲衅饕噪妷盒盘栞敵觯紫端畨毫τ嬎愎?U=VX η(式 6)式中，U-孔隙水壓力；ν-輸出電壓值；η標定系數(shù)。將&時刻1#BX系列電阻式土壓力盒的輸出值V代入式5，得到該時刻圍巖的總應力σ i，按照同樣的方式對每次采集的土壓力盒的輸出值V進行處理，共得到n組數(shù)據(jù):(Opt1), (o2, t2),.....，(ση，tn);其中，n表示試驗期內(nèi)的采集次數(shù)；以圍巖總應力σ為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標系，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為σ —t時態(tài)曲線，即圍巖應力時態(tài)曲線。同理，將&時刻1#孔隙水壓力傳感器的輸出值V代入式6，得到該時刻的孔隙水壓力U1，按照同樣的方式對每次采集的孔隙水壓力傳感器的輸出值V進行處理，也得到n組數(shù)據(jù):(U1, t)，(u2, t2)，.....，(un, tn);其中，n表示試驗期內(nèi)的采集次數(shù)；以孔隙水壓力u為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標系，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為u— t時態(tài)曲線，即孔隙水壓力時態(tài)曲線。按照有效應力原理:σ e= σ -U，將每個時刻所得到的圍巖總應力σ減去孔隙水壓力u得到該時刻的有效應力σ e,以有效應力σ e為縱軸，以時間t為橫軸，可得有效應力
時態(tài)曲線，即有效應力時態(tài)曲線。至此，得到由1#傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線。同理得到由其余7個傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線。按照本發(fā)明的技術方案，本次三趾馬紅土隧道施工過程中圍巖應力監(jiān)測共持續(xù)60天(2011年6月10日一2011年8月10日)，采集頻率為IOmin/次，部分監(jiān)測點的監(jiān)測結果見圖6 圖7，圖中Tl T4代表1# 4#監(jiān)測點的圍巖σ — t時態(tài)曲線，Kl K4代表1# 4#監(jiān)測點的u— t時態(tài)曲線，通道I 通道4代表1# 4#監(jiān)測點的有效應力σ e—t時態(tài)曲線(見圖8)。由各監(jiān)測點的圍巖總應力和孔隙水壓力可以看出，使用本發(fā)明的測量方法和系統(tǒng)能夠測量得到裂隙水影響下三趾馬紅土隧道孔隙水壓力對總應力的影響程度(由曲線看出，最大值約為5%)，這是現(xiàn)行鐵路規(guī)范及其他工程測量方法及裝置無法完成的。通過實例驗證，本發(fā)明的方法可行，且測量結果準確、精度較高，能夠為后期實時調(diào)整施工方案提供依據(jù)。
權利要求
1.一種裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量系統(tǒng)，其特征在于，包括信號放大器、數(shù)據(jù)采集器、上位機、電源和8個傳感器組；其中，每個所述傳感器組由一個電阻式土壓力盒和一個孔隙水壓力傳感器組成，每個電阻式土壓力盒和每個孔隙水壓力傳感器的輸出端均通過信號放大器連接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器輸出端連接上位機；所述電源連接數(shù)據(jù)采集器、信號放大器、電阻式土壓力盒和孔隙水壓力傳感器為其供電；所述8個傳感器組分別安裝在三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位； 由所述8個傳感器組的電阻式土壓力盒和一個孔隙水壓力傳感器實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)信號放大器發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器按一定頻率采集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到上位機，由上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。
2.如權利要求1所述的裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述電阻式土壓力盒包括鐵盒體(6)、電阻應變片(2)、接線板(3)和頂蓋(5)，鐵盒體(6)底面鍍鋅作為受力膜(1)，鐵盒體(6)內(nèi)固定有電阻應變片(2)組成的橋式電路和接線板(3)，電阻應變片(2)組成的橋式電路緊貼鐵盒體(6)內(nèi)底面，所述接線板(3)位于電阻應變片(2)組成的橋式電路的上方；電阻應變片(2)組成的橋式電路通過接線板(3)由信號線(4)引出鐵盒體(6)，在鐵盒體(6)頂部安裝有頂蓋(5)。
