本發(fā)明涉及一種隧道、基坑和邊坡工程的基于錨桿的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法，具體涉及基于長標(biāo)距光纖光柵的多功能智能錨桿的圍巖監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

新奧地利隧道施工方法(簡稱新奧法)是奧地利學(xué)者拉布西維茲(L.V.RABCEWICZ)教授于50年代提出的，它是以隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，在實(shí)踐基礎(chǔ)上開展起來的一種修建隧道工程的新理論與新概念。新奧法將錨桿和噴射混凝土組合在一起，作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)過一些國家的許多實(shí)踐和理論研究，于60年代取得專利權(quán)并正式命名。之后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國和日本等許多地下工程中獲得極為迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)標(biāo)志之一。六十年代新奧法被介紹到我國，七十年代末八十年代初得到迅速發(fā)展。至今，可以說在所有重點(diǎn)難點(diǎn)的地下工程中都離不開新奧法，它幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修筑隧道的一種基本方法。

新奧法隧道開挖的核心是要及時(shí)支護(hù)并勤于測量，對于支護(hù)系統(tǒng)中錨桿在圍巖中的受力、承載能力、以及可能的損傷等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)或定期監(jiān)測，從而對于圍巖的支護(hù)情況、穩(wěn)定情況等作出判斷非常重要，且已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域的重要課題。但錨桿的測試對圍巖的位移、特別是隧道開挖施工階段的收斂監(jiān)測等方面，并不能做出有益的幫助。對于圍巖的變形收斂監(jiān)測，目前國內(nèi)外普遍采用的有基于鋼尺收斂計(jì)的測試、水準(zhǔn)儀測試、以及全站儀測試等。這些方法一直是隧道斷面收斂的常用方法，但在實(shí)際應(yīng)用中還是存在著需要人工量測，隨機(jī)誤差比較大，因環(huán)境惡劣而操作困難，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測等缺點(diǎn)。

近年來發(fā)展起來的光纖光柵技術(shù)，由于其精度高，應(yīng)變測量能達(dá)到1με，而且封裝后能防水，耐腐蝕，長期性能比較好，不僅能傳感，而且也能用于傳輸數(shù)據(jù)，利于組網(wǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。東南大學(xué)更開發(fā)出了長標(biāo)距光纖光柵的制作和測試技術(shù)，可以測得某一標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變，避免了結(jié)構(gòu)或者傳感器的安裝等引起的局部應(yīng)力集中而造成失真情況，另外，通過連續(xù)的應(yīng)變，還能測算出其宏觀的位移。這為我們對隧道監(jiān)測提供了一種新的思路。

對于隧道開挖對周圍巖層的影響可知，比較明顯的巖層變形和位移的產(chǎn)生主要是在開挖斷面周邊附近的巖層，隨著距離的增加，其位移影響迅速減小，因此在稍遠(yuǎn)處的地方，圍巖由于開挖而產(chǎn)生的位移相對于近處圍巖相比不僅絕對位移量且其收斂速度變化率都非常小，因此在總體的位移中占得比較非常小。因此在非軟弱巖層的隧道開挖，我們可近似認(rèn)為離開挖面遠(yuǎn)的巖層穩(wěn)定，近似為固定端。本發(fā)明通過將錨桿與穩(wěn)定巖層錨固后與巖層融為一體，因此其遠(yuǎn)端可近似認(rèn)為固定于不動(dòng)的巖層上，亦即近似為固定端，通過錨桿內(nèi)長標(biāo)距光纖光柵傳感器的測量，獲取沿錨桿全長的分布應(yīng)變，從而得到錨桿總的變形量，也就是開挖面圍巖的變形和收斂量及其速率。

