一种基于隧道钢拱架的微震传感器安装装置及使用方法

1.本发明属于隧道工程监测技术领域，具体涉及一种基于隧道钢拱架的微震传感器安装装置及使用方法；利用本装置对于微震信号具有良好频响特性及其独特结构设计特点，可为隧道微震监测中传感器快速安装拆卸提供了一种有效技术手段。


背景技术：

2.近年来，一种被喻为“岩石破裂听诊器”微震监测新技术被引入至隧道安全监测中，其可有效揭示隧道围岩发生板裂、塌方、岩爆等工程地质灾害现象会出现的典型前兆特征，以此实现灾害发生前夕的准确预测预警。
3.微震监测技术中最关键的技术之一，即有效布设微震传感器以精准获取岩体破裂的微震信号。当前，隧道工程中微震传感器布设方式主要采用钻孔埋入法，通过将微震传感器与钻内岩壁牢固贴合，以采集到通过岩壁传输而来的岩石破裂信号。但是，上述方法安装/拆卸过程需要钻设孔洞、预埋传感器、固定传感器及回收传感器等多个工序，不仅需要多人协助配合，而且费时费力；此外，为了有效获取岩体破裂所产生的微震信号，此方法对钻孔方位、预埋深度以及传导途径均有一定的要求，由此要求操作人员具备一定程度信号学及岩石工程领域知识；随着隧道工程不断开挖拓展，在长时间受到开挖及车辆扰动的影响下，钻设孔洞时常会发生塌孔现象，从而导致安装于孔内传感器难以回收或是无法回收问题，微震传感器属于一种价格高昂精密仪器，频繁的塌孔事件会大幅度增加隧道施工成本；更重要的是，其所存在安装不便性及低稳定性的局限性会限制其于隧道施工安全监测中应用。
4.因此，为了克服隧道微震监测的传感器传统安装方法的局限性，亟待研发一种安装免钻孔、信号获取可靠性高、监测稳定性强及操作高效简便，且无需要求操作人员具备专业领域知识背景的微震传感器安装装置及使用方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服上述技术问题，利用隧道围岩破裂所产生微震信号可沿岩石
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锚杆
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钢拱架传播特性，提供一种免于钻孔、便于安装和回收的传感器安装装置，即一种基于隧道钢拱架的微震传感器安装装置及使用方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
7.一种基于隧道钢拱架的微震监测传感器安装装置，其特征在于，包括吸附装置，保护壳，固定环，传感器，导轨和限位板；所述吸附装置用于固定由所述保护壳为框架的安装装置主体部分于钢拱架上，共有四个此装置布置于安装装置主体部分四周；所述吸附装置包括永磁铁、套壳以及卡柱；所述永磁铁用于提供所述吸附装置安装所需的强吸附力；所述套壳用于保护所述永磁铁，提高其耐久性，并使其与卡柱嵌合于一个整体；所述卡柱用于将所述吸附装置与所述保护壳相嵌合，使安装装置主体部分与吸附装置形成一个完成的整体。
8.所述保护壳用于保护所述传感器，并构成安装装置的主体框架，包括主体壳、后盖和卡环；所述主体壳为一个前端具有中心圆空心孔洞，后端为空心的半封闭式、长方体框架，用于侧端保护所述传感器，所述前端空心孔洞用于建立所述传感器与钢拱架之间的良好接触体系；所述后盖通过于所述主体壳顶端的铰接结构相连接，形成所述保护壳后端开启和关闭，使所述传感器可便捷的安装/拆卸，并用于后端保护所述传感器，还预留了一个小型空心圆孔来引出所述传感器传输电缆；所述卡环共有四个，分布于所述主体壳前端侧面四周，用于所述吸附装置与所述保护壳进行良好的嵌合。
9.所述固定环用于径向约束所述传感器于装置中心位置，保证振动过大情况下所述传感器与钢拱架之间仍为一个良好振动体系，包括条形扇片和压缩弹簧；所述条形扇片用于贴合所述传感器，共有四条分布于传感器四周；所述压缩弹簧通过与所述扇片凸面中心相连接来传输其结构产生压缩力，以此使所述传感器得以固定。
