CN115479711B - 一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计及监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计及监测系统，所述硬壳包体应力计包括：弹性筒体和至少三组应变花，其中，所述弹性筒体安装于所述地下工程的钻孔内，至少三组所述应变花沿周向等间距设置于所述弹性筒体的筒身内壁上。本申请可以通过数据采集与变送模块精密测量各组应变花的应变值及其变量，并经计算得出地下工程三维应力，可以实现地下工程复杂环境下三维应力演化过程的动态长期监测，真实反映岩体中的三维应力实时状态、空间分布及演化过程，为工程灾害的预警和控制提供原位基础数据，解决以往无法实现三维应力的长期动态监测问题。

Description

一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计及监测系统

技术领域

本申请涉及地下工程三维应力测试领域，尤其涉及一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计及监测系统。

背景技术

随着水利、交通、矿山等行业地下工程开发深度和范围的不断增加，强扰动施工诱发的岩爆、大变形、突涌水、矿震等灾害愈发强烈，且灾害的发生频率及危害性也与之俱增。同时，在我国西部高烈度地震区修建的地下工程越来越多，这些地下工程面临的地震风险不可忽视，如何获取地震过程中围岩与结构的变形与应力响应过程一直是行业的难点与焦点，但是国内外尚无成熟的相关产品与技术。

冲击地压、岩爆、地震等动力灾害常常造成地下工程的巨大破坏，以煤矿中的冲击地压为例，其常导致施工设备损坏和重大人员伤亡事故，严重影响工程施工进度和安全。因此，研究冲击地压、岩爆、地震等动力灾害的发生机理并对其进行监测预警是一个亟待解决且意义重大的科学、工程问题。动力灾害的发生机理，是动力灾害监测预警的理论基础。目前，关于冲击地压、岩爆等动力灾害的发生机理和评判标准众说纷纭，虽然尚未取得一致认识，但都认为复杂的地质构造与高度的应力集中是引起地下工程施工过程中动力灾害的关键因素。由此可见，实时监测地下工程围岩三维应力的动态演化过程，不仅有助于了解岩体中应力集中的区域和大小，还可为动力灾害预警并采取有效的工程措施提供可靠的依据。

西部地区地形地貌、地质条件复杂，构造活动强烈，岩石地下工程因强震所诱发的震害将导致工程局部破坏甚至失效，危及交通公路、铁路等生命线工程和水电开发工程以及国防工程的整体安全与运营，威胁国家安全和社会经济发展。因此，开展强震区重大岩石地下工程地震灾变机制与抗震设计理论的基础研究已成为国家安全、社会经济发展和工程建设的重大需求。目前国内外工程实践中很少获得地下工程结构和围岩在地震过程中应力的动态响应过程，给地下结构的科学合理的抗震设计带来不小的难度，迫切需要发展可以监测围岩和结构三维应力动态响应的监测技术。

此外，在监测地下工程三维应力时，一般需要持续一段较长的时间，一般要持续十几天、数月甚或数年不等，这就对监测装置的长期稳定性提出了较高的要求。同时，动力灾害发生迅猛，这也对监测装置的动态测量能力提出了较高的要求。

目前，在地下工程三维应力测量领域，常用的传感器有空心软包体应力计、孔径变形计、光纤光栅三维应力传感器、单向钻孔应力计等。这些传感器应用于地下工程三维应力长期监测时存在一些问题。由于空心软包体应力计的壳体材料通常具有明显的流变性，当使用其进行应力长期监测时，壳体的流变性会导致测量数据出现显著偏差，无法得到准确的监测结果，而目前的光纤光栅应力传感器和振弦式应力计无法实时高频采集三维应力。

综上所述，现有技术中的传感器无法满足对地下空间复杂环境下围岩和结构的三维应力演化过程及动静态响应过程的监测要求。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计及监测系统。

本申请提供了一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计，包括：弹性筒体和至少三组应变花，其中，所述弹性筒体安装于所述地下工程的钻孔内，至少三组所述应变花沿周向等间距设置于所述弹性筒体的筒身内壁上。

优选地，所述弹性筒体包括：弹性筒身、弹性压盖和弹性螺母，其中，所述弹性筒身的两端开口，所述弹性螺母将所述弹性压盖对应旋紧设置于所述弹性筒身的两端开口处，所述弹性压盖对应封堵所述弹性筒身的两端开口。

