CN112924059A - 一种条带式围岩压力监测装置、监测方法及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种条带式围岩压力监测装置、监测方法及安装方法，所述监测装置沿环向覆盖隧道全断面范围，包括上保护层、下保护层和压力传感器，所述压力传感器封装于上保护层和下保护层之间，所述压力传感器包括带状分布的多个压感单元，每个所述压感单元包括多个压感元件，每个所述压感元件包括多个薄膜式压敏电阻。与现有技术相比，本发明能够有效规避围岩节理导致的测量偏差，准确计算中间任意部位的围岩压力，实现全断面分布式、精细化感知围岩压力的目的。

Description

一种条带式围岩压力监测装置、监测方法及安装方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种隧道施工、测量装置及方法，尤其是涉及一种条带式围岩压力监测装置、监测方法及安装方法。

背景技术

围岩压力是隧道结构所承受的直接荷载，即沿隧道支护结构轮廓法向的接触压力。围岩压力过大或分布不均可能造成衬砌开裂、漏水和掉块等风险。准确的监测围岩压力对于隧道长期安全运营至关重要。

当前，主要采用土压力盒或柔性土压力计来监测围岩压力，主要类型包括振弦式、电阻式、光纤光栅式3大类。现有监测设备厚度较大，一般不低于3～5cm，且均采用点式安装的方案、每断面5～7支仪器，布置在拱顶、拱腰及边墙等位置，中间部位直接利用线性插值的方法确定，具体安装过程如下：

1、确定土压力盒或压力计安装位置，清理安装位置处的表面灰尘；

2、用少量水泥砂浆在围岩表面涂抹出一个平整表面，并等待一定时间，使砂浆达到一定强度；

3、将土压力盒或压力计上表面贴紧围岩表面，下表面或侧面与衬砌钢筋笼焊接固定，如果土压力盒或压力计无法与二衬钢筋直接接触，可制作一个钢支架来固定土压力盒或压力计；

4、土压力盒或压力计穿出二衬时，走线采用S型走线引出、及时记录仪器安装信息，包括仪器名称、安装位置、仪器编号、安装日期、安装人等；

5、衬砌浇筑完成后应及时测读土压力盒或压力计的读数，选取稳定的测值作为基准值；浇注混凝土的土压力盒或压力计应选取水化热过后，不同天连续测读3次，其读数基本相同经平均后的测值作为基准值。

岩体内部广泛分布着节理等不利结构面，并将围岩切割成大小不一的块体，不仅影响了隧道开挖后的稳定性，更是直接决定了围岩压力的大小及分布。节理的存在导致围岩压力在全断面的分布差异较大、且因块体大小不一容易存在较大的突变或波动。这些特点给围岩压力监测带来了极大困难。

现有技术手段的缺点如下：

1)现有土压力盒或改进型柔性土压力计均属于点式监测手段，其在单点数据的稳定性、精度上已得到较好验证，但其用于围岩压力监测时，仅能反映监测设备位置处极小区域的围岩压力，距离测点稍远位置处(0.3～0.4m以上)的围岩压力往往与该测点相差较大，现场和实测结果表明测值差异超过30％，导致基于现有监测装置的测量结果无法反映全断面的围岩压力状态。

虽然现有技术中也有涉及采用多只传感器增强监测结果准确性和精度的方案，甚至是在一个监测断面上密集布置大量监测仪器的方法，如专利CN105332739B，CN202083501U，虽然可以获取任意点处的压力数据，但施工安装极为繁琐、成本大幅提升，也会对衬砌结构的完整性和承载性能造成一定影响，性价比极低。

因此，实际实施围岩压力监测时，有必要结合节理发育程度对围岩压力分布的影响规律，给出一种考虑围岩条件、围岩等级的监测测点合理布置方案，既能满足全断面围岩压力精细感知需求，又能兼顾安装便捷、成本低廉等优势。

2)更为关键的是，现有技术为单点监测，存活率低，该点处的仪器一旦损坏，数据就会缺失，直接影响全断面围岩压力的分析。如专利CN202083501U，即便其采用密集式安装监测仪器的方案实现分布式监测，但单个测点位置处仍是只有一个压力感应电阻，该点传感器内的电阻失灵或损坏，该点数据就会缺失，影响最终的结果分析。

3)在围岩压力监测数据处理方面，现阶段主要在断面内布设5～7个测点，并用线性插值的方式计算其余部位的围岩压力；但实际上，围岩压力是指作用在隧道衬砌外缘、沿外轮廓法向的荷载，即垂直于外轮廓，而基于拱顶、拱腰、边墙的监测数据进行线性插值，所得到的荷载方向与隧道外轮廓法线存在较大的夹角，荷载方向及荷载数值与实际均存在一定差异，精度较差，无法准确地反映全断面围岩压力分布特征。