10.所述传感器用于获取岩体破裂所产生微震信号，所述获取微震信号通过所述传感器末端数据传输电缆传输至微震监测系统内；所述传感器呈圆柱体结构。
11.所述导轨用于提供限位板的与所述保护壳后端内部空间移动，共有四对分布在所述保护壳内四周角部位置；其中每对导轨具有一个梯形截面以及三角形截面导轨，简称为梯形/三角形导轨，两种导轨底面与均所述保护壳牢固的焊接于一个整体，所述梯形导轨斜面为密集型齿纹面固定导向空间，而所述三角形导轨为光滑面导向空间，二者分别用于限位板的轴向固定或是移动。
12.所述限位板用于轴向约束所述传感器移动，保证其与钢拱架接触面良好接触；其整体截面近似呈两端部角度具有小长方形导块的特殊多边形，面向三角形导块的导向空间的小长方形导块截面为光滑面，而面向梯形导块的导向空间的小长方形导块截面为与其对应密集型齿纹面，由此，端部小长方形导块可嵌入至所述三角形导块的光滑面导向空间实现所述子限位板轴向移动，若需固定时，将所述子限位板向上/端移动至梯形导轨的固定导向空间，并且，所述限位板具有上、下两块，以此构建所述传感器轴向约束体。
13.限位板还包括紧固杆、紧固螺栓和拉环三个辅助安装部件；所述紧固螺旋与所述紧固杆之间为一种螺纹齿传动结构，通过对所述紧固螺旋进行顺/逆时针转动，可带动所述紧固杆实现伸出/回缩；其中所述伸出功能可实现上、下两块子限位板构成一个整体，并使整个上、下限位板分别于顶端、底端的滑块之间形成强大咬合力，最终实现所述传感器轴向约束；所述拉环用于安装/拆卸时简便操作限位板，近似呈圆形。
14.另一方面，本发明还提供了一种基于隧道钢拱架的微震传感器安装装置的使用方法：
15.步骤1，将所述传感器嵌入所述保护壳所构建安装装置主体框架内，并通过所述固定环提供有效压缩力约束传感器径向移动；
16.步骤2，通过所述导轨以及所述限位板所组成的轴向约束体系，初步约束所述传感器轴向移动；
17.步骤3：利用所述卡柱以及所述卡环嵌合结合，将四个所述吸附装置安装至所述保护壳所构成的安装装置主体部分上；
18.步骤4，在所述传感器底面涂抹耦合剂后，通过所构成的安装装置上的所述吸附装置安装于钢拱架顶端一定范围内，并再次调整所述保护壳内部的所述限位板轴向位置，限
制所述传感器轴向移动；
19.步骤5：将所述传感器末端的数据传输电缆于所述保护壳底端预留圆形孔洞穿出，并与微震监测系统相连接；
20.步骤6：拆卸装置时，基本按照步骤1-5逆序操作即可。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果：
22.(1)本发明所提供的安装装置利用了隧道内支护体系(锚杆和钢拱架)所存在良好的岩体破裂微震信号传播特性，即微震信号遵循岩石
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锚杆
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钢拱架传播特征；不仅实现了岩体破裂的微震信号有效获取，而且实现了于隧道支护表面快速安装拆卸微震传感器，具有安装免钻孔、信号获取可靠性高、监测稳定性强及操作高效简便特点，且不需要操作人员具备相关专业领域知识；
23.(2)本发明所提供的安装装置所采用安装方式为磁力吸附，不仅克服了传统微震传感器安装时需钻孔或是拆卸时所存在的费时费力的局限性，而且降低了微震监测技术对于隧道施工影响(无需钻孔，不影响正常施工以及围岩支护稳定性)，甚至还可将此安装装置迁移至具有铁质构件固定物的其他岩体工程的施工过程监测或是运营期监测。
24.(3)本发明所提供的安装装置，限制微震传感器径向移动的子部件固定环通过弹簧可压缩特性，能够调节固定环的直径大小，以此实现多种直径的传感器径向固定；此外，由导轨以及限位板所组成限制传感器轴向固定体系，利用导轨所具备的大幅度移动特性以及二者之间良好咬合固定方式，可适应多种长度的传感器轴向固定；因此，本文安装装置能够适用于多种尺度微震传感器安装，对传感器的尺寸特定要求少，通用性强。