本發(fā)明提出了對新奧法隧道開挖斷面監(jiān)測的新的工藝手法，通過在圍巖垂直于其拱形斷面布置智能錨桿，不僅可測試錨桿在巖層不同深度處的應(yīng)力、應(yīng)變和損傷情況，同時(shí)也可得出斷面變形及收斂情況，實(shí)現(xiàn)新奧法施工階段的監(jiān)測，同時(shí)在進(jìn)入隧道運(yùn)行期后，也能繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，實(shí)行持續(xù)的監(jiān)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供基于多功能智能錨桿的隧道圍巖監(jiān)測方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種多功能智能錨桿，包括無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器、光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器、環(huán)氧樹脂或植筋膠、鎧裝光纜和軟塑料套管；

所述無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器安裝在錨桿沿縱向所開的小槽內(nèi)，并通過環(huán)氧樹脂或植筋膠封裝；

所述無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器包括多個(gè)依次串聯(lián)的長標(biāo)距光纖光柵傳感單元，所述長標(biāo)距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內(nèi)的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段；

所述光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器包括套管、封裝在套管內(nèi)的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉；

所述無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器分別與鎧裝光纜連接，從錨桿內(nèi)引出，所述鎧裝光纜穿于軟塑料套管之中。

基于一種多功能智能錨桿的隧道圍巖監(jiān)測方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)隧道所處位置的地質(zhì)狀況、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、周圍環(huán)境和易損性等分析資料，選定需要監(jiān)測的斷面進(jìn)行監(jiān)測；在每個(gè)斷面，可選擇頂部(約90度方向)、兩腰(約45度和135度方向)及兩底(約0度和180度方向)這5個(gè)典型部位進(jìn)行監(jiān)測。

(2)布設(shè)于隧道不同位置的錨桿，通過引出的鎧裝光纜，匯集到光纖光柵解調(diào)儀，形成監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)。一般來說，同一根錨桿內(nèi)的光柵(包括無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和溫度補(bǔ)償輔助傳感器所含的光柵)將輸送到同一個(gè)通道，光纖光柵解調(diào)儀的每個(gè)通道一般可根據(jù)其連接光柵數(shù)量的能力，用耦合器同時(shí)連接多根錨桿，但每個(gè)通道內(nèi)不能有波長相同或非常接近的光柵。光纖光柵解調(diào)儀每個(gè)通道連接智能錨桿和光柵的數(shù)量主要由光纖光柵解調(diào)儀的波長范圍、光柵之間所需要的波長間距、連接產(chǎn)生的光損等幾個(gè)方面進(jìn)行考慮確定。

(3)連接各錨桿的光纖光柵解調(diào)儀與控制電腦相連，并通過監(jiān)測系統(tǒng)軟件，構(gòu)建圍巖監(jiān)測系統(tǒng)。各錨桿用于圍巖狀態(tài)的傳感感知，光纖光柵解調(diào)儀用于數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測軟件系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、圍巖狀態(tài)的評估和預(yù)警功能。

(4)各錨桿中的長標(biāo)距多光柵傳感器在各自標(biāo)距內(nèi)的長標(biāo)距波長讀數(shù)應(yīng)該由對應(yīng)的多點(diǎn)溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行相應(yīng)位置的精確溫度補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)化為標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變值，獲取沿錨桿縱向方位的應(yīng)變分布；

(5)圍巖監(jiān)測先根據(jù)錨桿的不同深度位置的應(yīng)變分布，可根據(jù)錨桿的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，求出沿錨桿的應(yīng)力分布，繼而獲得不同深度的圍巖壓力特征；同時(shí)，基于錨桿的應(yīng)變分布可求出在每個(gè)標(biāo)距內(nèi)的變形量，得到沿錨桿縱向不同深度區(qū)段內(nèi)的變形量的分布情況，并進(jìn)一步求出圍巖開挖面的總變形量，在此基礎(chǔ)上，通過變形量在時(shí)間軸上的變化，求出圍巖的收斂速率，判斷圍巖變形穩(wěn)定情況。錨桿的損傷則可根據(jù)錨桿的分布應(yīng)力/應(yīng)變最大值是否達(dá)到屈服點(diǎn)來進(jìn)行判斷。這樣即可獲得圍巖在不同深度的圍巖壓力特征、圍巖變形和收斂情況及錨桿的損傷情況。