4)衬砌背后极易存在一定的脱空区，脱空区处的围岩压力应为零。但由于土压力盒或改进型柔性压力计尺寸较大、与钢筋或拱架焊接，导致其仍能测到一定的拉压应力，影响了脱空区的监测。如专利CN202083501U所公开技术，其依然是采用电阻应变片植入山字形钢壳的方式，钢壳在外界复杂应力接触状态下，势必会影响监测效果，脱空处仍存在拉压应力的情况较为常见。

5)土压力盒或改进型柔性压力计具有相对较大的厚度和尺寸，安装在衬砌的钢拱架上，会破坏衬砌结构的完整性，容易造成衬砌开裂，引起隧道渗漏水，降低衬砌的承载能力，不利于隧道的安全。

6)现有仪器主要采用焊接固定的方式，压力盒受高温影响，其标定系数发生变化，直接影响了监测结果的准确性。

现有一种基于压敏电阻材料的薄膜式压力传感器，因其厚度薄(一般不超过2mm)、批量生产时成本低廉、安装方便等特点，在车床、机械监测领域得到较好的应用。但因其厚度太薄、材料强度低，只能铺设在受力均匀、表面平整的物体上。当其应用于隧道这种极端恶劣的环境时，由于围岩与隧道衬砌挤压、剪切等作用，极其容易受损。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种条带式围岩压力监测装置、监测方法及安装方法，以解决隧道围岩压力全断面分布式、精细化感知的技术难题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种条带式围岩压力监测装置，该监测装置沿环向覆盖隧道全断面范围，包括上保护层、下保护层和压力传感器，所述压力传感器封装于上保护层和下保护层之间，所述压力传感器包括带状分布的1个或多个压感单元，每个所述压感单元包括多个压感元件，每个所述压感元件包括多个薄膜式压敏电阻。

进一步地，该监测装置的整体厚度不大于0.022m，沿隧道轴向的宽度为0.3～0.4m。

进一步地，所述上保护层和下保护层均采用三元乙丙橡胶制成，所述压力传感器通过环氧树脂封装于上保护层和下保护层之间。

进一步地，所述监测装置为1条整体式条带监测装置或上、下两条整体式条带监测装置或多个分段式的条带监测装置。

具体组装方式为：

A)全断面法、两台阶法开挖的隧道，对于无仰拱隧道优选1条整体式的条带监测装置，对于带仰拱隧道，优选上、下两条整体式的条带监测装置。

B)多台阶、双侧壁导坑、预留核心土等分部开挖法修建的隧道或针对特定破碎围岩区段监测时，不宜布设整幅分布式薄膜压力传感器，应采用多个分段式的条带监测装置，各段为一个压感单元，各段内的压感元件数量、净距依据围岩等级进行调整，各段之间通过标准排线接口串联的方式连接。

采用多个分段式的条带监测装置时，依据不同围岩等级下节理发育程度及其对围岩压力影响情况设置分段数。监测Ⅲ级围岩压力时，全断面布置至少5段条带式监测装置，每段长度1.5～2.0m，间距不大于1.5m。监测Ⅳ级围岩压力时，全断面布置至少7段监测装置，每段长度1.2～1.5m，间距不大于1.2m。监测Ⅴ级围岩压力时，全断面布置至少9段监测装置，单段长度0.8～1.0m，间距不大于1.0m。

进一步地，所述监测装置上设有与其他监测装置串联的导线接口，该导线接口沿长度方向设置，实现多个监测装置间的“即插即用式”串联。

进一步地，所述上保护层和下保护层单层厚度不大于0.01m，抗拉强度大于16Mpa，邵氏硬度大于70。

进一步地，所述上保护层上分布设置有多个十字型凸榫结构，所述下保护层对应设置有十字型凹榫结构，以50～80kPa压力封装所述压力传感器时，所述十字型凸榫结构和十字型凹榫结构拼装形成十字凹凸榫，所述十字凹凸榫位于保护层宽度方向中间位置。

进一步地，所述下保护层两侧开设有排线凹槽，各所述压感单元的监测数据输出排线交错布置于两侧所述排线凹槽中。

本发明还提供一种采用上述条带式围岩压力监测装置的围岩压力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取各所述监测装置、压感单元、压感元件和薄膜式压敏电阻的编号及对应的初始状态数据，所述初始状态数据包括各压感元件安装位置隧道轮廓切线与水平方向夹角θ_i和各薄膜式压敏电阻的初始压应力F_mji0，其中，m代表压感单元编号，j代表压感元件编号，i代表压敏电阻编号；

