CN212007605U - 一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其中，托盘、排气管、注浆钢管为一体结构，排气管的一端安装有排气管开关阀，注浆钢管一端安装有注浆钢管开关阀，注浆钢管另一端通过连接钢管与延伸钢管一端连接，延伸钢管另一端轴向密闭并贯通杆体穿出后顶住注浆孔洞最顶端的围岩，同时在延伸钢管密闭端法向开有圆孔，密封孔塞嵌套在注浆钢管与排气管上；杆体上设置有多个凹槽，每个凹槽内黏贴固定有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机连接；定位组件一端接触围岩，定位组件另一端与光纤光栅传感器连接；通过加压注浆，使得围岩、杆体与光纤光栅传感器贴合更紧密，测得数据更加准确可靠。

Description

一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置

技术领域

本实用新型涉及隧道、矿山等围岩应力监测装置技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置。

背景技术

多年来，在我国各类隧道围岩事故中，隧道坍塌等事故时有发生，严重威胁工作人员的生命安全，且对施工质量和进度也造成很大地影响，为保证现场安全施工与施工质量，对围岩应力的监测越来越受到重视，同时对监测的准确性、可靠性及在线监测能力的要求也越来越高。

在围岩监测中，传统应力监测多采用电阻应变片、振弦式压力盒等测试设备，但由于传统的电阻式、振弦式等电信号测量装置存在着不同缺陷，受使用条件限制，如在雷雨天气或强磁场环境下受干扰严重，无法准确测量围岩的应力变化，且测试效率不高，传感元件易损坏，无法对监测进行远程监控，不能实现实时在线监测和长期监测。

目前，多数围岩应力传感器（或量测装置）无法与围岩贴合密实，导致传感装置不能真实反映围岩的应力变化，测量精度不够准确，从而影响测量的可靠性；此外，虽然锚杆式围岩应力监测装备可通过压力注浆等方法使传感器和围岩紧密贴合，但是锚杆端头因螺母拧紧在托盘上，易导致锚杆轴向受到约束力，此时杆体受到的力不单单是来自于围岩，从而增加了杆体变形的影响因素，使得测量结果不够精确。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，以解决上述背景技术中的问题。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，包括用于与围岩接触的托盘、排气管、注浆钢管、定位组件、连接钢管、延伸钢管、光纤光栅传感器、杆体、光纤光栅解调仪及计算机，其中，托盘、排气管、注浆钢管为一体结构，且在托盘上设置有用于预埋光纤通过的光纤预留孔，排气管的一端安装有排气管开关阀，注浆钢管一端安装有注浆钢管开关阀，注浆钢管另一端通过连接钢管与延伸钢管一端连接，延伸钢管另一端轴向密闭并贯通杆体穿出后顶住注浆孔洞最顶端的围岩，同时在延伸钢管密闭端法向开有用于注浆时将水泥浆透入注浆区的圆孔，用于密封注浆孔洞口的密封孔塞嵌套在注浆钢管与排气管上，将注浆区与注浆孔洞外界隔绝为两个空间，使其相互不通；通过设置连接钢管，使注浆钢管与延伸钢管连接时两者管径中心轴线相同，以实现更好连接；杆体上设置有多个凹槽，每个凹槽内黏贴固定有用于感知杆体变形的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机连接；用于使杆体固定在注浆孔洞中轴线位置的定位组件一端接触围岩，定位组件另一端与杆体上的光纤光栅传感器连接，以确保杆体与围岩之间水泥浆厚度填充均匀，从而减少或避免围岩与光纤光栅传感器之间出现应力集中现象，提高围岩应力量测的准确性。

在本实用新型中，所述光纤光栅传感器内部放置有温度光纤光栅和应变光纤光栅，温度光纤光栅不受力只受温度影响，用以消除温度对测量结果的影响；从注浆钢管注浆，浆液从排气管返浆，用于将圆孔内空气排除干净，通过加压注浆，让浆液向孔洞各个位置充分扩散，注浆更密实，使得围岩、中空杆体与光纤光栅传感器贴合更紧密，测得数据更加准确可靠。