(6)本圍巖監(jiān)測方法采用持續(xù)不間斷地實(shí)時(shí)監(jiān)測，或采用有一定時(shí)間間隔的持續(xù)性監(jiān)測，可以獲得圍巖壓力、變形的實(shí)時(shí)連續(xù)變化特征以及收斂速率，本方法可作為隧道在施工期和運(yùn)營期定期檢測的方法。

作為優(yōu)選，如采用有一定時(shí)間間隔的持續(xù)性監(jiān)測，則按照下面方法進(jìn)行：

施工期監(jiān)測：

監(jiān)測內(nèi)容：隧道圍巖壓力、圍巖變形、圍巖變形收斂速率

監(jiān)測時(shí)間：爆破后24小時(shí)內(nèi)開始進(jìn)行，按監(jiān)控量測斷面距開挖面距離；

(0～1)B:1～2次/天；(1～2)B:1次/天；(2～5)B：2次/天；>5B：

1次/周；(注：B為隧道開挖寬度)

運(yùn)營期監(jiān)測：

監(jiān)測內(nèi)容：隧道圍巖壓力、圍巖變形

監(jiān)測時(shí)間：1次/周或按要求監(jiān)測頻率。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明所用的智能錨桿原理簡單可靠，測試方法新穎巧妙。本發(fā)明主要是利用安裝在智能錨桿上的光纖光柵傳感器測量其在標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變，根據(jù)智能錨桿沿長度方向的應(yīng)變分布，可以得到錨桿的某一標(biāo)距范圍乃至全長的伸長(壓縮)量；

(2)本發(fā)明的長標(biāo)距光纖光柵傳感器由多個(gè)串聯(lián)的長標(biāo)距光纖光柵傳感單元組成，能測量不同深度的錨桿的應(yīng)變和軸力情況，因此可以監(jiān)測到不同深度和位置的圍巖的內(nèi)部受力狀況；

(3)本發(fā)明的圍巖變形及收斂監(jiān)測方法巧妙，原理簡單，將較長的錨桿垂直斷面錨固于較遠(yuǎn)的可近似認(rèn)為不動(dòng)的巖層，則近端的錨桿變形量就是斷面表層圍巖的變形總量，因此可通過錨桿應(yīng)變的監(jiān)測，來達(dá)到圍巖變形和收斂的監(jiān)測的目的；

(4)本發(fā)明的圍巖監(jiān)測，可通過將鎧裝光纜引線引至設(shè)置于安全位置的光纖光柵采集儀，由程序控制自動(dòng)采集和分析；

(5)本發(fā)明所用的智能錨桿制作工藝簡單，造價(jià)相比較為低廉，布設(shè)方便。智能錨桿在隧道內(nèi)的布設(shè)，既可以用作監(jiān)測，也可以作為受力桿件，起到加固支護(hù)作用，有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益；

(6)由于本發(fā)明所用智能錨桿內(nèi)的長標(biāo)距光纖光柵傳感器采用了復(fù)合材料和環(huán)氧樹脂封裝，其耐水防銹、耐腐蝕等性能優(yōu)越，且不怕電磁屏蔽和干擾，與錨桿一體化封裝以后更是能適用于環(huán)境侵蝕，具有很好的耐久性和廣泛的適用性；

(7)本發(fā)明的測試精度高，其應(yīng)變測試精度可達(dá)1με，甚至更??；

(8)本發(fā)明可對斷面的頂面、兩腰及兩邊底部等多個(gè)位置的錨桿同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，也可按照具體的監(jiān)測需求，在多個(gè)位置植入智能錨桿，實(shí)現(xiàn)一個(gè)區(qū)域的整體監(jiān)測。

(9)本發(fā)明的監(jiān)測方法，既適用于隧道的施工監(jiān)測，也適用于隧道的運(yùn)營期監(jiān)測。監(jiān)測的手段可進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測，也可采用有一定時(shí)間間隔的持續(xù)性監(jiān)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的多功能智能錨桿構(gòu)造示意圖；