采集获得各所述薄膜式压敏电阻的测量值，基于该测量值计算获得单个压感元件处的围岩压力、单个压感单元处的围岩压力表征值、压感单元m内部相邻压感元件之间的任意点位mc处的围岩压力F_mc和监测装置内部相邻压感单元之间任意点位的围岩压力，具体地，

所述单个压感元件处的围岩压力的计算过程为：

A)将该压感元件内的各薄膜式压敏电阻的测量值减去初始压应力F_mji0，获得压敏电阻真实值；

B)剔除所述压感元件内各压敏电阻真实值中的非正数值和异常值，若剩余真实值数量不为0个，则执行步骤C)，若否，则该压感元件对应点处的围岩压力F_mj＝0；

C)将剩余真实值从小以大排序，将相邻两个值相减，除以二者较大值，各差值比例形成一差值序列；

D)若所述差值序列中最大值和最小值相差小于30％，则以该差值比例所对应的所有压敏电阻真实值的平均值作为该压感元件对应点处的围岩压力F_mj，否则，以所述剩余真实值的中间值作为该压感元件对应点处的围岩压力F_mj；

所述单个压感单元处的围岩压力表征值为该压感单元内各压感元件压力值的平均值；

所述单个压感单元m内部任意点位mc处的围岩压力F_mc的计算过程为：

记相邻两压感元件编号为g、k，点mc位于测点mg和测点mk之间，与水平方向夹角为θ_mc，则通过分量计算方式获得位mc处的围岩压力F_mc：

F_mc＝F_mcxsinθ_mc+F_mcycosθ_mc

其中，(x_mc,y_mc)、(x_mk,y_mk)、(x_mg,y_mg)分别为测点mc、mk和mg的位置坐标，F_mgx、F_mgy为测点mg处的围岩压力的分量，F_mkx、F_mky为测点mk处的围岩压力的分量；

所述监测装置内部任意点位的围岩压力计算具体为，

A)按顺时针方向记相邻两压感单元m、n内各压感元件的读数F_mj和F_nj，j＝1,2,..,J，J为压感元件个数；

B)基于压感单元m的F_m(J-2)和F_m(J-1)计算点位mJ处的理论压力值F’_mJ，获得正方向的相邻测点围岩影响系数λ_m＝F_mJ/F’_mJ；

基于压感单元n的F_n2和F_n3计算点位n1处的理论压力值F’_n1，获得反方向的相邻测点围岩影响系数λ_n＝F_n1/F’_n1；

计算获得两侧围岩压力的影响系数λ＝(λ_m+λ_n)/2；

C)计算压感单元m和n之间任意点位C的坐标为(X_C，Y_C)的围岩压力的水平分量和竖向分量：

水平分量

竖向分量

其中，(X_m，Y_m)、(X_n，Y_n)分别为压感单元m和n的中点坐标；

D)计算点C处的法向接触压力，即围岩压力F_C：

F_C＝λ(F_Cxsinθ_C+F_CYcosθ_C)

其中，θ_C为点C所在处隧道轮廓切线与水平方向夹角。

本发明还提供一种如上所述的条带式围岩压力监测装置的安装方法，包括以下步骤：

根据待测隧道的围岩条件和围岩等级，确定条带式围岩压力监测装置沿隧道轴向的布置间距；

根据待测隧道当前施工阶段，确定所述监测装置的固定方式，将所述监测装置在覆盖隧道全断面范围内进行固定；

对所述监测装置进行顶推紧固，顶推均布力宜为50～80kPa；

连接各所述监测装置并引出导线，该导线埋藏于在隧道二衬的暗盒中，完成安装。

进一步地，所述根据待测隧道的围岩条件和围岩等级，确定条带式围岩压力监测装置沿隧道轴向的布置间距具体为：

Ⅲ级围岩沿隧道轴向每2～3m布设一道条带式围岩压力监测装置，Ⅳ级围岩沿隧道轴向每1～2m布设一道条带式围岩压力监测装置，Ⅴ级围岩沿隧道轴向每0.5～1m布设一道条带式围岩压力监测装置。

进一步地，根据待测隧道当前施工阶段，确定所述监测装置的固定方式具体为：

若为隧道开挖初喷阶段，则将所述监测装置通过锚栓或膨胀螺丝固定于初喷混凝土内表面或通过胶合剂粘贴于初喷混凝土内表面；若为铺设完防水板阶段，则将所述监测装置通过胶合剂粘贴于防水板内表面。

