一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头及方法

1.本发明涉及隧道应力监测技术领域，特别是涉及一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头及方法。


背景技术：

2.目前针对高地应力隧道的应力监测主要通过土压力盒实现，该设备一般布置在竖立钢架的顶端外表面与钢筋网片之间的夹缝中，通过喷射混凝土固定。土压力计量测电缆引线沿拱部钢筋网片分段绑扎固定顺引而下，与测量设备相连实现应力的监测。由于土压力盒成本低，结实耐用，广泛应用于深部围岩工程中。
3.然而，发明人研究发现，土压力盒只能测量围岩表面与结构构筑物之间压力，无法测量围岩内部在开挖过程中的真实应力变化情况，并且由于布置在撑子面的表面，很容易在安装过程中受到破坏，造成应力监测不便。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头及方法，以实现应力的测量。具体技术方案如下：本发明实施例的第一方面，公开了一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头，包括：应变采集单元和探头外壳，所述应变采集单元包括应变花、整理模块、编码模块和发送模块；多个所述应变采集单元设置在所述探头外壳上，所述应变采集单元，用于通过所述应变花测量围岩表面的应力，得到对应的电子信号；所述整流模块，用于对所述对应的电子信号进行整流，得到整流后的电子信号；所述编码模块，通过预设编码格式对所述整理后的电子信号进行编码，得到编码后的数据；所述发送模块，用于将所述编码后的数据传输至存储芯片并保存。
5.在一种可能的实施方式中，所述探头还包括探头上端盖；所述探头上端盖固定在所述探头外壳上。
6.在一种可能的实施方式中，所述应变采集单元还包括树脂橡胶封层；所述应变花密封在所述树脂橡胶封层内部，其中，所述应变花为丝式应变花或箔式应变花。
7.在一种可能的实施方式中，所述探头还包括出胶口、电子仓、挤胶活塞。
8.在一种可能的实施方式中，所述应变花通过导线与所述电子仓相连。
9.在一种可能的实施方式中，所述电子仓外侧与所述探头外壳之间注有胶水，当所述挤胶活塞向下压缩时，胶水从所述出胶口流出。
10.在一种可能的实施方式中，所述探头还包括挤胶工具，所述挤胶工具、密封圈和凹槽；
探头外壳、3-应变采集单元、4-出胶口、5-导线、6-胶水、7-胶塞、8-电子仓、9-挤胶活塞、10-螺栓、11-第二线路接口、12-树脂橡胶封层、13-应变花、14-密封圈、15-挤胶工具、16-凹槽、17-第一线路接口、18-数据采集通道电路板、19-无线传输装置、20-电池、21-信号输出系统外壳、22-撑子面、23-水平钻孔、24-斜向钻孔、25-接线（探头与信号输出系统）、26-外壳、27-应力监测探头、28-信号输出系统。
具体实施方式
20.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明实施例的第一方面，公开了一种适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头，包括：应变采集单元和探头外壳，所述应变采集单元包括应变花、整理模块、编码模块和发送模块；多个所述应变采集单元设置在所述探头外壳上，所述应变采集单元，用于通过所述应变花测量围岩表面的应力，得到对应的电子信号；所述整流模块，用于对所述对应的电子信号进行整流，得到整流后的电子信号；所述编码模块，通过预设编码格式对所述整理后的电子信号进行编码，得到编码后的数据；所述发送模块，用于将所述编码后的数据传输至存储芯片并保存。
22.具体的，整流模块对所述对应的电子信号进行整流可以是对电子信号进行整流滤波，防止噪声的干扰，整流模块可以为进行整流滤波的模块，具体的可以为整流滤波器，通过该整流滤波器对电子信号进行整流滤波。编码模块通过预设编码格式对所述整理后的电子信号进行编码，可以是对整理后的电子信号进行模数转换，得到转换后的数字信号，编码模块可以进行模数转换的模块，具体的，可以为模数转换器，发送模块具体的可以为进行数据发送模块，从而便于进行测量结果的输出和存储。
