本发明涉及地下爆破工程技术领域，特别是涉及一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法。
背景技术：
由于爆破开挖是地下洞室开挖的常用方法，且因为围岩爆破损伤而引起的工程事故时有发生，所以对跨不良地质段的地下洞室爆破后围岩损伤的监测尤为重要。传统的对围岩爆破损伤的监测主要是采用声波探测的方法，或者通过采样，对岩石进行ct扫描、核磁共振，测定岩石的单轴抗压强度，以此对围岩的爆破损伤进行评价。传统的对围岩爆破损伤的监测方法效率低下、精度不高、不能随时和长期对围岩损伤进行监测，且无法确定围岩爆破的损伤核心点和损伤分布情况，不能有针对性的对围岩进行加固。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法，实现了对围岩爆破损伤的时时监测和长期监测，能确定围岩的损伤核心点和损伤分布，从而对跨不良地质段的地下洞室围岩进行有针对性的加固，保证地下洞室的稳定。
为实现上述目的，本发明所设计的一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法，其特殊之处在于，所述方法包括步骤：
1)在地下洞室待监测区域布置光栅传感器，所述光栅传感器呈网状布置，通过光纤终端盒与光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪将输出信号传输至计算机；
2)计算机通过矩阵计算找到岩体损伤核心点，并确定围岩爆破损伤的分布情况：
21)根据传感器的位置进行编号，并建好三维直角坐标系；起爆前，通过光栅传感器测得围岩的应变，并将解调后的应变数据转变为m×n的矩阵，定为应变矩阵a，其中，m是传感器节点总数，n表示一个爆破状态下所经历的时刻数；起爆后，通过光栅传感器测围岩的应变，将解调后的应变数据转变为m×n的矩阵，定为应变矩阵b。根据起爆前的应变矩阵a和起爆后的应变矩阵b计算出n个时刻应变数据的均方根误差rmse；
22)将计算得到的所有光栅传感器节点爆破前后的均方根误差rmse构建成新的矩阵，定为误差矩阵c，将误差矩阵c对应的传感器网状区域按扇区柱形进行空间划分，分解成s个区域；
23)通过计算机对误差矩阵c划分的s个区域的均方根误差rmse大于设定值的设为误差偏大点，对误差偏大点进行均值漂移聚类，统计s个区域的聚类子类中是否有误差偏大点，提取并定位该子类中心点，即损伤点，将局部应变数据偏差最大点为损伤核心点。
3)根据损伤系数公式，计算损伤点的损伤系数d，对损伤岩体的损伤程度进行表征：
31)根据公式计算损伤系数d：
其中，ε为应变，e为原岩的弹性模量，p为爆炸荷载，μ为原岩泊松比；
32)根据损伤系数d值判定待监测区域损伤状态：d＝0岩体未发生损伤；d＝1，岩体完全破碎；0<d<1，岩体发生损伤。
优选地，所述步骤1)中光栅传感器的布置方法为：
11)将光栅传感器粘贴于岩体表面，并用隔热棉包裹，将槽钢覆盖于光栅表面，用作盖板；
12)光栅传感器采用网状布置，开挖进深轴线方向的布置间距取5米，地下洞室内轮廓面环向方向上光栅传感器沿掌子面中心轴线对称布置；
13)将掌子面左侧分为圆弧o1段、圆弧o2段、圆弧o3段和圆弧o4段四部分，分别在这四段圆弧的交点处和中心轴线与掌子面的交点处布置光栅传感器，其中o1段圆弧内每30°布置一个传感器，掌子面右侧与左侧成对称布置；
14)相邻光栅的距离取15cm，各传感器之间采用串联串接的方式连接。
优选地，所述步骤5)中，均方根误差rmse的计算公式如下：
式中，
优选地，所述步骤23)中传感器网状区域按扇区柱形进行空间划分的方法为，从圆弧段o1至o4分别提取均方根误差rmse最小的点作为起始边界点，掌子面右侧对称确定起始边界点，沿着掌子面划分出扇区，再从各扇区沿地下洞室开挖方向提取均方根误差rmse最小点划分柱面，重复步骤划分扇区和柱面直到包含传感器节点数最少的子区域到达设定数p。
本发明的优点在于：
1、本发明针对地下洞室穿越不良地质条件时爆破开挖岩体损伤提供了一种监测方法，该方法通过大量布置光纤布拉格光栅传感器，在地下洞室内形成一张巨大的网，类似于皮肤一样覆盖在洞室围岩表面，提高了地下洞室围岩损伤监测的效率和精度，可以对围岩爆破损伤进行时时监测和长期监测。
2、本发明通过对监测数据进行矩阵计算确定了岩体爆破的损伤核心点和损伤分布情况，能够对地下洞室的围岩进行有针对性的重点加固，保证地下洞室围岩的稳定。