本发明通过多支薄片状的压感元件及其内部的薄膜状压敏电阻、特殊封装工艺及尺寸设计、布设方法，以准分布式的方式准确感应节理裂隙等不利结构面所切割形成的主要块体部位的围岩压力，并对监测数据处理方法进行设计，能够准确计算中间任意部位的围岩压力，降低围岩压力监测和推测的偏差，保证结果与工程实际情况更加贴近，从而实现全断面分布式、精细化感知围岩压力的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明监测装置考虑到围岩节理结构面对围岩压力分布的影响，采用准分布式压感元件，每隔一定距离采集围岩接触压力数据，有效规避围岩节理导致的测量偏差。

2、本发明监测装置通过上下保护层特殊设计，则有效保护了薄膜状压感元件及压敏电阻不被破坏。

3、本发明监测装置中，每个压感单元内有多个压感元件和多个电阻，正常情况下每个测量单元处可以读取多个数据，取平均值大大提高准确性，即便个别电阻损坏，也能读取其他完好的电阻数据，大大提高了仪器存活率，也避免了应力集中导致的结果失真现象。

4、本发明监测方法充分考虑围岩压力的特点，采用分量的方式精确计算小范围内任意点的真实围岩压力，即法向接触压力，降低围岩压力监测和推测的偏差，更加准确的反映了全面断面围岩压力分布特征，保证结果与工程实际情况更加贴近。

以某隧道为例：水平夹角0°，坐标(0，7.29)的拱顶位置围岩压力为304kPa；水平夹角90°，坐标(-8.52，0)的拱脚位置围岩压力为121kPa。利用本发明方法，可以算出水平夹角为45°，坐标(-6.7，4.4)的围岩压力196kPa，而其实测压力为193kPa，相差不大。但传统简单线性插值结果为231kPa，比实际值超过38kPa，且与水平夹角为40°，与拟监测的压力方向偏差达12.5％。

因此，将本发明方法得出的围岩压力作为衬砌所受压力，来预测衬砌的变形和破坏情况，结果更加符合实际情况。

5、本发明监测装置厚度尺寸小，与围岩接触柔和，能够更加准确的反映脱空区，且不会影响结构的完整性。

6、本发明监测装置主要采用粘贴的方式安装在防水板上，且通过标准导线接口实现每个压敏电阻数据结果输出、线缆敷设极为方便，安装实施便捷；且安装时不需要高温焊接，不会影响标定系数，精度更高、性能更加稳定。

附图说明

图1为本发明无仰拱隧道的围岩压力监测装置示意图；

图2为本发明带仰拱隧道的围岩压力监测装置示意图；

图3为本发明监测装置剖面图(局部段落)；

图4为本发明监测装置平面图(局部段落)；

图5为本发明压感元件内部图；

图6为本发明监测方法的原理示意图；

图7为本发明一实施例的分段式的条带式围岩压力监测装置示意图；

图8为本发明一实施例的下保护层导线槽示意图；

图9为本发明一实施例中考虑围岩节理调整传感器布设位置的示意图；

图10为本发明的安装流程图；

图标：10-围岩；20-隧道；30-衬砌；40-第一条带；50-采集仪；60-第二条带；70-分段式条带状压力监测装置；80-排线接口；401-长条状薄膜式压敏电阻；402-压感元件；403-压感单元；404-上保护层；405-下保护层；406-十字凹凸榫；407-排线凹槽；408-导线接口；409-导线总线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

涉及的专业术语说明：

节理：当岩层受力而变形、断裂，会产生破裂面。若破裂面两侧的岩块，没有沿着破裂面发生明显位移，称为节理，有时也称为裂隙；若有明显位移，则称为断层。

围岩压力：引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用。

参考图3所示，本发明实施例提供一种条带式围岩压力监测装置，该监测装置覆盖隧道全断面范围，包括上保护层404、下保护层405和压力传感器，压力传感器封装于上保护层404和下保护层405之间，压力传感器包括带状分布的多个压感单元403，每个压感单元包括多个压感元件402，每个压感元件402包括多个长条状薄膜式压敏电阻回路401。该条带式围岩压力监测装置通过多支薄片状的压感元件及其内部的薄膜式压敏电阻、特殊封装工艺及尺寸设计、布设方法，以准分布式的方式准确感应节理裂隙等不利结构面所切割形成的主要块体部位的围岩压力。

该监测装置根据待监测的隧道进行全断面覆盖设置。如图1所示，对于无仰拱隧道，监测装置为1条整体式的第一条带40，覆盖拱顶至拱脚范围，该第一条带40设置于隧道20的围岩10和衬砌30之间，并与采集仪50连接，通过采集仪可以读取任意压敏电阻的变化数据，换算得到围岩压力感应数据，并采用一定的数据处理方法获取整个断面围岩压力。如图2所示，对于带仰拱隧道，监测装置为上下独立的两条分离式条带，包括第一条带40和第二条带60，第一条带40覆盖拱顶至拱脚范围，第二条带60覆盖仰拱范围。