23.在一种可能的实施方式中，所述探头还包括探头上端盖；所述探头上端盖固定在所述探头外壳上。
24.在一种可能的实施方式中，所述应变采集单元还包括树脂橡胶封层；所述应变花密封在所述树脂橡胶封层内部，其中，所述应变花为丝式应变花或箔式应变花。
25.一个例子中，参见图1，该适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头主要包括探头上端盖1、探头外壳2、应变采集单元3、出胶口4、导线5、胶水6、胶塞7、电子仓8、挤胶活塞9、螺栓10、第二线路接口11、树脂橡胶封层12和应变花13组成。其中，本发明实施例中的胶水用于进行钻头的固定可以是多种类型的胶水，具体的，可以参见现有技术，本发明对此不进行限定。胶塞可以为多种材质的制成的，例如，塑料、橡胶等。其中，探头上端盖1通过螺栓10固定在探头外壳2上，起到保护内部的作用，在实际使用过程中可以使用金属材质或其他材质。探头外壳2上布置有6组应变采集单元3，可以使用过程布置，且每层可以布置多个应力监测单元，例如，可以分为两层，每层三个应变采集单元3，分布间隔角度为120
°
。在实际使用过程中，应力监测单元可以为多种类型，具体的，可以参见现有技术本发明对此不进行
限定。其中，应变采集单元3由树脂橡胶封层12和应变花13组成，其中应变花13密封在树脂橡胶封层12内部，应变花13中应变片间隔45
°
，用于测量围岩表面的应变变化，结合岩体的变形模量和泊松比就能得到应力变化。应变花13通过导线5与电子仓8相连，将采集的电子信号传输至存储芯片中进行保存。电子仓8外侧和探头外壳2之间的空腔内注有胶水6，通过挤胶活塞9向下压缩可以从出胶口4挤出使探头固定在钻孔内部。在装入胶水之前，胶塞7堵住胶水6，当探头进入到指定位置后，通过挤胶活塞9的压力可以将胶塞7推出。电子仓8通过导线5与第二线路接口11进行连接，并通过第二线路接口11与信号输出系统进行连接。
26.其中，在实际使用过程中，如果应力监测要求的密度大，采用钻孔侧壁监测方案，在撑子面施工钻孔和侧壁钻孔；如果应力监测要求的密度小，采用孔底监测方案，在撑子面施工钻孔和孔底钻孔。并且，本发明的适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头，探头体积小，造价低，可以根据应力监测的需要，采用侧壁测量方案或者孔底测量方案，简单便捷。
27.本发明的适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头，通过布置在外壳上的应变采集单元3监测围岩的应力变化，并通过电子仓8实现应力变化数据的实时监测和采集。探头埋藏在隧道撑子面旁的钻孔中，能较好地保护探头的正常工作性能，能在高地应力隧道的整个施工周期进行监测。对于防范岩爆、大变形等高地应力地层灾害起到重要作用。
28.在一种可能的实施方式中，所述探头还包括出胶口4、电子仓8、挤胶活塞9。
29.在一种可能的实施方式中，所述应变花13通过导线5与所述电子仓8相连。
30.在一种可能的实施方式中，所述电子仓8外侧与所述探头外壳2之间注有胶水6，当所述挤胶活塞9向下压缩时，胶水6从所述出胶口4流出。
31.本发明的适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头，通过自身携带的胶水和挤胶工具实现探头在钻孔内的牢固粘连，操作简单便捷，应变测量准确可靠。
32.在一种可能的实施方式中，所述探头还包括挤胶工具，所述挤胶工具、密封圈和凹槽；所述凹槽位于所述胶活塞上，所述密封圈位于所述挤胶活塞下部。
33.一个例子中，如图2所示，该挤胶活塞和挤胶工具主要包括挤胶活塞9、密封圈14、挤胶工具15、凹槽16。凹槽16位于挤胶活塞上，其与挤胶工具15下端形状相同。密封圈14位于挤胶活塞9下部，主要用于胶水6的密封。挤胶工具15为一圆柱形空心长筒，下部开口与探头上端盖1内径一致，可以穿过探头上端盖1与下方挤胶活塞相连，通过对挤胶工具15施加压力使挤胶活塞向下运动使胶水6从出胶口4挤出。一个例子中，通过密封圈进行胶水的密封，在需要挤胶时，通过圆柱形空心长筒状的挤胶工具向下移动，向存放胶水的位置施加压力，由于存放胶水的空间有限，从而当挤胶工具向下移动后使胶水从出胶口挤出。
34.在一种可能的实施方式中，所述探头还包括第一线路接口和数据采集通道电路板、无线传输装置和信号输出系统外壳。