3、本发明适用于对变形具有较高要求的断层破碎带、岩溶、高地应力软岩、高富水等不良地质条件下地下洞室开挖时采用。
附图说明
图1为光纤光栅传感监测系统结构图。
图2为光纤光栅传感器布置结构正视图。
图3为光纤光栅传感器布置结构剖面图。
图4为厚壁圆筒模型正视图。
图5为厚壁圆筒模型剖面图。
具体实施方式
为了使本发明技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提出的一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法，包括如下步骤：
1)在地下洞室待监测区域布置光栅传感器，光栅传感器呈网状布置，通过光纤终端盒与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪将输出信号传输至计算机：
11)光纤布拉格光栅传感器由钢筋、多个光栅、环氧胶组成，粘贴于岩体表面，并用隔热棉包裹好，将槽钢覆盖于光纤布拉格光栅表面，用作盖板；
12)光纤布拉格光栅传感器采用网状布置，开挖进深轴线方向的布置间距取5米，地下洞室内轮廓面环向方向上传感器沿掌子面中心轴线对称布置；
13)由于地下洞室掌子面关于中心轴线对称，将掌子面左侧分为圆弧o1段、圆弧o2段、圆弧o3段和圆弧o4段四部分，分别在这四段圆弧的交点处和中心轴线与掌子面的交点处布置传感器，其中o1段圆弧内每30°布置一个传感器，掌子面右侧与左侧成对称布置，如图2所示；
14)相邻光栅的距离取15cm，各传感器之间采用串联串接的方式连接，光纤布拉格光栅传感器网状布置的剖面图如图3所示。
光纤光栅解调仪用于对光纤布拉格光栅传感器的数据进行解调，采样频率为4200hz以上，并根据解调仪的具体容量对光纤光栅进行分组，采用多个解调仪进行解调。电缆从软管中通过，防止其被破坏。
光纤布拉格光栅传感器产生应变数据，光纤光栅解调仪对光纤光栅传感器的应变数据进行解调，将解调后的应变数据传给计算机，再由计算机通过矩阵计算找到岩体损伤核心点，并确定围岩爆破损伤的分布情况。最终将损伤点的应变数据代入推导出来的损伤系数公式，算出损伤点的损伤系数d，对损伤岩体的损伤程度进行表征。
2)计算机通过矩阵计算找到岩体损伤核心点，并确定围岩爆破损伤的分布情况：
21)根据传感器的位置进行编号，并建好三维直角坐标系；起爆前，通过光栅传感器测得围岩的应变，并将解调后的应变数据转变为m×n的矩阵，定为应变矩阵a，其中，m是传感器节点总数，n表示一个爆破状态下所经历的时刻数；起爆后，通过光栅传感器测围岩的应变，将解调后的应变数据转变为m×n的矩阵，定为应变矩阵b。根据起爆前的应变矩阵a和起爆后的应变矩阵b计算出n个时刻应变数据的均方根误差rmse；均方根误差rmse的计算公式如下：
式中，
22)将计算得到的所有光栅传感器节点爆破前后的均方根误差rmse构建成新的矩阵，定为误差矩阵c，将误差矩阵c对应的传感器网状区域按扇区柱形进行空间划分，分解成s个区域；
传感器网状区域按扇区柱形进行空间划分的方法为：从圆弧段o1至o4分别提取均方根误差rmse最小的点作为起始边界点，掌子面右侧对称确定起始边界点，沿着掌子面划分出扇区，再从各扇区沿地下洞室开挖方向提取均方根误差rmse最小点划分柱面，重复步骤划分扇区和柱面直到包含传感器节点数最少的子区域到达设定数p。
23)通过计算机对误差矩阵c划分的s个区域的均方根误差rmse大于设定值的设为误差偏大点，对误差偏大点进行均值漂移聚类，统计s个区域的聚类子类中是否有误差偏大点，提取并定位该子类中心点，即损伤点，将局部应变数据偏差最大点为损伤核心点。
3)根据损伤系数公式中，算出损伤点的损伤系数d，对损伤岩体的损伤程度进行表征：
将地下洞室简化成由许多段厚壁圆筒组成的开口，只受内压作用的力学模型，如图4、图5所示。图中，p为爆炸荷载，a为圆筒内径，b为圆筒外径，l为圆筒长度，l的长度取光纤光栅传感器沿开挖进深方向的布置间距。开口，只受内压的厚壁圆筒沿开挖进深方向的位移计算公式：
式中：p为爆炸荷载，
由于隧道开挖采用控制爆破技术进行开挖，岩体不会发生本质变化，泊松比可看作不变，即
将厚壁圆筒筒壁视为无限弹性体(无衬砌的压力隧道)，即b→+∞。
当b→+∞时，
上式变形得：
式中：
由于损伤系数
式中：ε为应变，e为原岩的弹性模量，p为爆炸荷载，μ为原岩泊松比。
31)根据公式计算损伤系数d：
32)根据损伤系数d值判定待监测区域损伤状态：d＝0岩体未发生损伤；d＝1，岩体完全破碎；0<d<1，岩体发生损伤。
实施例1
