李子林，孫歆碩，李 遠(yuǎn)，劉子斌

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083)

圍巖應(yīng)力擾動是引起工程失穩(wěn)和破壞的直接因素，實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測能夠通過應(yīng)力是否發(fā)生突變來預(yù)測巖石內(nèi)部是否出現(xiàn)因施工擾動、不明地質(zhì)現(xiàn)象造成的工程失穩(wěn)和破壞。人類對地應(yīng)力的認(rèn)知不到百年，而采用儀器等來測量及分析計(jì)算地應(yīng)力僅數(shù)十年。20世紀(jì)60年代，南非科學(xué)家和工業(yè)研究委員會(CSIR)首先研制出了三軸孔壁應(yīng)變計(jì)；澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織力學(xué)部研制了技術(shù)更為成熟、使用更為普遍的CSIRO型三軸空心包體應(yīng)變計(jì)；水壓致裂法測量巖體應(yīng)力的理論在1968年提出，該種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠測量深部的應(yīng)力值，這是其他方法所不能達(dá)到的[1]。除了上述方法外，美國學(xué)者還提出微應(yīng)變曲線分析法、鋼弦應(yīng)力計(jì)、鉆孔張裂測量法、非彈性恢復(fù)應(yīng)變測量法和圓柱光彈應(yīng)變計(jì)等。

我國對地應(yīng)力測量的研究開始于20世紀(jì)50年代末。20世紀(jì)60年代中期，湖北大冶鐵礦實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次應(yīng)力解除測量，成功獲取-80 m處巖體表面的應(yīng)力[2]；70年代中期后，水利水電部門也開展了大量的應(yīng)力測量工作；80年代空心包體應(yīng)變計(jì)被引入我國，我國學(xué)者對其進(jìn)行一系列改進(jìn)，并研制了改進(jìn)型的空心包體應(yīng)變計(jì)，成功應(yīng)用于現(xiàn)場測量[3]。1980年，水壓致裂法從美國引進(jìn)，首次進(jìn)行了地應(yīng)力測量[4]。2003年，中國地震局地殼應(yīng)力研究所謝富仁成功研制輕便型水壓致裂測量設(shè)備[5]。

北京科技大學(xué)蔡美峰院士團(tuán)隊(duì)一直致力于采用空心包體應(yīng)變計(jì)來實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力測量的理論研究和其技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新。蔡美峰[6-8]提出了完全溫度補(bǔ)償技術(shù)，用于減少乃至消除空心包體應(yīng)變計(jì)在地應(yīng)力測量過程中由于溫度引起的誤差，即將熱敏電阻放置于測量傳感器附近以同步感受溫度變化，并記錄溫度相關(guān)數(shù)值，后期采用溫度標(biāo)定算法消除純溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變量，極大地消除了由溫度引起的測量精度誤差。李遠(yuǎn)等[9]在團(tuán)隊(duì)開發(fā)改進(jìn)出的有線型空心包體應(yīng)變計(jì)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了瞬接續(xù)采型空心包體地應(yīng)力測試技術(shù)，基于蔡美峰教授提出的完全溫度補(bǔ)償思想，同時(shí)考慮無線型應(yīng)變計(jì)內(nèi)置采集板路同時(shí)受到溫度而引起的誤差，采用雙溫度補(bǔ)償算法減少乃至消除誤差，實(shí)現(xiàn)了原位采集信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，避免了信號長期監(jiān)測中的衰減影響；穩(wěn)定的純凈電源供電設(shè)計(jì)過濾了電壓不穩(wěn)造成的數(shù)據(jù)振蕩，研發(fā)出BKD系列原位數(shù)字化空心包體應(yīng)變計(jì)，并在多個(gè)工程現(xiàn)場成功投入使用。

1 工程概況及系統(tǒng)安裝方案

露天邊坡巖體受工程條件、氣候、地質(zhì)條件影響較大，環(huán)境條件復(fù)雜程度超過了地下井巷工程，且溫度變化較大(現(xiàn)場春季日現(xiàn)場環(huán)境溫度變化約為20 ℃)。因此露天邊坡巖體監(jiān)測中除了需要考慮長期監(jiān)測供電、信號傳輸穩(wěn)定性外，還要對溫度大幅度變化情況進(jìn)行設(shè)備溫度自補(bǔ)償設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)在溫度強(qiáng)擾動條件下的穩(wěn)定測試。