附图说明
25.图1为本发明实施例1所提供的一种基于隧道钢拱架的微震传感器安装装置的结构示意图。
26.图2为本发明实施例1所提供的安装装置中吸附装置以及固定环的剖面图。
27.图3为本发明实施例1所提供的安装装置轴向限位的结构示意图。
28.图4为本发明实施例1所提供的安装装置中导轨面与限位板导块紧固咬合的结构示意图。
29.图5为本发明实施例1所提供的安装装置中紧固杆和紧固螺栓相互咬合传动的结构示意图。
30.图6为本发明实施例2所提供安装装置使用方法流程图。
31.图7为本发明实施例2所提供的安装装置的安装实例示意图。
具体实施方式
32.为了便于本领域普通人员能够更好的理解和实施本发明，下面结合附图对本发明所提供的装置和方法作进一步的说明，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
33.实施例1
34.附图1为本发明实例一种基于隧道钢拱架的微震传感器安装装置的结构示意图，其装置包括吸附装置(1)，保护壳(2)，固定环(3)，传感器(4)，导轨(5)和限位板(6)。
35.所述吸附装置(1)用于固定由所述保护壳为框架的安装装置主体部分于钢拱架上，共有四个此装置布置于安装装置主体部分四周；所述吸附装置(1)包括永磁铁(1-1)、套壳(1-2)以及卡柱(1-3)；所述永磁铁(1-1)用于提供所述吸附装置(1)安装所需的强吸附力；所述套壳(1-2)用于保护所述永磁铁(1-1)，提高其耐久性，并使其与卡柱(1-3)嵌合于一个整体；所述卡柱(1-3)用于将所述吸附装置(1)与所述保护壳(2)相嵌合，使安装装置主体部分与吸附装置(1)形成一个完成的整体。
36.可选的，所述永磁铁(1-1)为钕铁硼磁铁，具有强磁性，为圆柱体形状嵌入所述套壳(1-2)内，所述套壳(1-2)为不锈钢，抗磨腐蚀性强与所述卡柱(1-3)一体铸造，提高与卡环相接处的结构强度。
37.所述保护壳(2)用于保护所述传感器(4)，并构成安装装置的主体框架，包括主体壳(2-1)、后盖(2-2)和卡环(2-3)；所述主体壳(2-1)为一个前端具有中心圆空心孔洞，后端为空心的半封闭式、长方体框架，用于侧端保护所述传感器(4)，所述前端空心孔洞用于建立所述传感器(4)与钢拱架之间的良好接触体系；所述后盖(2-2)通过于所述主体壳(2-1)顶端的铰接结构相连接，形成所述保护壳(2)后端开启和关闭，使所述传感器(2)可便捷的安装/拆卸，并用于后端保护所述传感器(4)，还预留了一个小型空心圆孔来引出所述传感器(4)传输电缆；所述卡环(2-3)共有四个，分布于所述主体壳(2-1)前端侧面四周，用于所述吸附装置(1)与所述保护壳(2)进行良好的嵌合。
38.可选的，所述保护壳(2)整体用铝合金分块制造组装，减小装置的整体重量，提高安装的稳定性和牢靠度。
39.附图2为本发明所提供安装装置的吸附装置(1)和固定环(2)的剖面图，显示了传感器(4)在固定环中的约束状态以及多个吸附装置(1)于安装装置上的分布形式；
40.所述固定环(3)用于径向约束所述传感器(4)于装置中心位置，保证振动过大情况下所述传感器(4)与钢拱架之间仍为一个良好振动体系，包括条形扇片(3-1)和压缩弹簧(3-2)；所述条形扇片(3-1)用于贴合所述传感器(4)，共有四条分布于传感器四周；所述压缩弹簧(3-2)通过与所述扇片(3-1)凸面中心相连接来传输其结构产生压缩力，以此使所述传感器(4)得以固定。
41.优选的，所述条形扇片(3-1)由一个完整柱环一分为四组成，扇片具有一定的变形延展变形性，以适应不同直径传感器的曲面弧度。
42.进一步的，在所述固定环(3)空置状态下，弹簧从四向传递压缩力，使所述条形扇片(3-1)组成形成一个直径略小于常用传感器最小直径的柱环，柱环可以通过所述弹簧(3-2)的压缩/回弹来调节固定环直径，适应不同直径大小的传感器。