圖2為圖1的縱向剖視圖；

圖3為圖1的橫向剖視圖；

圖4為本發(fā)明無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器構(gòu)造示意圖；

圖5為本發(fā)明光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器構(gòu)造示意圖；

圖6和7為本發(fā)明的多功能智能錨桿安裝布設(shè)示意圖；

圖8為本發(fā)明的隧道圍巖監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；

圖9為基于長標(biāo)距應(yīng)變分布的位移量計(jì)算示意圖；

圖10為隧道圍巖位移量隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線示意圖；

圖11為圍巖收斂速率示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1-5所示，一種基于長標(biāo)距光纖光柵的多功能智能錨桿，包括無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器1、光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器2、環(huán)氧樹脂或植筋膠3、鎧裝光纜4和軟塑料套管5；

所述無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器1和光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器2安裝在錨桿6沿縱向所開的小槽內(nèi)，并通過環(huán)氧樹脂或植筋膠3封裝；

所述無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器1包括多個(gè)依次串聯(lián)的長標(biāo)距光纖光柵傳感單元，所述長標(biāo)距光纖光柵傳感單元包括套管、封裝在套管內(nèi)的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的兩端分別固定在套管的錨固段；

所述光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器2包括套管、封裝在套管內(nèi)的光纖和刻寫在光纖上的光柵，光纖的一端固定在套管的錨固段，另一端自由，套管兩端封閉；

所述無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器1和光纖光柵多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器2分別與鎧裝光纜4連接，從錨桿6內(nèi)引出，所述鎧裝光纜4穿于軟塑料套管5之中。

上述一種多功能智能錨桿的制作方法，包括以下幾個(gè)步驟：

(1)制作無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器

(a1)在一根單模光纖上根據(jù)實(shí)際工程需求設(shè)計(jì)并刻寫多個(gè)一定間距且不同波長的光柵；

(a2)選用一個(gè)細(xì)的光滑套管，內(nèi)口徑比光纖略粗，根據(jù)工程測試要求設(shè)計(jì)出每個(gè)光柵的錨固點(diǎn)位置，并在套管上根據(jù)錨固位置切出多個(gè)缺口，穿入帶有多個(gè)光柵的單模光纖，調(diào)整光柵與套管缺口的位置；

(a3)將光纖兩端通過牽引裝置施加一定的預(yù)應(yīng)力，同時(shí)在套管缺口處注入固結(jié)膠水形成錨固，固結(jié)后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個(gè)連續(xù)的長標(biāo)距光纖光柵傳感單元且沒有熔接點(diǎn)的長標(biāo)距多光柵傳感器；

(a4)對于每個(gè)長標(biāo)距光纖光柵傳感單元來說，套管內(nèi)的光纖的兩端分別通過固結(jié)膠與套管相固定，其余部分的光纖則與套管內(nèi)壁無接觸或雖有輕微接觸，但摩擦力極小可忽略；

(a5)在套管外面進(jìn)一步包裹復(fù)合材料并浸潤環(huán)氧樹脂，進(jìn)行無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器本身的一體化封裝加固；

(2)制作多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器

(b1)在一根單模光纖上根據(jù)實(shí)際工程需求設(shè)計(jì)并刻寫多個(gè)一定間距且不同波長的光柵；這些光柵的位置設(shè)計(jì)可以與無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器中的多個(gè)光柵一一對應(yīng)，或者按照沿錨桿長度進(jìn)行溫度插值的思想進(jìn)行溫補(bǔ)光柵位置設(shè)計(jì)；這些光柵的波長不僅在溫度補(bǔ)償傳感器內(nèi)不能有相同，且與無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器之中的光柵波長亦不能有相同的波長；