監(jiān)測區(qū)域位于安徽省東部馬鞍山市南山礦凹山露天采場，礦床由一億二千萬黏片蒲黃“斷裂火山帶”形成，礦體高度延伸范圍為-214～+175 m。目前，礦坑深為255 m，東西走向約為1 200 m，南北約980 m。年平均氣溫16 ℃左右，年溫度變化范圍為-15～40 ℃，北亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，季風(fēng)明顯，四季分明，溫暖濕潤，雨熱同季，雨量充沛。工程現(xiàn)場按方位設(shè)置3個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔孔內(nèi)設(shè)孔深分別為5 m和10 m兩個(gè)測點(diǎn)。1號測孔、2號測孔設(shè)于-30 m處，3號測孔設(shè)于-45 m處，詳見圖1。

圖1 測孔位置布置圖Fig.1 Pore location layout

采用窄帶無線數(shù)傳方式進(jìn)行信號傳輸；供電采用12 V防雷穩(wěn)壓太陽能蓄電池，以實(shí)現(xiàn)無人值守并保證雷雨天氣下測試設(shè)備安全；采用可續(xù)采型采集系統(tǒng)以防止梅雨天氣下太陽能供電不足。信號接收系統(tǒng)位于礦區(qū)高程+30 m處，與測點(diǎn)處距離平均為1 km。1號測孔10 m孔深應(yīng)力計(jì)損壞，其余5個(gè)應(yīng)力計(jì)正常工作。監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)方案見圖2。

2 巖體擾動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 應(yīng)變計(jì)骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

擾動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)測量地應(yīng)力的基礎(chǔ)是空心包體應(yīng)變計(jì)法，傳統(tǒng)的空心包體應(yīng)變計(jì)骨架多采用尼龍材料制成，尼龍的耐磨性和抗靜電性都是較理想的空心包體應(yīng)變計(jì)骨架材料，有成本優(yōu)勢，在早期的空心包體應(yīng)變計(jì)制作中應(yīng)用廣泛。隨著地應(yīng)力測量在各種工程作業(yè)環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)條件下的開展和實(shí)施，尼龍材料由于吸水性導(dǎo)致精度和耐光性差、強(qiáng)度較低等問題，難以滿足巖體擾動應(yīng)力長期監(jiān)測精度高、時(shí)間長、穩(wěn)定性高等需求。

李遠(yuǎn)等[9]研發(fā)了瞬接續(xù)采型空心包體地應(yīng)力測試技術(shù)，對傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)尼龍骨架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)度無磁性鋁合金應(yīng)變計(jì)骨架，較好地滿足地應(yīng)力原位測試技術(shù)。在考慮高強(qiáng)度無磁鋁合金應(yīng)變計(jì)骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖體擾動應(yīng)力監(jiān)測的長期性、穩(wěn)定性和便攜安裝的需要，對應(yīng)變計(jì)骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)ν汇@孔不同孔深巖體擾動應(yīng)力進(jìn)行同時(shí)同步監(jiān)測；新型高強(qiáng)度無磁鋁合金應(yīng)變計(jì)骨架前后兩端設(shè)置倒爪，在探頭安裝后能夠在探頭與孔壁兩者之間產(chǎn)生一定的支撐作用，防止監(jiān)測探頭在安裝和膠結(jié)過程中出現(xiàn)松動甚至滑動的現(xiàn)象，保證探頭的膠結(jié)質(zhì)量，傳統(tǒng)CSIRO應(yīng)變計(jì)骨架與新型高強(qiáng)度無磁性鋁合金應(yīng)變計(jì)骨架對比如圖3所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)方案Fig.2 Remote monitoring system deployment plan

圖3 三種應(yīng)變計(jì)骨架對比Fig.3 Comparison of three strain gauge skeletons

2.2 巖體擾動應(yīng)力長期監(jiān)測中布片方式改進(jìn)

空心包體應(yīng)變計(jì)地應(yīng)力測量時(shí)，其應(yīng)變片布置方式為沿圓周等距離(120°)嵌入3組應(yīng)變花，每組應(yīng)變花由4支應(yīng)變片組成，互相間隔45°。以安裝時(shí)A片正對y軸方向，如圖4所示。

2.3 基于數(shù)字化空心包體技術(shù)的巖體擾動應(yīng)力監(jiān)測采集系統(tǒng)優(yōu)化及高精度鉑金熱敏電阻接入

為了提高空心包體應(yīng)變計(jì)的測量精度，增強(qiáng)應(yīng)力計(jì)對溫度的敏感度，改變傳統(tǒng)的空心包體應(yīng)變計(jì)在測溫方法上誤差較大、敏感度較差的現(xiàn)象，李遠(yuǎn)等[17]研發(fā)了瞬接續(xù)采型空心包體地應(yīng)力測試技術(shù)，基于蔡美峰院士提出的完全溫度補(bǔ)償方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的電橋電路連接方法，提出雙溫度補(bǔ)償法，接入了較原固定電阻更為敏感的鉑金電阻，既消除了采集板路帶來的誤差，又能保證測溫鉑金電阻通道示數(shù)與溫度對應(yīng)關(guān)系的線性和穩(wěn)定性，改進(jìn)的路線圖見圖5。

