岩体三维扰动应力长期动态测量光纤光栅传感器研发及观测研究

The disturbance stress of surrounding rock mass is of vital importance in both the construction and operation stages of deep underground projects. The long-term measurement of field stress is the most direct and reliable way to obtain the disturbance stress in surrounding rock mass. Based on the advanced Fiber Bragg Grating (FBG) technique, a three-dimensional strain gauge is going to be developed in this study for the long-term dynamic measurement of stress disturbance in rock mass. The strain gauge has the advantages of self-compensation for temperature, auto-triggered, sensitive reaction for small strain variation and long-term tracking measurement. Through laboratory tests, the influences of creep deformation of rock and variation of temperatures are evaluated, and the performance and parameters of the developed strain gauge are calibrated. At last, the strain gauge is installed in the Jinping underground laboratory to measure the stress variation during excavation, blasting and long-term operation of underground caverns. The research results have the value of widespread practical application in the design, construction and operation of underground projects which are constructed in deep hard rock.

深部岩体工程建设与运营期围岩扰动应力是评价工程结构安全稳定性的关键参数，它的准确测量一直是岩石力学与工程的重要议题，现场应力长期测量是获取围岩扰动应力最直接、最可靠的手段。本项目运用先进的光纤光栅传感技术，研制三维应力光纤光栅传感器，该传感器具有温度自补偿功能、自动触发功能、微小应变反应灵敏、并可实现长期动态跟踪测量等优点；通过开展室内试验确定出岩石长期变形、温度变化等干扰因素对传感器测量结果的影响，实现对传感器各项性能和指标的准确标定；最后，将所研制的三维应力传感器应用于锦屏地下实验室进行长期监测，研究地下实验室开挖全过程以及长期运行过程中围岩扰动应力变化规律。研究成果在深部硬岩工程设计、施工及运行安全方面具有广泛的应用价值。

深部岩体工程建设与运营期围岩扰动应力是评价工程结构安全稳定性的关键参数，它的准确测量一直是岩石力学与工程的重要议题，现场应力长期测量是获取围岩扰动应力最直接、最可靠的手段。本项目主要研究内容包括三个方面：（1）研制三维应力光纤光栅传感器；（2）对传感器进行实验室标定；（3）现场长期监测验证所研制传感器，并掌握扰动应力变化规律。通过项目组成员联合攻关，成功实现了三维应力光纤光栅传感器研发、参数标定，并将研发的传感器应用工程现场进行了长期监测验证，所研发传感器主要特征如下：. （1）通过对不同基材的力学性能进行试验研究，选取弹性钢作为岩体三维应力长期动态测量光纤光栅传感器基材，弹性钢具有良好的弹性性能和长期稳定性，可满足长期监测要求。. （2）设计了空心包体式光纤光栅三维应力传感器，其结构形式体积小，易于现场定位、安装。. （3）根据温度对光纤光栅的影响机理，在传感器内部布置不受力的温度补偿光纤光栅，实现了高精度的温度自动补偿技术。. （4）实现了光纤光栅三维应力传感器标定技术，在不同压力或变形条件下对传感器进行了标定。. （5）建立了一套围岩原岩应力测量及扰动应力长期监测的方法，实现了岩体三维真实应力的长期动态监测。. 在扰动应力诱发地质灾害方面，通过理论与数值方法研究了地下洞室开挖过程诱发临近结构面失稳。研究发现，由于地下工程开挖引起的断层面上应力分布不均匀，断层面临近开挖区因法向应力较小易于滑动，而远离开挖区局部位置可能会出现法向应力集中从而捕获断层失稳扩展；断层面临界滑移弱化距离参数非常重要，该参数的降低能够显著降低有限失稳滑动及动态失稳滑动的临界应力，并减小动态失稳滑动地震辐射能量。. 本项目所研制的传感器可用于深部地下工程扰动应力长期监测，地下开挖扰动诱发断层失稳研究对揭示断层失稳滑动机理及水压致裂减震机理具有参考作用。