优选地，所述弹性筒体的材料为弹性钢，且所述弹性钢的厚度不小于2mm。

优选地，所述应变花包括至少3个电阻应变片，所有所述电阻应变片分别沿周向、轴向或与轴向呈±45°的方向布置于所述弹性筒体的筒身内壁上。

优选地，在至少9个所述电阻应变片中，至少有6个所述电阻应变片的布置方向互不平行。

优选地，所述电阻应变片的量程不小于2000微应变。

优选地，所述硬壳包体应力计还包括：温度补偿应变片，所述温度补偿应变片沿轴向布置于所述弹性筒体内，所述温度补偿应变片的基体材料为弹性钢。

优选地，所述弹性筒体的筒身外壁和所述钻孔的内壁之间的空隙通过快凝注浆材料填充。

本申请还提供了一种地下工程三维应力监测系统，包括：

硬壳包体应力计，用于采集地下工程的三维应力，所述硬壳包体应力计设置于所述地下工程的钻孔内；

数据采集模块，用于采集所述硬壳包体应力计采集的测量数据，所述数据采集模块与所述硬壳包体应力计连接；

自动分析模块，用于根据所述数据采集模块传输的数据自动分析出监测位置处的三维应力，所述自动分析模块与所述数据采集模块连接；

其中，所述硬壳包体应力计包括如上述中任一所述的硬壳包体应力计。

优选地，所述数据采集模块包括：光电信号转换仪和光纤光栅解调仪，其中，所述光电信号转换仪分别与所述硬壳包体应力计和所述光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪与所述自动分析模块连接。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请提供的一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计及监测系统，将测量元件安装位置由现有技术中的壳体外壁变为弹性筒体的内壁，可以使得测量元件电阻应变片得到隔离式保护，成活率提高显著；且用电阻应变片代替光纤光栅作为测量元件后，产品性能稳定，制作、安装、应用阶段的成活率再次提高；将监测装置硬壳包体应力计的壳体由现有技术中的工业塑料改用弹性钢，且保证弹性钢的厚度不小于2mm，电阻应变片的量程不小于2000微应变，可以保证硬壳包体应力计的量程不小于150MPa，弹性筒体的模量达200GPa、抗拉强度不小于700MPa，且弹性筒体的流变性大幅度降低，保证了长期监测时的测量精度；在弹性筒体内设置至少6个互不平行的电阻应变片，可保证钻孔围岩应力分布公式中有6个独立分量，以保证可以解出所需求解的应力分量；采用每个电阻应变片分别沿周向、轴向、或与轴向间隔±45°的方向布置的布置方式，可以得到多于6个的独立方程，使得计算原理更加简单明确，且通过数据处理可以保证采集结果更加科学准确。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种地下工程三维应力监测系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种地下工程三维应力监测系统中数据采集模块的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种地下工程三维应力监测系统中硬壳包体应力计的外部结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种地下工程三维应力监测系统中硬壳包体应力计的内部结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种地下工程三维应力监测系统中应变花的布置示意图；

图6为本申请实施例提供的一种地下工程三维应力监测系统中电阻应变片的布置示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如背景技术中所提到的，在监测地下工程三维应力时，需要持续长期的监测预警、开发实时动态的监控模式，而传统的传感器因材料本身的流变性明显、结构布设方式受限、测量方向单一、数据采集频率较低，难以达到长期的地下工程三维应力监测要求，无法实现准确的动态监测。

图1为本申请实施例提供的一种地下工程三维应力监测系统的结构示意图。

如图1-6，本申请提供了一种地下工程三维应力监测系统，包括：

硬壳包体应力计10，用于采集地下工程的三维应力；所述硬壳包体应力计10设置于所述地下工程的钻孔内；

数据采集模块20，用于采集所述硬壳包体应力计10提供的数据；所述数据采集模块20与所述硬壳包体应力计10连接；

自动分析模块30，用于根据所述数据采集模块20传输的数据自动分析出监测位置处的三维应力；所述自动分析模块30与所述数据采集模块20连接。

具体而言，当监测地下工程的三维应力时，预先在地下工程的待监测点处设置钻孔，而后在钻孔中安装硬壳包体应力计10，并配置数据采集模块20和自动分析模块30，通过数据采集模块20将硬壳包体应力计10与自动分析模块30连接。钻孔的数量和位置可以根据应力监测的需要而设置，相应地，硬壳包体应力计10的数量也根据应力监测的需要而设置，比如，一个数据采集模块20可以分别连接多个硬壳包体应力计10，从多个硬壳包体应力计10中采集应力监测数据后发送至自动分析模块30中进行自动分析，自动分析模块30可以根据分析结果得到地下工程中相应监测点的应力状态。