43.所述传感器(4)用于获取岩体破裂所产生微震信号，所述获取微震信号通过所述传感器(4)末端数据传输电缆(4-2)传输至微震监测系统内；所述传感器(4)呈圆柱体结构；
44.附图3和附图4为本发明所提供的安装装置轴向限位的结构示意图，显示了限位板(6)在移动和固定两种状态下与导轨(5)之间的接触关系。
45.所述导轨(5)用于提供限位板(6)于所述保护壳(2)后端内部空间移动，共有四对导轨分布在所述保护壳(2)内四周角部位置；
46.可选的，所述导轨(5)每对导轨具有一个梯形截面以及三角形截面导轨，简称为梯形/三角形导轨，如图3所示；两种导轨底面与均所述保护壳(2)牢固的焊接于一个整体，所
述梯形导轨斜面为密集型齿纹面固定导向空间，而所述三角形导轨为光滑面导向空间，二者分别用于限位板(6)的轴向固定或是移动。
47.所述限位板(6)用于轴向约束所述传感器(4)移动，保证其与钢拱架接触面良好接触；其整体截面近似呈两端部角度具有小长方形导块的特殊多边形，面向三角形导块的导向空间的小长方形导块截面为光滑面，而面向梯形导块的导向空间的小长方形导块截面为与其对应密集型齿纹面(如图4所示)，由此，端部小长方形导块可嵌入至所述三角形导块的光滑面导向空间实现所述子限位板轴向移动，若需固定时，将所述限位板向上/下端移动至梯形导轨的固定导向空间，并且，所述限位板具有上、下两块，以此构建所述传感器(4)轴向约束体。
48.可选的，所述限位板(6)每块板厚度15mm，限位板长边中心处有直径为10mm的内凹圆弧，上下两块限位板在圆弧处的最大空隙为10mm，用于传感器的导线穿过，传感器的主体无法穿过圆弧孔，从而起到轴向限位的作用。
49.附图5为所述安装装置限位板紧固杆和紧固螺旋相互咬合传动结构的示意图。
50.所述限位板(6)还包括紧固杆(6-1)、紧固螺栓(6-2)和拉环(6-3)三个辅助安装部件；所述紧固螺旋(6-2)与所述紧固杆(6-1)之间为一种螺纹齿传动结构，通过对所述紧固螺旋(6-2)进行顺/逆时针转动，可带动所述紧固杆(6-1)实现伸出/回缩；其中所述伸出功能可实现上、下两块子限位板构成一个整体，并使整个上、下限位板分别于顶端、底端的滑块之间形成强大咬合力，最终实现所述传感器(4)轴向约束；
51.可选的，所述紧固杆(6-1)上为环向螺纹齿，所述紧固螺旋(6-2)上为斜纵向螺纹齿，两者相互咬合，紧固螺旋旋转可带动紧固杆上下移动。
52.可选的，所述拉环(6-3)用于安装/拆卸时简便操作限位板，近似呈圆形，与限位板铰接相连，可转动。
53.实施例2
54.附图6为本发明的所提供的一种基于隧道钢拱架的微震传感器安装装置的使用方法流程图，本实施例具体应用的隧道工程为广西壮族自治区河池市某段高速公路某隧道，该隧道为圆弧型断面，衬砌后断面尺寸直径为8m。
55.步骤s1，将所述传感器(4)嵌入所述保护壳(2)所构建安装装置主体框架内，并通过所述固定环(3)提供有效压缩力约束传感器径向移动；
56.示例性的，由于此地区山体主要以岩溶地貌为主，隧道内多为软弱破碎围岩，岩石破裂后所产生微震信号衰减程度大，本实例采用灵敏度高达30v/g的超灵敏加速度传感器，其分辨率为0.0005g；此外，此传感器核心振动体尺寸φ30mm
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72mm的圆柱体。
57.示例性的，本传感器输出端为一种bnc接口，方便传感器组装及拆卸，简化了复杂隧道工程中微震传感器安装的实施难度。
58.示例性的，所采用的固定环在自然状态下的直径为15mm，在传感器通过固定环尾端成角度嵌入安装情况下，极易将传感器完全固定于固定环内，实现传感器的径向约束。
59.步骤s2，通过所述导轨(5)以及所述限位板(6)所组成的轴向约束体系，初步约束所述传感器(4)轴向移动；
60.示例性的，通过对上、下限位板中所预设的拉环施加中心压力，同时，还作用一个沿着传感器方向轴向推力，致使限位板于光滑导轨面进行轴向滑动，直至限位板与传感器