(b2)選用一個(gè)細(xì)的光滑套管，內(nèi)口徑比光纖略粗，在套管的一層用膠封閉，將刻好的多光柵兩端尾纖的某一端剪短，然后插入套管內(nèi)，使其中的光柵的位置處于設(shè)計(jì)好的某個(gè)位置附近，且剪短尾纖側(cè)的尾纖縮在套管內(nèi)部且距離套管尾部有一定距離，此距離以此尾纖不會碰到套管尾部封裝的膠水為原則，然后在套管兩端處注入少許固結(jié)膠水，使之封閉形成一個(gè)含多個(gè)光柵的溫補(bǔ)傳感器。

(b3)對于封裝于套管內(nèi)的帶多個(gè)光柵的光纖尾纖，其一端縮在套管內(nèi)完全自由，另一端與套管固結(jié)并作為引出線引出，光纖在套管內(nèi)能完全自由滑動(dòng)；

(b4)在套管外面進(jìn)一步包裹復(fù)合材料并浸潤環(huán)氧樹脂，進(jìn)行溫度補(bǔ)償輔助傳感器本身的一體化封裝加固；

(3)制作多功能智能錨桿

(c1)選用實(shí)體錨桿，并沿縱向開一個(gè)小槽；準(zhǔn)備兩根長度適中的鎧裝光纜，并穿于一根直徑與硬度適中的軟塑料套管之中，鎧裝光纜比軟塑料套管略長，兩頭露出；

(c2)將制作好的無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和溫度補(bǔ)償輔助傳感器固定于錨桿所開的小槽內(nèi)，并分別用鎧裝光纜連接，從錨桿內(nèi)引出；無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和溫度補(bǔ)償輔助傳感器分別與鎧裝光纜進(jìn)行熔焊的熔焊接頭位于錨桿小槽內(nèi)，且鎧裝光纜在小槽內(nèi)保留具有能起到錨固作用的長度，這樣封裝后外部光纜的受力不會導(dǎo)致內(nèi)部傳感器受力；

(c3)在錨桿小槽內(nèi)注入環(huán)氧樹脂或植筋膠至填平，將無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和多點(diǎn)溫度補(bǔ)償輔助傳感器與錨桿封裝為一體，形成最終的多功能智能錨桿。

如圖6和7所示，本發(fā)明的基于長標(biāo)距光纖光柵智能錨桿的安裝布設(shè)方法，包括以下幾個(gè)步驟：

(d1)針對具體隧道工程的具體情況，選定監(jiān)測的具體斷面位置；一般來說，可選擇比較關(guān)鍵和危險(xiǎn)的斷面進(jìn)行監(jiān)測，在每個(gè)斷面，可選擇頂部(約90度方向)、兩腰(約45度和135度方向)及兩底(約0度和180度方向)這5個(gè)部位進(jìn)行布設(shè)監(jiān)測；

(d2)在所需布置錨桿的巖體或其他介質(zhì)上沿深度方向鉆孔，孔徑比錨桿略大；同時(shí)，在距離監(jiān)測斷面不遠(yuǎn)的地方，安裝并固定好光纜接線盒；

(d3)將封裝成一體的智能錨桿的無引出光纜的一端插入鉆好的錨孔內(nèi)并至一定的深度，將引出光纜圓潤自然地順著圍巖或鋼筋網(wǎng)或鋼骨架等引出至預(yù)先固定好的線盒之中，途中作必要的固定和保護(hù)，完成智能錨桿的就位；

(d4)向裝入錨桿的孔道內(nèi)注入速凝水泥砂漿，其中注漿質(zhì)量控制和蓋板等的設(shè)置可參考普通錨桿的安裝手冊；待水泥砂漿凝固即完成智能錨桿的布設(shè)安裝；

(d5)兩根連接無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和溫度補(bǔ)償輔助傳感器并從智能錨桿內(nèi)引出的引出光纜在穿入接線盒后，用光纖耦合器將兩者耦合，耦合連接部位置于接線盒內(nèi)，耦合后的輸出光纜則從接線盒中引出，順著隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)壁，一直引至安置好的光纖光柵解調(diào)儀，并在途中作必要的固定和保護(hù)；