某花岗岩隧道，通过贴在其上的呈网状布置的光纤光栅传感器得到各节点的应变值，整理得到爆破前和爆破后两组应变数据，并传输给计算机，通过计算机的矩阵计算确定损伤点的位置。取其中一个损伤点t1为例，t1所在区域对应的四个光纤光栅应变传感器的应变值分别为ε1＝0.0036，ε2＝0.0044，ε3＝0.0045，ε4＝0.0035，取四者的平均值，得
求得损伤系数
本发明采用呈网格状布置的光纤布拉格光栅传感器，类似于皮肤贴在人体上一样覆盖在围岩表面，通过计算机对光纤光栅解调仪的应变数据进行矩阵计算，最终确定围岩损伤的核心点和损伤分布情况，并通过推导出来的损伤系数计算公式算出损伤点的损伤系数d，对岩体损伤程度进行表征。本发明方法较以往的围岩爆破损伤的监测方法有许多优点，提高了监测的效率和精度，做到了对围岩爆破损伤的时时监测和长期监测，能确定围岩的损伤核心点和损伤分布，从而对跨不良地质段的地下洞室围岩进行有针对性的加固，保证地下洞室的稳定。由于本发明具有上述的优点，适用于对变形具有较高要求的断层破碎带、岩溶、高地应力软岩、高富水等不良地质条件下地下洞室开挖时采用。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
1.一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)在地下洞室待监测区域布置光栅传感器，所述光栅传感器呈网状布置，通过光纤终端盒与光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪将输出信号传输至计算机；
2)计算机通过矩阵计算找到岩体损伤核心点，并确定围岩爆破损伤的分布情况：
21)根据传感器的位置进行编号，并建好三维直角坐标系；起爆前，通过光栅传感器测得围岩的应变，并将解调后的应变数据转变为m×n的矩阵，定为应变矩阵a，其中，m是传感器节点总数，n表示一个爆破状态下所经历的时刻数；起爆后，通过光栅传感器测围岩的应变，将解调后的应变数据转变为m×n的矩阵，定为应变矩阵b。根据起爆前的应变矩阵a和起爆后的应变矩阵b计算出n个时刻应变数据的均方根误差rmse；
22)将计算得到的所有光栅传感器节点爆破前后的均方根误差rmse构建成新的矩阵，定为误差矩阵c，将误差矩阵c对应的传感器网状区域按扇区柱形进行空间划分，分解成s个区域；
23)通过计算机对误差矩阵c划分的s个区域的均方根误差rmse大于设定值的设为误差偏大点，对误差偏大点进行均值漂移聚类，统计s个区域的聚类子类中是否有误差偏大点，提取并定位该子类中心点，即损伤点，将局部应变数据偏差最大点为损伤核心点。
3)根据损伤系数公式，计算损伤点的损伤系数d，对损伤岩体的损伤程度进行表征：
31)根据公式计算损伤系数d：
其中，ε为应变，e为原岩的弹性模量，p为爆炸荷载，μ为原岩泊松比；
32)根据损伤系数d值判定待监测区域损伤状态：d＝0岩体未发生损伤；d＝1，岩体完全破碎；0<d<1，岩体发生损伤。
2.根据权利要求1所述的一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法，其特征在于：所述步骤1)中光栅传感器的布置方法为：
11)将光栅传感器粘贴于岩体表面，并用隔热棉包裹，将槽钢覆盖于光栅表面，用作盖板；
12)光栅传感器采用网状布置，开挖进深轴线方向的布置间距取5米，地下洞室内轮廓面环向方向上光栅传感器沿掌子面中心轴线对称布置；
13)将掌子面左侧分为圆弧o1段、圆弧o2段、圆弧o3段和圆弧o4段四部分，分别在这四段圆弧的交点处和中心轴线与掌子面的交点处布置光栅传感器，其中o1段圆弧内每30°布置一个传感器，掌子面右侧与左侧成对称布置；
14)相邻光栅的距离取15cm，各传感器之间采用串联串接的方式连接。
3.根据权利要求1所述的一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法，其特征在于：所述步骤5)中，均方根误差rmse的计算公式如下：
式中，
4.根据权利要求3所述的一种跨不良地质段的地下洞室爆破损伤的监测方法，其特征在于：所述步骤23)中传感器网状区域按扇区柱形进行空间划分的方法为，从圆弧段o1至o4分别提取均方根误差rmse最小的点作为起始边界点，掌子面右侧对称确定起始边界点，沿着掌子面划分出扇区，再从各扇区沿地下洞室开挖方向提取均方根误差rmse最小点划分柱面，重复步骤划分扇区和柱面直到包含传感器节点数最少的子区域到达设定数p。
技术总结