在可选的实施方式中，参考图3-图5所示，该条带式围岩压力监测装置的整体厚度D1不大于0.022m，沿隧道轴向的宽度W为0.3～0.4m。每个压感单元的长度L1为1m，相邻压感单元间的净距L2为1～2m。每个压感单元沿长度方向布置5支压感元件，相邻压感元件的间距L3为0.2m。每个压感元件沿宽度方向布置5支薄膜式压敏电阻，布置方式可采用如图5所示错位设置方式，形成压敏电阻回路，压敏电阻净距0.05m。每支压感元件引出2根导线，即每个压感单元共10根引出导线，汇总成导线总线409，方便后期和采集仪连接。

上保护层404和下保护层405封装所述压力传感器。在可选的实施方式中，上保护层404和下保护层405均采用三元乙丙橡胶制成，单层厚度不大于0.01m，抗拉强度大于16Mpa，工作温度满足-20～80°，邵氏硬度大于70。在某一实施例中，上下保护层厚度总计0.02m，压感元件厚0.002m。

参考图4所示，在可选的实施方式中，上保护层404上分布设置有多个十字型凸榫结构，下保护层405对应设置有十字型凹榫结构，封装压力传感器时，十字型凸榫结构和十字型凹榫结构拼装形成十字凹凸榫406，各十字凹凸榫406每隔一定间距设置，实现上保护层404和下保护层405的稳定连接密封，防止上下保护层拼装后因围岩挤压变形导致剪切错动，密封压力50～80kPa，并预留螺栓孔以便安装。

可选的，十字凹凸榫位于保护层宽度方向中间位置，沿厚度方向高0.01m，十字尺寸为0.01*0.05m。

进一步地，上保护层404和下保护层405之间通过环氧树脂粘合密封。

参考图4所示，在可选的实施方式中，下保护层405两侧(宽度方向)开设有排线凹槽407，各压感单元403的监测数据输出排线交错布置于两侧排线凹槽407中，以保证长距离走线的稳定性。

多个监测装置可共同对一个待测隧道进行监测，参考图4所示，监测装置上设有与其他监测装置串联的导线接口408(沿长度方向设置)，实现多个监测装置间的“即插即用式”串联，方便后期安装和读数，避免每套监测装置引出一道线缆，解决线缆多、乱，以及容易被围岩尖端剪切破坏的问题。

上述条带式围岩压力监测装置可通过在初支与围岩间、防水板内表面进行安装布设，以实现对围岩压力和衬砌背后脱空区的准确监测。

参考图10所示，在一种实施方式中，如上所述的条带式围岩压力监测装置在初支与围岩间、防水板内表面安装的具体过程包括以下步骤：

101)根据待测隧道的围岩条件和围岩等级，确定各所述监测装置的间距。具体地，依据不同围岩等级下纵向围岩压力分布模拟分析的研究成果，Ⅲ级围岩沿隧道轴向每2～3m布设一道条带式监测装置，Ⅳ级围岩沿隧道轴向每1～2m布设一道条带式监测装置，Ⅴ级围岩沿隧道轴向每0.5～1m布设一道条带式监测装置。

102)根据待测隧道当前施工阶段，确定所述监测装置的固定方式，将所述监测装置在覆盖隧道全断面范围内进行固定，具体地：

若为隧道开挖初喷阶段，则将所述监测装置通过锚栓或膨胀螺丝固定于初喷混凝土内表面或通过胶合剂粘贴于初喷混凝土内表面，监测初支与围岩间的接触压力；若为铺设完防水板阶段，则将所述监测装置通过胶合剂粘贴于防水板内表面，监测初支与二衬间的接触压力。

通过环氧树脂等胶合剂粘贴铺设时，将监测装置表面擦拭干净，一侧均匀涂抹环氧树脂，沿隧道环向从拱脚开始粘贴在初喷混凝土或防水板内表面，一直粘贴到另一侧拱脚为止，若有仰拱时，从仰拱一侧开始粘贴到另一侧。

103)对所述监测装置进行顶推紧固，紧固力为50～80kPa，紧固时间不小于5分钟；确保上下保护层接触密实，同时使各压感单元具有一定水平的初始应力，保证测量精度。

104)将10～20m范围内的多套监测装置，通过标准导线接口连接，最后将引出导线埋藏在二衬的暗盒中，待二衬浇筑完成后，凿开暗盒表面的混凝土，将暗盒内的导线和采集仪相连接。