在本申请实施例中，数据采集模块20通过数据总线的形式实现硬壳包体应力计10之间的级联及向自动分析模块30发送数据。自动分析模块30可对采集数据进行自动计算与分析，以消除采集与传输过程中的干扰信号及温度变化对数据的影响。

在本申请实施例中，所述数据采集模块20包括：光电信号转换仪21和光纤光栅解调仪22，其中，所述光电信号转换仪21分别与所述硬壳包体应力计10和所述光纤光栅解调仪22连接，所述光纤光栅解调仪22与所述自动分析模块30连接。

具体而言，数据采集模块20包括光电信号转换仪21和光纤光栅解调仪22，光电信号转换仪21布置在所监测的硬壳包体应力计10附近，光电信号转换仪21的一端通过阻燃通信电缆连接硬壳包体应力计10，光电信号转换仪21的另一端通过阻燃通信光缆连接光纤光栅解调仪22，用以将所监测的硬壳包体应力计10的电信号转换为光信号并将其传输至光纤光栅解调仪22。光纤光栅解调仪22布置在有局域网的地方，光纤光栅解调仪22的一端通过阻燃通信光缆连接光电信号转换仪21，另一端通过局域网连接自动分析模块30，用以接收光电信号转换仪21的光信号，并将其转换为电信号后通过局域网传输至自动分析模块30中。本申请通过光电信号转换仪21将硬壳包体应力计10的电信号转换为光信号后进行传输，避免了硬壳包体应力计10的电信号在传输过程中受到电磁场的干扰，保证了信号传输质量；同时，采用光信号进行传输，避免了电信号的衰减问题，提升了传输效率。光电信号间的转化使得监测系统的监测频率最高可达300Hz，大大拓展了监测范围。

在本申请实施例中，自动分析模块30通过硬壳包体应力计10的电阻变化可得出硬壳包体应力计10对应监测点处的应变数据，自动分析模块30根据硬壳包体应力计10的安装数据可获得硬壳包体应力计10的方位信息。自动分析模块30根据硬壳包体应力计10赋存体的弹性模量和泊松比以及方位信息，将采集到的应变数据转换为地下工程上围岩的三维应力数据，进而得到监测点处的应力状态。自动分析模块30根据硬壳包体应力计10的信号可以自动分析出监测位置处的三维应力，还可通过互联网将三维应力发送至其他电脑、手机等设备，还可根据三维应力对动力灾害进行预警。

具体而言，自动分析模块30可以为计算机、PLC控制器等。自动分析模块30的具体工作原理在后续部分进行详细描述。

在本申请实施例中，所述硬壳包体应力计10包括：弹性筒体11和至少三组应变花12，其中，所述弹性筒体11安装于所述钻孔内，至少三组所述应变花12沿周向等间距设置于所述弹性筒体11的筒身内壁上。

地下工程三维应力长期准确监测的影响因素非常隐蔽，因此在现有技术中至今没有一种理想的能够实现三维应力长期准确监测的装置。在经历了大量的研究分析和试验操作后，找到了影响地下工程应力长期测量结果准确性的关键性因素：现有技术中的监测装置结构形式中测量元件仅能贴附在壳体外壁，成活率受到安装中剐蹭和安装后环境侵蚀的影响；现有技术中测量元件所采用的光纤光栅自身物理性能因素。

在试验过程中，本申请制作了一种硬壳包体应力计10，该硬壳包体应力计10包括弹性筒体11和至少三组应变花12。

在本申请实施例中，所述弹性筒体11的材料为弹性钢，且所述弹性钢的厚度不小于2mm。

具体而言，现有技术中的监测装置的壳体普遍采用工业塑料制成，其弹性模量为2-3GPa。由于在以往的研究中并未意识到壳体的材料会影响长期测量结果的准确性，因此壳体材料的选择一直没有得到重视。