主体结构之间完全接触。
61.示例性的，通过顺时针扭动限位板上的紧固螺栓，使其带动紧固杆从限位板内侧伸出，并向着另一块限位板移动；当紧固杆伸出一定长度后，能够与另一块限位板的预设一定长度螺纹孔相嵌合；使得上、下两块限位板形成一个相互连接的整体结构，并能够一定程度上约束传感器的轴向移动。
62.步骤s3：利用所述卡柱(1-3)以及所述卡环(2-3)嵌合结合，将四个所述吸附装置(1)安装至所述保护壳(2)所构成的安装装置主体部分上；
63.示例性的，为了保持安装时的安装装置组件的整体平衡性，通过对称式安装方式，将四个吸附装置逐步(先上下/后左右，或相反)安装于保护壳周边。
64.步骤s4，在所述传感器(4)底面涂抹耦合剂后，通过所构成的安装装置上的所述吸附装置(1)安装于钢拱架顶端一定范围内，并再次调整所述保护壳(2)内部的所述限位板(6)轴向位置，限制所述传感器(4)轴向移动；
65.示例性的，本实施例所应用的公路隧道洞径较高(达8m)，过往施工车辆不易于断面两侧顶端以上部分相接触；因此，在保证传感器实时监测岩石破裂的稳定性前提下，将安装装置安装至洞高为6.7m的钢拱架左侧局部。
66.示例性的，为了保证传感器良好与钢拱架表面进行密切的接触，按步骤s2所述步骤继续移动上、下限位板所构成的整体结构，直至其结构与传感器之间紧密接触，再次完成传感器轴向移动相对约束。
67.示例性的，在传感器初步轴向约束后，需继续顺时针扭动紧固螺栓，使其带动紧固杆进一步向着另一块限位板移动；同时，当紧固杆伸出长度达到一定长度后，达到了限位板预设螺纹孔底端后，会对所在限位板产生一个等相移动的推力(如上限位板
→
上，下限位板
→
下)，使得两块所构成的相连接的嵌合结构整体纵向尺寸有增大的趋势；进一步，当增大到一定尺度后，限位板整体会与各自顶端的具有密集型齿纹面的导轨相互咬合，通过限位板与保护壳之间牢固的嵌合，以此实现传感器的轴向移动绝对限制。
68.步骤s5：将所述传感器(4)末端的数据传输电缆(4-1)于所述保护壳(2)底端预留圆形孔洞穿出，并与微震监测系统相连接；
69.示例性的，此数据传输电缆所采用的是一种低噪声电缆，可解决于引水隧道施工环境复杂易产生弯曲、振动以及冲击作用下所产生过大噪声的问题，此电缆两侧均为通用的bnc接口，当嵌入传感器的安装装置完全固定于钢拱架上时，将其一段bnc口接入传感器输出端，另一端bnc接入微震监测系统输入端，以此实现岩石破裂所产生微震信号的良好稳定传输。
70.示例性的，传输电缆输入端bnc连接传感器输出端后，沿着保护壳尾端的预制孔洞牵引出，以此实现安装装置内部空间近似封闭化，一定程度了避免隧道复杂施工环境下爆破施工、喷锚以及钻孔工序所产生大量残渣混入至安装装置，保证了安装装置结构的稳定性以及获取信号的准确性。
71.步骤s6：逆序操作，完成装置拆卸。
72.进一步，若需要将安装装置移动到其他位置，仅需安装装置上的吸附装置逐步拆卸，并将传感器移动到下一个安装部位，并采用步骤s3所述的吸附装置安装操作即可。
73.示例性的，为了进一步让相关领域专业人员了解本发明的于隧道钢拱架上具体布
置形式。
74.附图7还展示了此隧道于进尺120.7m断面处，高程为6.7m的钢拱架左侧局部传感器安装部位示意图；其中，7为钢拱架、8为锚杆、9为安装装置、10为隧道围岩。需要注意的是，为了建立岩体
→
锚杆
→
钢拱架之间良好的振动体系，需保证安装装置所安装部位尽可能与锚杆部位相接近，以此实现岩石破裂所产生微震信号的准确获取。
75.综上所述，本发明实例能够实现微震监测功能，解决了传统拆装方法技术要求高、工序复杂的问题，同时实现了传感器的快速拆卸、回收便捷，甚至还可将此安装装置迁移至具有铁质构件固定物的其他岩体工程的施工过程监测或是运营期监测。
76.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。