(d6)智能錨桿與其他錨桿和剛骨架等都安裝就位之后，隨即噴射混凝土進(jìn)行噴錨，完成該斷面位置的襯砌施工。

所述基于長標(biāo)距光纖光柵的多功能智能錨桿也可在巖體或其他介質(zhì)上沿深度方向鉆孔后，向孔道內(nèi)裝入速凝錨固藥卷，然后插入錨桿，捅破速凝錨固藥卷而實(shí)現(xiàn)固結(jié)安裝。對于像泥層的較軟粘性介質(zhì)體，可以鉆一個(gè)直徑比錨桿略小的孔道，將錨桿直接插入，并在端部用錘擊等方法頂入。

如圖8所示，基于一種多功能智能錨桿的隧道圍巖監(jiān)測方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)隧道所處位置的地質(zhì)狀況、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和易損性分析等資料，選定需要監(jiān)測的斷面進(jìn)行監(jiān)測；在每個(gè)斷面，可選擇頂部(約90度方向)、兩腰(約45度和135度方向)及兩底(約0度和180度方向)這5個(gè)典型部位進(jìn)行監(jiān)測。

(2)布設(shè)于隧道不同位置的錨桿6，通過引出的鎧裝光纜4，匯集到光纖光柵解調(diào)儀7，形成監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)。一般來說，同一根錨桿6內(nèi)的光柵(包括無熔接長標(biāo)距多光柵傳感器和溫度補(bǔ)償輔助傳感器所含的光柵)將輸送到同一個(gè)通道，光纖光柵解調(diào)儀7的每個(gè)通道一般可根據(jù)其連接光柵數(shù)量的能力，用耦合器同時(shí)連接多根錨桿，但每個(gè)通道內(nèi)不能有波長相同或非常接近的光柵。光纖光柵解調(diào)儀7每個(gè)通道連接錨桿和光柵的數(shù)量主要由光纖光柵解調(diào)儀7的波長范圍、光柵之間所需要的波長間距、連接產(chǎn)生的光損等幾個(gè)方面進(jìn)行考慮確定。

(3)連接各錨桿6的光纖光柵解調(diào)儀7與控制電腦8相連，并通過監(jiān)測系統(tǒng)軟件，構(gòu)建圍巖監(jiān)測系統(tǒng)。各錨桿6用于圍巖狀態(tài)的傳感感知，光纖光柵解調(diào)儀7用于數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測軟件系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、圍巖狀態(tài)的評估和預(yù)警功能。

(4)各錨桿6中的長標(biāo)距多光柵傳感器在各自標(biāo)距內(nèi)的長標(biāo)距波長讀數(shù)應(yīng)該由對應(yīng)的多點(diǎn)溫度補(bǔ)償傳感器進(jìn)行相應(yīng)位置的精確溫度補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)化為標(biāo)距內(nèi)的平均應(yīng)變值，獲取沿錨桿縱向方位的應(yīng)變分布；

(5)圍巖監(jiān)測先根據(jù)錨桿的不同深度位置的應(yīng)變分布，可根據(jù)錨桿的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，求出沿錨桿的應(yīng)力分布，繼而獲得不同深度的圍巖壓力特征；同時(shí)，基于錨桿的應(yīng)變分布可求出在每個(gè)標(biāo)距內(nèi)的變形量，得到沿錨桿縱向不同深度區(qū)段內(nèi)的變形量的分布情況，并進(jìn)一步求出圍巖開挖面的總變形量，在此基礎(chǔ)上，通過變形量在時(shí)間軸上的變化，求出圍巖的收斂速率，判斷圍巖變形穩(wěn)定情況。錨桿的損傷則可根據(jù)錨桿的分布應(yīng)力/應(yīng)變最大值是否達(dá)到屈服點(diǎn)來進(jìn)行判斷。這樣即可獲得圍巖在不同深度的圍巖受力特征、圍巖變形和收斂情況、錨桿的損傷情況。