本申请通过试验发现，现有技术中的壳体材料具有较强的流变性，将严重影响长期监测的精度，无法用于长期监测。当将监测装置硬壳包体应力计10的壳体改用弹性钢时，且保证弹性钢的厚度不小于2mm时，硬壳包体应力计10的量程不小于150MPa，弹性筒体11模量达200GPa、抗拉强度不小于700MPa，弹性筒体11的流变性大幅度降低，保证了长期监测时的测量精度。

在本申请实施例中，所述弹性筒体11包括：弹性筒身3、弹性压盖1和弹性螺母2，其中，所述弹性筒身3的两端开口，所述弹性螺母2将所述弹性压盖1对应旋紧设置于所述弹性筒身3的两端开口处，所述弹性压盖1对应封堵所述弹性筒身3的两端开口。

具体而言，弹性筒身3呈筒状，两端开口，弹性压盖1至少能够完全覆盖弹性筒身3的两端开口，且每端开口安装有一个弹性螺母2，该弹性螺母2用于将弹性压盖1锁紧在开口处，并且保证弹性压盖1完全覆盖开口，使得弹性筒体11内部的应变花12完全与外界隔绝，保证测量应力的准确性。弹性筒体11内固定有应变花12，应变花12的线缆经由弹性筒体11的端口引出，接入光电信号转换仪21上，用以将硬壳包体应力计10的电信号转换为光信号并将其传输至光纤光栅解调仪22。

在本申请实施例中，所述应变花12包括至少3个电阻应变片4，所有所述电阻应变片4分别沿周向、轴向或与轴向呈±45°的方向布置于所述弹性筒体11的筒身内壁上。电阻应变片4用作测量元件，将测量元件安装位置由现有技术中的壳体外壁变为弹性筒体11的内壁时，可以使得测量元件电阻应变片4得到隔离式保护，成活率提高显著；且用电阻应变片4代替光纤光栅用作测量元件后，产品性能稳定，制作、安装、应用阶段的成活率再次提高。

在本申请实施例中，在至少9个所述电阻应变片4中，至少有6个所述电阻应变片4的布置方向互不平行。

具体而言，三组应变花12沿同一圆周方向等间距布置在弹性筒体11内壁，每组应变花12至少设有三个电阻应变片4，每个电阻应变片4分别沿周向、轴向、或与轴向间隔±45°的方向布置。采用这种布置方式，得到的独立方程多于6个，计算原理更加简单明确，且通过数据处理可以保证采集结果更加科学准确。

在本申请实施例中，所述电阻应变片4的量程不小于2000微应变。

具体而言，硬壳包体应力计10可以用来测量岩石的三维应力变化，特别适合于长期动态的三维应力变化监测。标准的硬壳包体应力计10配置有9个电阻应变片4，在各向同性和各向异性的岩石中均可以进行测量。电阻应变片4通过电阻的变化来反映外界微小应变变化从而实现对地下工程围岩或结构的在线测量，具有测量精度高、能适应复杂环境、测量范围广、寿命长等特点。此外，根据钻孔围岩应力分布公式可知，围岩三维应力共有6个独立分量，因此需要在弹性筒体11内设置至少6个互不平行的电阻应变片4，即可保证钻孔围岩应力计算公式中有6个独立方程，以保证求解三维应力分量。

在本申请实施例中，所述硬壳包体应力计10还包括：温度补偿应变片5，所述温度补偿应变片5沿轴向布置于所述弹性筒体11内，所述温度补偿应变片5的基体材料为弹性钢。

具体而言，硬壳包体应力计10中还配置有不受力且可自由伸缩的温度补偿应变片5，温度补偿应变片5的基体材料与电阻应变片4的材料相同，均为弹性钢，温度补偿应变片5的参数与电阻应变片4的参数一致，通过设置温度补偿应变片5可以剔除由温度扰动引起的测量误差，确保硬壳包体应力计10测量结果的准确性。温度补偿应变片5不受附加外力影响而产生应变，仅与弹性筒体11保持温度同步，通过测量温度变化对温度补偿应变片5应变读数的影响并通过计算以扣除温度变化对所有电阻应变片4的影响，以实现温度补偿功能。

在本申请实施例中，所述弹性筒体11的筒身外壁和所述钻孔的内壁之间的空隙通过快凝注浆材料填充。

具体而言，硬壳包体应力计10由一系列封装在一个已知弹性模量的弹性筒体11内壁上的电阻应变片4构成。可以根据测试需求将多个硬壳包体应力计10组装在一起，在一个钻孔中安装多个硬壳包体应力计10，从而可实现一孔多点三维应力测量，以获得更加全面、丰富的三维应力数据。