在本实用新型中，所述在托盘的四个角各设置有一个螺栓孔，螺栓用于固定和拧紧托盘，在托盘与围岩接触面之间设有密封垫。

在本实用新型中，所述注浆钢管另一端设置有与延伸钢管连接的锥形接头，同时在延伸钢管与锥形接头连接端设置有喇叭形接口，喇叭形接口处设置有密封圈，通过拧紧托盘上的螺栓，使注浆钢管和延伸钢管密封接触连接。

在本实用新型中，所述杆体为中空结构。

在本实用新型中，所述延伸钢管比杆体长，以将延伸钢管与杆体固定为一体。

在本实用新型中，所述杆体表面刻有六个凹槽，且每三个凹槽在一条线上，另外三个凹槽设置在与其杆体中心轴对称的位置。

在本实用新型中，所述密封孔塞表面涂抹有一层脱模剂，以方便注浆完成后拔出密封孔塞。

在本实用新型中，连接钢管的管径＜注浆钢管和延伸钢管的管径，便于连接钢管在注浆钢管与延伸钢管内自由滑动，同时为限制连接钢管一端位置移动，便于安装，在位于延伸钢管的一端设置有用于对连接钢管进行限位的限位螺丝，当注浆完成后，待注浆钢管与托盘和密封孔塞一起拔出孔洞后，连接钢管可以从延伸钢管内抽出。

在本实用新型中，所述连接钢管的内表面与外表面分别涂抹有润滑油，以便连接钢管在注浆钢管与延伸钢管内自由滑动，同时，便于注浆完成后，连接钢管从延伸钢管内拔出。

有益效果：

1）本实用新型中设置有注浆钢管、排气管、及用于使注浆钢管与延伸钢管连接时两者管径中心轴线相同的连接钢管，从注浆钢管注浆，浆液从排气管返浆，可以将孔内空气排除干净，通过加压注浆，让浆液向注浆孔洞各个位置充分扩散，注浆更密实，使得围岩、杆体与光纤光栅传感器贴合更紧密，测得数据更加准确可靠，且通过连接钢管确保注浆钢管与延伸钢管始终处于相匹配的位置，防止注浆钢管悬空；

2）本实用新型中光纤光栅传感器设置有定位组件，定位组件一端接触围岩，定位组件另一端与杆体上的光纤光栅传感器连接，使光纤光栅传感器固定在孔洞中轴线位置，确保光纤光栅传感器与围岩之间水泥浆厚度填充均匀，从而减少或避免围岩与光纤光栅传感器之间出现应力集中现象，提高围岩应力量测的准确性；

3）本实用新型中待注入的水泥浆终凝后，卸掉螺栓，拆除托盘，零件可以反复利用，节约成本；

4）本实用新型中拆除托盘后，托盘对杆体无轴向约束力，杆体只受围岩应力影响，既应用锚杆注浆工艺，又避免托盘等零件对杆体产生力的影响，测量结果更加精确，减少影响因素，处理更加简单；

5）本实用新型中待装置埋入完成后，注浆孔洞外无托盘、螺母、锚杆等零部件，隧洞表面更整洁，也有利于其他施工作业的进行；

6）本实用新型中可避免因测量装置固定不牢固而导致滑落，有效保障施工人员安全作业；且结构简单，安装简便；

7）本实用新型中传感元件采用光纤光栅传感器，通过光纤与外界连接，光纤光栅传感器具有耐高温、不受电磁干扰、体积小、精度高等特点，可在严酷的工作环境下正常服役，以替代传统电测式传感器。