如上所述的条带式围岩压力监测装置的监测过程具体包括如下步骤：

201)获取各监测装置、压感单元403、压感元件402和长条状薄膜式压敏电阻401的编号及对应的初始状态数据，初始状态数据包括各压感元件安装位置隧道轮廓切线与水平方向夹角θ_i和各薄膜式压敏电阻的初始压应力F_mji0，其中，m代表压感单元编号，j代表压感元件编号，本实施例中，j取值1～5，i代表压敏电阻编号，本实施例中，i取值1～5。

202)采集获得各薄膜式压敏电阻的测量值，基于该测量值计算获得单个压感元件处的围岩压力、单个压感单元处的围岩压力表征值、压感单元m内部相邻压感元件之间的任意点位mc处的围岩压力F_mc和监测装置内部相邻压感单元之间任意点位的围岩压力。

①单个压感元件处的围岩压力的计算过程为：

A)将该压感元件内的各薄膜式压敏电阻的测量值减去初始压应力F_mji0，获得压敏电阻真实值；

B)剔除所述压敏电阻真实值中的非正数值和异常值，若剩余真实值个数非0,，则执行步骤C)，若否，则该压感元件对应点处的围岩压力F_mj＝0；

C)将剩余真实值从小以大排序，将相邻两个值相减，除以二者较大值，各差值比例形成一差值序列；

D)若所述差值序列中存在小于某一设定值的差值比例，则以该差值比例所对应的所有压敏电阻真实值的平均值作为该压感元件对应点处的围岩压力F_mj，否则，以所述剩余真实值的中间值作为该压感元件对应点处的围岩压力F_mj，本实施例中设置值为0.3，依据小范围内围岩压力实测和数值模拟研究结果，可知0.2～0.3m监测范围内围岩压力差异极少超过30％～35％。

②单个压感单元处的围岩压力表征值为该压感单元内各压感元件压力值的平均值，记为F_m。

③压感单元m内部相邻压感元件之间的任意点位mc处的围岩压力F_mc的计算过程为：

记相邻两压感元件编号为g、k，已知隧道的轮廓线、测点mg所在处隧道轮廓切线与水平方向夹角θ_mg、围岩压力F_mg，及测点mk所在处隧道轮廓切线与水平方向夹角θ_mk、围岩压力F_mk。

点mc位于测点mg和测点mk之间，与水平方向夹角为θ_mc，则

围岩压力水平分量

围岩压力竖向分量

点mc处的法向接触压力、即围岩压力应按分量进行计算：

F_mc＝F_mcxsinθ_mc+F_mcycosθ_mc

其中，(x_mc,y_mc)、(x_mk,y_mk)、(x_mg,y_mg)分别为测点mc、mk和mg的位置坐标，F_mgx、F_mgy为测点mg处的围岩压力的分量，F_mkx、F_mky为测点mk处的围岩压力的分量。

④监测装置内部相邻压感单元之间任意点位的围岩压力，除依据两侧的压感单元围岩压力表征值及待分析点位与水平方向夹角进行法向向量计算外，尚应考虑两侧围岩压力的影响系数，记为λ。具体计算过程如下：

A)按顺时针方向记相邻两压感单元m、n内各压感元件的读数F_mj和F_nj，j＝1,2,..,J，J为压感元件个数，本实施例中，J＝5；

B)基于压感单元m的F_m3、F_m4测值计算点位m5的理论值F’_m5，则正方向的相邻测点围岩影响系数λ_m＝F_m5/F’_m5；同理依据F_n2、F_n3测值，确定反方向的相邻测点围岩影响系数λ_n＝F_n1/F’_n1；计算获得两侧围岩压力的影响系数λ＝(λ_m+λ_n)/2，该影响系数λ基于前一个压感单元最后面几个压感元件的数值和后一个压感单元最前面几个压感元件的数值获得，有效消除缺失数据的干扰；

C)计算压感单元m和n之间任意点位C的坐标为(X_C，Y_C)的围岩压力的水平分量和竖向分量：

水平分量

竖向分量

其中，(X_m，Y_m)、(X_n，Y_n)分别为压感单元m和n的中点坐标；

D)计算点C处的法向接触压力，即围岩压力F_C：

F_C＝λ(F_Cxsinθ_C+F_CYcosθ_C)

其中，θ_C为点C所在处隧道轮廓切线与水平方向夹角。

通过上述数据处理过程，对计算两个压感单元之间的距离因素进行考虑，可精确计算小范围内任意点的真实围岩压力，即法向接触压力，与实际情况更加贴近，更加准确的反映了全面断面围岩压力分布特征。