圖4 應(yīng)變片布置方式Fig.4 Strain gauge arrangement

圖5 改進(jìn)的電橋電路圖Fig.5 Improved bridge circuit diagram

為了消除每個(gè)應(yīng)變計(jì)在使用過程中隨溫度變化造成的誤差，在其制作完成后需要進(jìn)行溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，來尋求溫度與測溫通道示數(shù)的函數(shù)關(guān)系，其中高精度鉑金電阻能工作的溫度范圍很大，為-50～300 ℃，精度可以達(dá)到TCR=3 850 ppm/K。

3 監(jiān)測系統(tǒng)供電與數(shù)據(jù)傳輸方案選擇

3.1 供電方式選擇

選擇為滿足露天工作環(huán)境的供電、防雷、防雨等條件和長期溫度變化條件，供電系統(tǒng)需滿足：①工作溫度-40～+85 ℃，滿足大部分工程環(huán)境；②太陽能或交流電快速充電，充電時(shí)間短，供電穩(wěn)定；③12 V和5 V電壓輸出通道，滿足無線模塊和采集板路供電需求；④過壓、過流、過放、短路保護(hù)，對監(jiān)測系統(tǒng)起保護(hù)作用。

3.2 無線信號傳輸系統(tǒng)及安裝方法

在應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)長時(shí)間的工作中，考慮到監(jiān)測環(huán)境的監(jiān)測難度以及信號臺安置難度，能同時(shí)兼顧環(huán)境影響并利用環(huán)境優(yōu)勢，在邊坡巖體實(shí)行監(jiān)測時(shí)，選擇AS61-DTU30型窄帶無線數(shù)傳傳輸設(shè)計(jì)，采用無線數(shù)傳電臺進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)化。占用空間小，接線操作便捷，對功率要求不高，能傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，在空曠環(huán)境下可以達(dá)到數(shù)千米，環(huán)境工作溫度為-40～+85 ℃。

為滿足長期監(jiān)測需求，無線數(shù)傳電臺性能如下：①嵌入高速低功耗單機(jī)片和高性能射頻芯片，窄帶傳輸，小功率能達(dá)到遠(yuǎn)距離；②采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度高；③體積小巧便捷，RS232/RS485電平與電腦相連，操作簡單易懂；④具有數(shù)據(jù)加密和壓縮功能，數(shù)據(jù)量小，對接收顯示端的硬件要求較低；⑤工作溫度-40～+85 ℃，可連接各種SMA發(fā)射天線，滿足大部分工程環(huán)境要求。

收發(fā)射信號系統(tǒng)基本裝置：無線數(shù)傳電臺若干；USB轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)化器若干；無線信號發(fā)射和接受天線；12V/5V移動電源一個(gè)；太陽能板一個(gè)；可供裝置連通的配套電線若干。

安裝由無線傳輸模塊組成的信號發(fā)射裝置以及信號接收裝置見圖6和圖7。

圖6 信號發(fā)射裝置Fig.6 Signal transmitting device

圖7 信號接收裝置Fig.7 Signal receiving device

將安裝好的發(fā)射裝置放置于鐵箱內(nèi)并將太陽能電池板連接上電源，將線路歸置合理。

受到施工破壞、氣候影響和坡頂廢渣傾倒的影響，2017年3月原安裝的發(fā)射裝置以及接收裝置已經(jīng)不能繼續(xù)使用，而且凹山礦場在成為棄坑并持續(xù)注水后，水位不斷上升，應(yīng)施工方要求，為滿足應(yīng)力監(jiān)測能長期實(shí)現(xiàn)，故將發(fā)射系統(tǒng)的地點(diǎn)設(shè)置于礦坑外。應(yīng)力計(jì)在制作時(shí)，本身具有優(yōu)良的防水性能，故通過數(shù)百米的防水電纜將其與發(fā)射系統(tǒng)連接，并將接收系統(tǒng)選置在數(shù)百米外接收站，經(jīng)過實(shí)際操作，信號接受良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

4 擾動應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及分析

巖體擾動應(yīng)力監(jiān)測的基本公式經(jīng)過算法優(yōu)化后推導(dǎo)得到式(1)和式(2)。

(1)

式中：εθ=εθ(0°)+εθ(120°)+εθ(240°)為監(jiān)測探頭同一環(huán)向應(yīng)變片所測得應(yīng)變和；εZ為監(jiān)測探頭軸向應(yīng)變片所測得應(yīng)變值。

(2)