附图说明

图1为本实用新型的较佳实施例的结构剖视图。

图2为本实用新型的较佳实施例的使用示意图。

图3为图1中A-A处剖视图。

图4为本实用新型的较佳实施例中的注浆管锥形接头通过连接钢管与延伸钢管喇叭形接口连接处示意图。

图中标注：螺栓1、光纤预留孔2、托盘3、排气管4、注浆钢管5、密封孔塞6、密封圈7、定位组件8、锥形接头9、喇叭形接口10、延伸钢管11、圆孔12、光纤光栅传感器13、光纤14、中空杆体15、注浆区16、光纤光栅解调仪17、计算机18、排气管开关阀19、注浆钢管开关阀20、密封垫21及围岩22、连接钢管23、限位螺丝24。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1～4的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其中，托盘3、排气管4、注浆钢管5为一体结构，并在托盘3的四个角各设置有一个螺栓孔，螺栓1用于固定和拧紧托盘3，在托盘3与围岩22接触面之间设有密封垫21，且在托盘3设置有光纤预留孔2，用于预埋光纤14通过；排气管4的一端安装有排气管开关阀19，注浆钢管5一端安装有注浆钢管开关阀20，注浆钢管5另一端设置有与延伸钢管11连接的锥形接头9，延伸钢管11与锥形接头9连接端设置有喇叭形接口10，喇叭形接口10处设置有密封圈7，

通过拧紧托盘3上的螺栓1，使注浆钢管5和延伸钢管11密封接触连接，延伸钢管11另一端轴向密闭并贯通中空杆体15穿出后顶住注浆孔洞最顶端的围岩22，同时在延伸钢管11密闭端法向开有圆孔12，圆孔12用于注浆时将水泥浆透入注浆区16，且延伸钢管11比中空杆体15长，以将延伸钢管11与中空杆体15固定为一体，密封孔塞6嵌套在注浆钢管5与排气管4上，将注浆区16与注浆孔洞外界隔绝为两个空间，使其相互不通；

为使注浆钢管5与延伸钢管11连接时两者管径中心轴线相同，以实现更好连接，在注浆钢管5与延伸钢管11内设置有连接钢管23，且连接钢管23的管径＜注浆钢管5和延伸钢管11的管径，便于连接钢管23在注浆钢管5与延伸钢管11内自由滑动，同时为限制连接钢管23一端位置移动，便于安装，在位于延伸钢管11的一端设置有用于对连接钢管23进行限位的限位螺丝24；

中空杆体15上设置有凹槽，凹槽内黏贴固定有光纤光栅传感器13，用于感知中空杆体15的变形；当中空杆体15安装就位后，通过拧紧托盘3上的螺栓1，使注浆钢管5与延伸钢管11密封接触连接，然后进行孔内注浆工作；当孔内水泥浆达到终凝后，松开托盘3上的螺栓1，卸下托盘3及密封孔塞6，将连接钢管23从延伸钢管11内拔出，从而使孔内的光纤光栅传感器13只受围岩22给予的压力作用，有效消除传统以锚杆为介质的围岩应力监测设备中锚杆锚固端对围岩与传感器之间相互作用的影响，从而提高围岩应力测量的准确性；最后，通过光纤14将光纤光栅传感器13与孔外的光纤光栅解调仪17连接，采集监测数据，光纤光栅解调仪17与计算机18连接，用于处理采集的监测数据；

定位组件8一端接触围岩22，另一端与中空杆体15上的光纤光栅传感器13连接，使中空杆体15固定在孔洞中轴线位置，以确保中空杆体15与围岩22之间水泥浆厚度填充均匀，从而减少或避免围岩22与光纤光栅传感器13之间出现应力集中现象，提高围岩22应力量测的准确性；

在本实施例中，光纤光栅传感器13内部放置有温度光纤光栅和应变光纤光栅，温度光纤光栅不受力只受温度影响，用以消除温度对测量结果的影响；从注浆钢管5注浆，浆液从排气管4返浆，用于将圆孔12内空气排除干净，通过加压注浆，让浆液向注浆孔洞各个位置充分扩散，注浆更密实，使得围岩22、中空杆体15与光纤光栅传感器13贴合更紧密，测得数据更加准确可靠。