对于采用分部开挖或其他开挖工法的隧道，不宜布设整幅分布式薄膜压力传感器，给出了以下备选方案，将整幅分布式围岩压力监测装置分为多段式的条带式围岩压力监测装置，每段内的压感元件间距与数量可以依据围岩等级进行调整，具体地：

(1)整幅式的条带状围岩压力装置可以调整为分段式的条带状围岩压力监测装置，各段之间通过标准排线接口串联的方式连接，依据围岩级别调整每段的长度与间距，参考图7所示。

此外，参考图8所示，下保护层的下侧凹槽预留两侧2支分段式的监测模块所需的排线，通过标准的排线接口80实现多支监测模块的“即插即用式”串联，方便后期安装和读数。

(2)依据围岩级别确定各分段式围岩压力监测装置的间距。

围岩级别不同，监测装置的压感元件数量与间距不同，确保围岩越破碎，监测装置的压感元件分布密度越大，采集的围岩压力数据点越多，结果越准确。依据经验及规范，Ⅲ级围岩平均节理间距L为0.4～0.8m，Ⅳ级围岩平均节理间距L为0.2～0.6m，Ⅴ级围岩平均节理间距L为0～0.2m。

1)监测Ⅲ级围岩压力

隧道开挖全断面布置至少5段监测模块，每段长度1.5～2.0m，间距不大于1.5m。

5段监测模块的中心点布设位置分别为0°、45°、90°、135°、180°，并结合实际揭露的围岩节理分布情况进行5～10°的调整，以确保任意一段能覆盖所监测区域临空面存在的失稳块体。

2)监测Ⅳ级围岩压力

隧道开挖全断面布置至少7段监测模块，单支传感器长度1.2～1.5m，间距不大于1.2m。

7段监测模块的中心点布设位置分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，并结合实际揭露的围岩节理分布情况进行5～10°的调整，以确保单支传感器能覆盖所监测区域临空面存在的失稳块体。

单段监测模块内部的压感元件间距0.4～0.5m，最少4支。

3)监测Ⅴ级围岩压力

隧道开挖全断面布置至少9段监测模块，单段长度0.8～1.0m，间距不大于1.0m。

9段监测模块的中心点布设位置分别为0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°，并结合实际揭露的围岩节理分布情况进行5～10°的调整，以确保单支传感器能覆盖所监测区域临空面存在的失稳块体。

单段监测单元内部的压感元件间距0.2m，最少5支。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种条带式围岩压力监测装置，其特征在于，该监测装置沿环向覆盖隧道全断面范围，包括上保护层(404)、下保护层(405)和压力传感器，所述压力传感器封装于上保护层(404)和下保护层(405)之间，所述压力传感器包括带状分布的1个或多个压感单元(403)，每个所述压感单元包括多个压感元件(402)，每个所述压感元件(402)包括多个长条状薄膜式压敏电阻(401)。

2.根据权利要求1所述的条带式围岩压力监测装置，其特征在于，该监测装置的整体厚度不大于0.022m，沿隧道轴向的宽度为0.3～0.4m。

3.根据权利要求1所述的条带式围岩压力监测装置，其特征在于，所述上保护层(404)和下保护层(405)均采用三元乙丙橡胶制成，所述压力传感器通过环氧树脂封装于上保护层(404)和下保护层(405)之间。

4.根据权利要求1所述的条带式围岩压力监测装置，其特征在于，所述监测装置为1条整体式条带监测装置或上、下两条整体式条带监测装置或多个分段式的条带监测装置。

5.根据权利要求1所述的条带式围岩压力监测装置，其特征在于，所述上保护层(404)和下保护层(405)单层厚度不大于0.01m，抗拉强度大于16Mpa，邵氏硬度大于70。

6.根据权利要求1所述的条带式围岩压力监测装置，其特征在于，所述上保护层(404)上分布设置有多个十字型凸榫结构，所述下保护层(405)对应设置有十字型凹榫结构，以50～80kPa压力封装所述压力传感器时，所述十字型凸榫结构和十字型凹榫结构拼装形成十字凹凸榫(406)，所述十字凹凸榫(406)位于保护层宽度方向中间位置。

7.根据权利要求1所述的条带式围岩压力监测装置，其特征在于，所述下保护层(405)两侧开设有排线凹槽(407)，各所述压感单元(403)的监测数据输出排线交错布置于两侧所述排线凹槽(407)中。