3.一種利用權利要求1所述的測量裝置進行裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量的方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 1)測量系統(tǒng)的組裝:包括傳感器組的焊接、電源模塊的組裝、信號放大器的安裝、信號線的連接及其與數(shù)據(jù)采集器的匹配。
2)傳感器的標定:分別對電阻式土壓力盒、孔隙水壓力傳感器進行標定，得到電阻式土壓力盒標定曲線和孔隙水壓力傳感器標定曲線； 3)傳感器的埋設:采用盲管引線法，將8個傳感器組分別固定到三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的8個監(jiān)測點上，8個監(jiān)測點分別位于拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位；按順序從拱頂向兩側逐步挖土洞進行埋設，埋設過程中注意土壓力盒的方向，保證土壓力盒的受力膜I與洞身徑向垂直，埋深30cm-50cm，然后用土回填土洞并夯實； 4)數(shù)據(jù)采集:在測量開始前啟動數(shù)據(jù)采集器，記錄保存每個傳感器組的初始信號并發(fā)送給上位機；測量開始，各傳感器組的讀數(shù)隨著土壓力的變化而改變，電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器分別實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，并實時向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出信號，數(shù)據(jù)采集器以一定的頻率采集并記錄接收到的信號，測量過程中共采集η次，并實時將采集到的信號發(fā)送給上位機； 5)數(shù)據(jù)處理:上位機通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的信號得到電阻式土壓力盒及孔隙水壓力傳感器的初值，也即測量開始前各監(jiān)測點的初始圍巖應力及孔隙水壓力；對每個傳感器組的標定曲線進行重新擬合得到擬合標定曲線及對應的擬合公式；由標定擬合公式得知電阻式土壓力盒的標定系數(shù)I和孔隙水壓力傳感器的標定系數(shù)H ; 由式5計算得到圍巖總應力σ: σ =VX ξ (式 5) 式中，σ 一圍巖總應力；V—輸出電壓值；ξ—標定系數(shù)； 由式6計算得到孔隙水壓力u:u=v X η (式 6) 式中，u一孔隙水壓力；ν—輸出電壓值；η—標定系數(shù)； 將某一時刻采集的1#BX系列電阻式土壓力盒的輸出值V代入式5，得到該時刻圍巖的總應力O1，按照同樣的方式對每次采集的1#BX系列電阻式土壓力盒的輸出值V進行處理，共得到n組數(shù)據(jù)=(Opt1), (02,t2),……，(on，tn);其中，n表示試驗期內(nèi)的采集次數(shù)；以圍巖總應力σ為縱軸，以時間t為橫軸建立坐標系，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為σ — t時態(tài)曲線；同理，得到的n組數(shù)據(jù)在該坐標系中表示為u— t時態(tài)曲線，即孔隙水壓力時態(tài)曲線；將每個采集時刻所得到的圍巖總應力σ減去孔隙水壓力u得到該時刻的有效應力σ e,以有效應力σ e為縱軸，以時間t為橫軸，得到有效應力σ 時態(tài)曲線；至此，得到由1#傳感器組采集的數(shù)據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線；同理，得到由其余7個傳感器組采集的數(shù) 據(jù)處理得到的有效應力時態(tài)曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種裂隙水影響下的三趾馬紅土隧道圍巖應力的測量系統(tǒng)及方法，包括信號放大器、數(shù)據(jù)采集器、上位機、電源和8個傳感器組；傳感器組通過信號放大器連接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器連接上位機；所述8個傳感器組分別安裝在三趾馬紅土隧道監(jiān)測斷面的拱頂、拱腰兩側、邊墻兩側、拱腳兩側和仰拱部位；由傳感器組器實時采集土壓力和水壓力數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)信號放大器發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器按一定頻率采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機，由上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。本發(fā)明能夠快速、連續(xù)地準確測量三趾馬紅土隧道施工過程中孔隙水壓力對圍巖總應力的影響程度，及時反饋施工過程中存在的問題，實時調(diào)整施工設計方案。
文檔編號G01L1/22GK103075195SQ20121059087
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權日2012年12月28日
發(fā)明者王家鼎, 谷天峰, 王建斌, 趙金剛, 李家棟 申請人:西北大學