使用时，首先，在待测点位进行开孔，并采用泥浆护壁循环成孔，而后将延伸钢管11和中空杆体15放入注浆孔洞内，如图1所示，中空杆体15表面刻有六个凹槽，且每三个凹槽在一条线上，另外三个凹槽在与其杆体中心轴对称的位置，每个凹槽均放有光纤光栅传感器13；如图2所示，延伸钢管11带圆孔12的一端置内，且延伸钢管11紧紧顶住孔洞最顶端的围岩22，通过定位组件8将其固定在孔洞轴向中央位置，防止脱落，并方便注浆时浆液流至孔壁周围；而后将带有排气管4、注浆钢管5及密封孔塞6的托盘3通过注浆管5套入连接钢管23中，依次顺着连接钢管23将密封孔塞6插入注浆孔洞内，而后拧紧托盘3上的螺栓1，将注浆钢管5的锥形接头9与延伸钢管11的喇叭形接口10紧密接触，因注浆钢管5与延伸钢管11通过连接钢管23 串联于一体，有效确保注浆钢管5与延伸钢管11两者管径中心轴线一致，安装初步完成；密封孔塞6在安装就位前在其表面涂抹一层脱模剂（如废机油），以方便注浆完成后拔出密封孔塞6；连接钢管23在安装前在其内、外表面涂抹润滑油，以便连接钢管23在注浆钢管5与延伸钢管11内自由滑动，同时方便注浆完成后从延伸钢管11内拔出；

注浆之前需要对钻孔进行清洗，通过注浆钢管5连接注浆泵，用清水清洗钻孔至排气管4返出清水为止；清孔完毕后开始准备注浆，通过注浆钢管5进行一次注浆，水泥浆通过注浆钢管5进入延伸钢管11，在从延伸钢管11另一端的圆孔12进入注浆区16，直至排气管4返出新鲜浓浆液为止，关掉排气管开关阀19，保持一定注浆压力5min，而后，关掉注浆钢管开关阀20；待间隔24小时左右，进行二次注浆，注浆压力不小于2Mpa，使其内部注浆更加密实；待混凝土终凝之后，下掉螺栓1，拿掉托盘3、排气管4和密封孔塞6，拔出连接钢管23，同时将注浆钢管5从延伸钢管11的喇叭形接口10处拔出，使得中空杆体15和延伸钢管11只受围岩22应力作用；最后将注浆洞口填封，待水泥浆完全凝固达到设计强度之后，即可进行围岩应力的监测工作。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，包括用于与围岩接触的托盘、排气管、注浆钢管、连接钢管、定位组件、延伸钢管、光纤光栅传感器、杆体、光纤光栅解调仪及计算机，其特征在于，托盘、排气管、注浆钢管为一体结构，且在托盘上设置有用于预埋光纤通过的光纤预留孔，排气管的一端安装有排气管开关阀，注浆钢管一端安装有注浆钢管开关阀，注浆钢管另一端通过连接钢管与延伸钢管一端连接，延伸钢管另一端轴向密闭并贯通杆体穿出后顶住注浆孔洞最顶端的围岩，同时在延伸钢管密闭端法向开有用于注浆时将水泥浆透入注浆区的圆孔，用于密封注浆孔洞口的密封孔塞嵌套在注浆钢管与排气管上；杆体上设置有多个凹槽，每个凹槽内黏贴固定有用于感知杆体变形的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机连接；用于使杆体固定在注浆孔洞中轴线位置的定位组件一端接触围岩，定位组件另一端与杆体上的光纤光栅传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器内部放置有温度光纤光栅和应变光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述托盘的四个角各设置有一个螺栓孔。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述托盘与围岩接触面之间设有密封垫。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述注浆钢管另一端设置有与延伸钢管连接的锥形接头，同时在延伸钢管与锥形接头连接端设置有喇叭形接口，喇叭形接口处设置有密封圈。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述杆体为中空结构。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述延伸钢管长度比杆体长。

8.根据权利要求7所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述杆体表面刻有六个凹槽，且每三个凹槽在一条线上，另外三个凹槽设置在与其杆体中心轴对称的位置。

9.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述密封孔塞表面涂抹有一层脱模剂。

10.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的围岩应力测量装置，其特征在于，所述连接钢管的管径＜注浆钢管和延伸钢管的管径，同时在位于延伸钢管的一端设置有用于对连接钢管进行限位的限位螺丝。

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