(6)本圍巖監(jiān)測方法采用持續(xù)不間斷地實(shí)時(shí)監(jiān)測，或采用有一定時(shí)間間隔的持續(xù)性監(jiān)測，可以獲得圍巖壓力、變形的實(shí)時(shí)連續(xù)變化特征以及收斂速率，本方法可作為隧道在施工期和運(yùn)營期定期檢測的方法。

如采用有一定時(shí)間間隔的持續(xù)性監(jiān)測，則按照下面方法進(jìn)行：

施工期監(jiān)測：

監(jiān)測內(nèi)容：隧道圍巖壓力、圍巖變形、圍巖變形收斂速率

監(jiān)測時(shí)間：爆破后24小時(shí)內(nèi)開始進(jìn)行，按監(jiān)控量測斷面距開挖面距離；

(0～1)B:1～2次/天；(1～2)B:1次/天；(2～5)B：2次/天；>5B：

1次/周；(注：B為隧道開挖寬度)

運(yùn)營期監(jiān)測：

監(jiān)測內(nèi)容：隧道圍巖壓力、圍巖變形

監(jiān)測時(shí)間：1次/周或按要求監(jiān)測頻率。

本發(fā)明的基于智能錨桿的圍巖斷面收斂監(jiān)測的工作原理如下：

對于隧道開挖對周圍巖層的影響可知，比較明顯的巖層變形和位移的產(chǎn)生主要是在開挖斷面周邊附近的巖層，隨著距離的增加，其變形影響迅速減小，因此在稍遠(yuǎn)處的地方，圍巖由于開挖而產(chǎn)生的變形相對于近處圍巖相比不僅絕對位移量且其收斂速度變化率都非常小，因此在總體的位移中占得比較非常小。因此在非軟弱巖層的隧道開挖，我們可近似認(rèn)為離開挖面稍遠(yuǎn)的巖層為穩(wěn)定巖層。本發(fā)明通過將錨桿延伸布置至稍遠(yuǎn)的巖層，錨固后與巖層融為一體，因此其遠(yuǎn)端可近似認(rèn)為固定于穩(wěn)定的巖層上，亦即近似為固定端，通過錨桿內(nèi)長標(biāo)距多光柵傳感器的測量，獲取沿錨桿縱向方向全長的應(yīng)變分布，得到錨桿在不同深度的受力情況，同時(shí)獲得相對于固定端智能錨桿的總的變形量，從而得到開挖面圍巖的變形和收斂量及其速率。

圍巖變形量的計(jì)算可如下進(jìn)行：先求出經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的每個(gè)長標(biāo)距傳感單元標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變值，然后乘以其標(biāo)距長度得到該長標(biāo)距傳感單元的變形量，然后累計(jì)整個(gè)錨桿上的變形量。如圖9所示，通過測出標(biāo)距L1、L2和L3之間的平均應(yīng)變ε1、ε2和ε3，則可根據(jù)公式Δ＝ε1·L1+ε2·L2+ε3·L3求出錨桿兩端的總位移量Δ。

圍巖自爆破開挖之后，將會逐漸向開挖斷面產(chǎn)生變形，因此所測到的變形量會逐漸增大，但隨著圍巖逐漸穩(wěn)定，位移量Δ逐漸趨向于一個(gè)定值，圖10是隧道圍巖位移量隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線示意圖。

同時(shí)，圍巖的變形收斂速率也就是變形量的變化速率，是反映圍巖支護(hù)的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)圍巖爆破開挖后，由于內(nèi)部應(yīng)力突然失衡而產(chǎn)生變形，其變形速率在剛爆破開挖時(shí)最快，后來隨著內(nèi)力重分布，圍巖趨于穩(wěn)定，變形速率逐漸減小并最終趨向于0，其過程可如圖11所示。位移變化速率的計(jì)算可根據(jù)以下公式計(jì)算：

變形Δ的變化速率＝(Δ(t_i)-Δ(t_i-1))/(t_i-t_i-1)

其中：Δ(t_i)為t_i時(shí)的變形量，Δ(t_i-1)為t_i-1時(shí)的變形量。

應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。