弹性筒体11的外径为36mm，一般测试钻孔的钻杆直径范围为38～75mm。硬壳包体应力计10安装在一个适合其外形的38～75mm的钻孔中，通过与钻孔围岩力学性质相近的快凝注浆材料与钻孔内壁进行粘合。弹性筒体11的直径小于钻杆直径，可测得随着时间变化的围岩三维应力。弹性筒体11的外径选择为36mm，一方面能保证硬壳包体应力计10可以深入至钻孔内，另一方面可保证固结的胶体厚度适宜，既有足够的粘结强度，又不至于使用胶体过多而产生浪费。

下面以计算机为例对自动分析模块30的工作原理进行详细描述。

计算机(也即自动分析模块30)中存储有电阻应变片4的电阻变化与硬壳包体应力计10所监测点位处应变数据的对应关系(该对应关系可以预先通过通过试验得到)。硬壳包体应力计10的弹性筒体11安装于地下工程的钻孔中，弹性筒体11内壁布置有电阻应变片4。当钻孔发生形变时，弹性筒体11和其内壁的电阻应变片4相应地也发生变形，电阻应变片4的电阻发生变化，并被测量电路检测到。测量电路检测到的电信号(代表电阻变化)，通过光电信号转换仪21转换为光信号，并被传输至光纤光栅解调仪22，光纤光栅解调仪22将光信号转换为电信号并将其传输至计算机中。计算机通过电阻应变片4的电阻变化以及预先存储的对应关系可以推算出硬壳包体应力计10对应监测点处的应变数据。

计算机中还存储有相应的弹性力学计算公式，当获到监测点处的应变数据时，可以将应变数据自动代入弹性力学计算公式中，求得监测位置处的三维应力状态。简而言之，自动分析模块30根据硬壳包体应力计10中电阻应变片4的电阻变化可以得到硬壳包体应力计10安装位置处的钻孔孔壁应变数据，进而通过弹性力学相关理论计算得到对应监测点处的三维应力。

具体地，通过测量钻孔孔壁处的应变进而求得地下工程中岩体的三维应力的原理如下：

假定地下工程中岩体为弹性均质体，当钻孔受到无穷远处的岩体三维应力作用时，钻孔周边围岩应力分布公式为：

其中，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx为直角坐标系下的岩体三维应力；σ_r、σ_θ、σ_z'、τ_rθ、τ_θz、τ_zr为柱坐标系下的孔边围岩应力；a为钻孔半径。

由弹性力学理论可知，在柱坐标下，应力、位移和应变的关系如下：

其中，ε_r、ε_θ、ε_z'为正应变，γ_rθ、γ_θz、γ_zr为剪应变，u为径向位移，v为周向位移，w为轴向位移，E为弹性模量，μ为泊松比，

从式(7)到式(12)可以发现，钻孔孔壁处的应变或位移与孔边围岩应力具有对应关系。而由式(1)至式(6)可以看出，通过孔边围岩应力可求出岩体三维应力。因此，可以通过测量孔壁处的应变或位移进而求得地下工程中岩体的三维应力。

具体而言，电阻应变片4和温度补偿应变片5的具体布设方案如下：

如图5所示，弹性筒体11内表面沿同一圆周等间距(120°)嵌埋A、B、C三组应变花12，每组应变花12由3个电阻应变片4组成，每个电阻应变片4相互间距45°。温度补偿应变片5的参数与电阻应变片4一致，且布置在弹性筒体11内表面，用于剔除温度扰动引起的电阻变化，使应变测量不受环境温度变化的影响。

本申请将电阻应变片4布设于被测对象，用于材料的变形测试，将温度补偿应变片5布设于相同材料且不受力的构件上，仅用于感受温度变化；以温度补偿应变片5为参考即可得到材料的真实应变。采用温度补偿应变片5作温度补偿，解决了应变-温度交叉敏感问题，剔除了由温度扰动引起的应变测量误差。自动分析模块30与温度补偿应变片5连接，可以使自动分析模块30直接计算出消除温度影响之后的准确的三维应力值。