8.一种采用如权利要求1-7任一所述的条带式围岩压力监测装置的围岩压力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取各所述监测装置、压感单元(403)、压感元件(402)和长条状薄膜式压敏电阻(401)的编号及对应的初始状态数据，所述初始状态数据包括各压感元件安装位置隧道轮廓切线与水平方向夹角θ_i和各薄膜式压敏电阻的初始压应力F_mji0，其中，m代表压感单元编号，j代表压感元件编号，i代表压敏电阻编号；

采集获得各所述薄膜式压敏电阻的测量值，基于该测量值计算获得单个压感元件处的围岩压力、单个压感单元处的围岩压力表征值、压感单元m内部相邻压感元件之间的任意点位mc处的围岩压力F_mc和监测装置内部相邻压感单元之间任意点位的围岩压力，具体地，

所述单个压感元件处的围岩压力的计算过程为：

A)将该压感元件内的各薄膜式压敏电阻的测量值减去初始压应力F_mji0，获得压敏电阻真实值；

B)剔除所述压感元件内各压敏电阻真实值中的非正数值和异常值，若剩余真实值数量不为0个，则执行步骤C)，若否，则该压感元件对应点处的围岩压力F_mj＝0；

C)将剩余真实值从小以大排序，将相邻两个值相减，除以二者较大值，各差值比例形成一差值序列；

D)若所述差值序列中最大值和最小值相差小于30％，则以该差值比例所对应的所有压敏电阻真实值的平均值作为该压感元件对应点处的围岩压力F_mj，否则，以所述剩余真实值的中间值作为该压感元件对应点处的围岩压力F_mj；

所述单个压感单元处的围岩压力表征值为该压感单元内各压感元件压力值的平均值；

所述单个压感单元m内部任意点位mc处的围岩压力F_mc的计算过程为：

记相邻两压感元件编号为g、k，点mc位于测点mg和测点mk之间，与水平方向夹角为θ_mc，则通过分量计算方式获得位mc处的围岩压力F_mc：

F_mc＝F_mcxsinθ_mc+F_mcycosθ_mc

其中，(x_mc,y_mc)、(x_mk,y_mk)、(x_mg,y_mg)分别为测点mc、mk和mg的位置坐标，F_mgx、F_mgy为测点mg处的围岩压力的分量，F_mkx、F_mky为测点mk处的围岩压力的分量；

所述监测装置内部任意点位的围岩压力计算具体为，

A)按顺时针方向记相邻两压感单元m、n内各压感元件的读数F_mj和F_nj，j＝1,2,..,J，J为压感元件个数；

B)基于压感单元m的F_m(J-2)和F_m(J-1)计算点位mJ处的理论压力值F’_mJ，获得正方向的相邻测点围岩影响系数λ_m＝F_mJ/F’_mJ；

基于压感单元n的F_n2和F_n3计算点位n1处的理论压力值F’_n1，获得反方向的相邻测点围岩影响系数λ_n＝F_n1/F’_n1；

计算获得两侧围岩压力的影响系数λ＝(λ_m+λ_n)/2；

C)计算压感单元m和n之间任意点位C的坐标为(X_C，Y_C)的围岩压力的水平分量和竖向分量：

水平分量

竖向分量

其中，(X_m，Y_m)、(X_n，Y_n)分别为压感单元m和n的中点坐标；

D)计算点C处的法向接触压力，即围岩压力F_C：

F_C＝λ(F_Cxsinθ_C+F_CYcosθ_C)

其中，θ_C为点C所在处隧道轮廓切线与水平方向夹角。

9.一种如权利要求1-7任一所述的条带式围岩压力监测装置的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据待测隧道的围岩条件和围岩等级，确定条带式围岩压力监测装置沿隧道轴向的布置间距；

根据待测隧道当前施工阶段，确定所述监测装置的固定方式，将所述监测装置在覆盖隧道全断面范围内进行固定，具体为，

若为隧道开挖初喷阶段，则将所述监测装置通过锚栓或膨胀螺丝固定于初喷混凝土内表面或通过胶合剂粘贴于初喷混凝土内表面；若为铺设完防水板阶段，则将所述监测装置通过胶合剂粘贴于防水板内表面；

对所述监测装置进行顶推紧固；

连接各所述监测装置并引出导线，该导线埋藏于在隧道二衬的暗盒中，完成安装。

10.根据权利要求9所述的安装方法，其特征在于，所述根据待测隧道的围岩条件和围岩等级，确定条带式围岩压力监测装置沿隧道轴向的布置间距具体为：

Ⅲ级围岩沿隧道轴向每2～3m布设一道条带式围岩压力监测装置，Ⅳ级围岩沿隧道轴向每1～2m布设一道条带式围岩压力监测装置，Ⅴ级围岩沿隧道轴向每0.5～1m布设一道条带式围岩压力监测装置。

Images