式中：E為巖體彈性模量，Pa；E1為凝固水泥凈漿彈性模量，Pa；ν為巖體泊松比；ν1為凝固水泥凈漿泊松比；R為巖芯半徑，cm，r為鉆孔半徑，即凝固水泥凈漿圓筒半徑，cm；a為監(jiān)測探頭半徑，cm。

測點(diǎn)于2017年3月27日調(diào)試完畢，1號測孔5 m 孔深應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖8，用雙溫度補(bǔ)償算法，計(jì)算出應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖9。

A-軸向微應(yīng)變平均值；B-環(huán)向微應(yīng)變平均值；C-溫度補(bǔ)償片微應(yīng)變；D-14通道低溫度系數(shù)電阻通道示數(shù)圖8 1號測孔5 m孔深應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 5 m hole depth strain monitoring data for No.1 hole

圖9 1號測孔5 m孔深應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 5 m hole depth stress monitoring data of No.1 hole

現(xiàn)場1號測孔5 m孔深監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，分別在4月8日后到4月12日前(間隔3天)和4月21日后到4月26日前(間隔4天)出現(xiàn)較長時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸中斷現(xiàn)象。分析其原因，調(diào)查監(jiān)測時(shí)間段試驗(yàn)現(xiàn)場天氣記錄及歷史天氣預(yù)報(bào)，在4月9日和4月22日監(jiān)測信號傳輸中斷前，有連續(xù)多天的陰雨天氣，太陽能蓄電池得不到有效的電量補(bǔ)充，在電量耗盡后系統(tǒng)停止工作。在天氣放晴后太陽能蓄電池重新蓄電，系統(tǒng)恢復(fù)工作狀態(tài)，斷電后續(xù)采數(shù)據(jù)與斷電前體現(xiàn)出接續(xù)性，數(shù)據(jù)連續(xù)規(guī)律，在供電電源方面還需要根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行必要的改進(jìn)。根據(jù)公式和前期溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)，推導(dǎo)得到各個(gè)測點(diǎn)30 d應(yīng)力變化值見表1。

根據(jù)馬鞍山露天礦邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在1個(gè)月的監(jiān)測中，受到氣候和坡頂廢渣傾倒的影響，應(yīng)力變化基本穩(wěn)定。溫度通道顯示一天中氣溫?cái)?shù)據(jù)波動但整體溫度呈明顯上升趨勢，各通道經(jīng)溫度補(bǔ)償后，軸向應(yīng)力基本保持不變，環(huán)向應(yīng)力變化為1.09～2.53 MPa，與施工情況一致。

表1 各測點(diǎn)30 d應(yīng)力變化值Table 1 30-day stress change values of each measurement point

圖10 5 m深應(yīng)力變化圖Fig.10 5 m deep stress change diagram

圖11 10 m深應(yīng)力變化圖Fig.11 10 m deep stress change diagram

監(jiān)測后期由于信號接收基站搬遷等原因致使監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸中斷，根據(jù)項(xiàng)目要求，監(jiān)測系統(tǒng)已于2018年10月底重新組裝，在接下來將近一個(gè)月的持續(xù)監(jiān)測中，得到了新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算處理，得到較為穩(wěn)定的結(jié)果，以2號測點(diǎn)為例，5 m深測孔的軸向應(yīng)力變化范圍為10.4～11.55 MPa，環(huán)向應(yīng)力變化范圍為4.52～5.61 MPa(圖10)；10 m深測孔軸向應(yīng)力變化范圍為10.84～11.01 MPa，環(huán)向應(yīng)力變化范圍為7.96～8.11 MPa(圖11)。應(yīng)力變化較為穩(wěn)定且起伏不大，與施工情況一致。

5 結(jié) 語

邊坡巖體擾動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)通過在安徽馬鞍山凹山露天采場的應(yīng)用顯示，在1個(gè)月的監(jiān)測中，受到氣候影響和坡頂廢渣傾倒的影響，應(yīng)力變化基本穩(wěn)定。溫度通道顯示一天中氣溫?cái)?shù)據(jù)波動但整體溫度呈明顯上升趨勢，各通道經(jīng)溫度補(bǔ)償后，軸向應(yīng)力基本保持不變，環(huán)向應(yīng)力變化為1.09～2.53 MPa，與施工情況一致。根據(jù)項(xiàng)目要求，監(jiān)測系統(tǒng)已于2018年10月底重新組裝，監(jiān)測探頭在數(shù)據(jù)間斷近一年后，全部重新恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，并在處理數(shù)據(jù)后得到與施工情況一致的環(huán)向、軸向應(yīng)力，整個(gè)檢測系統(tǒng)探頭工作性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸性能良好，也證明了系統(tǒng)長期工程現(xiàn)場應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性。