采用本申请提供的一种地下工程三维应力监测系统的具体实施方案如下：

步骤1：施工安装钻孔：在所选测试位置使用SGM—1A型地质钻机，配φ42mm接长钻杆，运用特制的钻头(φ38～75mm，)，在所测巷道壁上钻取安装钻孔，钻孔上倾大于5°，以便排水和清洗钻孔，孔打好后，用水冲洗干净，再用酒精或丙酮擦洗。

步骤2：组装三维应力监测装置：根据测量需求，将一个或多个硬壳包体应力计10进行组装。

步骤3：检查监测装置的可靠性及稳定性：将硬壳包体应力计10通过光电信号转换仪21和光纤光栅解调仪22与自动分析模块30连接，检测系统的可靠性及稳定性。

步骤4：安装三维应力监测装置：用推送杆将组装完成的监测装置放入钻孔内指定位置，同时现场配制快凝注浆材料，然后将快凝注浆材料注入到钻孔内部，待凝固后完成硬壳包体应力计10在钻孔内的安装。

步骤5：进行三维应力长期动态监测：基于电阻应变片传感技术和三维应力计算公式得到地下工程三维应力。

本申请通过对弹性筒体11结构的设计、弹性筒体11材料厚度的选择和筒体内径的限定以及电阻应变片4的使用，使得硬壳包体应力计10可以测量三维应力，同时提高了硬壳包体应力计10的监测量程与使用寿命，对于地下工程复杂地质和水文条件的适应性强，不仅实现对工程建设期的岩体应力测试，更能应用于工程运行期的长期动态跟踪监测，稳定性好，可靠性高。该技术处于国际领先地位，填补了业内空白。

由此可见，本申请提供的一种地下工程三维应力监测系统可以实现地下工程复杂环境下冲击地压三维应力演化过程的动态长期监测，真实反映岩体中的三维应力实时状态、空间分布及演化规律，为复杂条件下地下工程长期、动态、有效的三维应力及其分布测试提供了可能，为工程灾害的预警和控制提供了原位基础数据，可解决以往无法实现三维应力的动态监测问题。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种地下工程三维应力的硬壳包体应力计，其特征在于，包括：弹性筒体和至少三组应变花，其中，所述弹性筒体安装于地下工程的钻孔内，至少三组所述应变花沿周向等间距设置于所述弹性筒体的筒身内壁上；所述弹性筒体包括：弹性筒身、弹性压盖和弹性螺母，其中，所述弹性筒身的两端开口，所述弹性螺母将所述弹性压盖对应旋紧设置于所述弹性筒身的两端开口处，所述弹性压盖对应封堵所述弹性筒身的两端开口，所述应变花包括至少3个电阻应变片，所有所述电阻应变片分别沿周向、轴向或与轴向呈±45°的方向布置于所述弹性筒体的筒身内壁上，所述硬壳包体应力计还包括：温度补偿应变片，所述温度补偿应变片沿轴向布置于所述弹性筒体内，所述温度补偿应变片的基体材料与电阻应变片的材料相同，均为弹性钢，温度补偿应变片的参数与电阻应变片的参数一致,所述弹性筒体的材料为弹性钢，且所述弹性钢的厚度不小于2mm，硬壳包体应力计的量程不小于150 MPa，弹性筒体模量达200GPa、抗拉强度不小于700MPa，在至少9个所述电阻应变片中，至少有6个所述电阻应变片的布置方向互不平行。

2.根据权利要求1所述的地下工程三维应力的硬壳包体应力计，其特征在于，所述电阻应变片的量程不小于2000微应变。

3.根据权利要求1所述的地下工程三维应力的硬壳包体应力计，其特征在于，所述弹性筒体的筒身外壁和所述钻孔的内壁之间的空隙通过快凝注浆材料填充。

4.一种地下工程三维应力监测系统，其特征在于，包括：

硬壳包体应力计，用于采集地下工程的三维应力，所述硬壳包体应力计设置于所述地下工程的钻孔内；

数据采集模块，用于采集所述硬壳包体应力计的测量数据，所述数据采集模块与所述硬壳包体应力计连接；

自动分析模块，用于根据所述数据采集模块传输的数据自动分析出监测位置处的三维应力，所述自动分析模块与所述数据采集模块连接；

其中，所述硬壳包体应力计包括如权利要求1-3中任一所述的硬壳包体应力计。

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