[发明专利]岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩体工程单孔多点光纤光栅空心包体三维应力测试装置，该装置可广泛应用于水利水电、矿山、交通等工程的地下隧洞和边坡岩体开挖和运行过程的三维扰动应力测试。

背景技术

岩石工程所赋存的地质环境和应力条件复杂，大规模工程建设过程中发生的塌方、滑坡和岩爆灾害是影响影响工程施工安全和运行的最关键因素，工程失事常造成施工设备损坏和重大人员伤亡事故。这些灾害的发生首先反映在岩体中应力的变化，通过应力演化信息的现场直接获取和分析，可以有效实现灾害的预警和控制，因此，岩体应力原位测试成为岩石工程灾害研究的最重要内容之一。

岩体中的应力测试分为两类，一类是原岩中的地应力测试，测试工程岩体的自重和构造应力，成熟的测试方法有钻孔应力解除法、水压致裂法等；另一类是扰动应力测试，即测试工程开挖扰动和运行过程中岩体应力的变化情况。现有开挖扰动应力测试通常都是基于钻孔内放置传感器的测试技术，并让传感器通过介质与孔壁耦合，国内外在这方面已有的代表性技术有单向钻孔应力计、三向实心基体应力计、澳大利亚CSIRO三向空心包体应力计。中国专利公开号CN103398807A、CN103076128A、CN102095533A、CN102628716B，发明名称分别为：一种新型三维应力测量传感器、一种隧道三维应力场模拟装置、一种地质构造模拟实验中的三维应力测量装置、基于流变应力恢复原理的深部软岩地应力测试方法和装置，上述申请案公开了四种基于电法的三向应力测试装置。中国专利公开号CN102620870B、CN102175366A，发明名称分别为：一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器、一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法，上述申请案公开了两种基于光纤光栅技术的实心基体三维应力测试装置。经过综合分析和比较，上述公开的发明专利其缺陷在于：首先，单向钻孔应力计只能测试单个方向的岩体应力变化，而上述三向实心基体和澳大利亚CSIRO空心包体应力计均只能测试孔底或孔内单个测点的三向应力，未能实现对岩体中钻孔全长多点应力的测试；其次，现有通过电法或相关电信号的测试元件，其稳定性和抗干扰能力差，不适宜于水、酸碱腐蚀、岩体裂隙等复杂恶劣条件下的长期监测；再次，上述基于光纤光栅技术的实心基体三维应力测试装置，传感器测试的多个应力分量分别由多根光纤光栅完成，由于其本底基体为实心的立方体或圆柱体，高强度金属材料或混凝土使得该传感器对岩体应变响应的灵敏度较低，且应变计安装在立方体给定平面上的测试方法，只适合于软弱岩体中的测试，不能真实准确反映坚硬岩体在空间上所受围压的三维应力状态和方向。

二十世纪末发展起来的光纤光栅技术获得了广泛应用，光纤光栅是利用紫外曝光技术在光纤芯内形成的折射率的周期性分布结构，光纤光栅传感采用光波长编码，无源无电、耐腐蚀、抗地下水和电磁干扰，不受信号强弱和衰减的影响，并且信号传输距离远，容易组网，具有大规模、网络化、远程、长久监测的技术特点，给岩体工程三维应力及其分布测试提供了新的途径。

发明内容

针对上述存在的缺陷，本发明的目的在于基于单个测试钻孔，可靠、准确、长期获取岩体工程开挖和运行过程中的三维扰动应力分布及其随时间、空间的变化规律，提供单孔多点光纤光栅空心包体三维扰动应力测试装置，实现对塌方、滑坡和岩爆灾害前兆信息的有效获取，为工程灾害的预警和控制提供原位基础数据。

为了实现上述目的，其技术解决方案为：