35.在一种可能的实施方式中，所述第二线路接口位于所述信号输出系统外壳下端；所述数据采集通道电路板，用于读取所述编码后的数据。
36.在一种可能的实施方式中，所述钻头还包括电池；所述电池固定在所述数据采集通道电路板旁边。
37.一个例子中，如图3所示，该信号输出系统主要包括第一线路接口17、数据采集通道电路板18、无线传输装置19、电池20和信号输出系统外壳21。其中信号输出系统外壳21位
于整个信号输出系统的外侧，起到保护其他组件的作用。第二线路接口11位于信号输出系统外壳21下端，用于连接其他适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头。数据采集通道电路板18用于读取不同适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头传输的应变信号，并与无线传输装置19相连。电池20固定在数据采集通道电路板18旁边，用于对整个测量系统供电。无线传输装置19用于当采集设备靠近时将采集设备发送应力变化信号。在实际使用过程中，也可以通过外接电源输电的方式进行供电，例如设置供电接口，通过外接电源通过该供电接口进行供电。
38.一个例子中，参见图4，由于在某一高地应力隧道的撑子面22腰部区域的水平钻孔23内对应力变化的监测需求较高，所以通过在水平钻孔23内钻取多个侧壁钻孔，并通过特制的安装设备安装适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头27，并通过接线25与信号输出系统28相连，且设有外壳26用于保护以上装置。而在某一高地应力隧道撑子面22拱顶的斜向钻孔24处，主要关注围岩对支护结构的压力变化情况，可以在斜向钻孔24孔底钻一同心小孔，通过特制的安装设备安装适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头27，并用接线25将适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头27与信号输出系统28进行连接。
39.本发明实施例的第二方面，提供了一种应力监测方法，应用上述任一项所述的应力监测探头实现，包括：将所述应力监测探头安装至预先设置的侧壁或底部的钻孔中；通过所述应力监测探头中的挤胶工具将胶水挤出以固定所述应力监测探头；将所述应力监测探头与信号输出系统相连，以输出测量得到的应力对应的电子信号。
40.一个例子中，参见图5，图5是本发明实施例的一种适用于高地应力隧道撑子面的适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头测试方案流程图。其具体方案如下：（1）在室内对适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头27进行标定，然后用胶塞7塞住出胶口，向设备环空注入胶水6；（2）根据现场情况确定监测方案；（3）如果应力监测要求的密度大，采用钻孔侧壁监测方案，在撑子面施工钻孔和侧壁钻孔；（4）如果应力监测要求的密度小，采用孔底监测方案，在撑子面施工钻孔和孔底钻孔；（5）采用特制的安装设备将适用于高地应力隧道撑子面的应力监测探头27安装至侧壁或孔底的钻孔中；（6）采用挤胶工具15将胶水6挤出，等待其固化后即进行了固定；（7）将各探头与信号输出系统28进行连接；（8）将信号输出系统固定至孔口；（10）定期读取应力变化数据。
41.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计
算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（dsl））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质（例如固态硬盘solid state disk (ssd)）等。
42.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。
43.本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。