1.本发明涉及动静载耦合作用下岩石结构健康监测领域，应力应变尤其适用于动载应力波作用下巷道变形破坏裂隙场和三维应变场监测系统及方法。波诱
背景技术：
2.随着城市化进程的发巷方法加速，地下建筑的道失建设也越来越多，其中地下巷道作为重要的稳裂交通、工程和储藏设施，隙场扮演着越来越重要的场监测系角色。然而，统及地下巷道建设和运营过程中，应力应变地下巷道中车辆和人员的波诱运行、巷道周边建筑物的发巷方法振动和沉降等可能会引起动静载耦合作用，这两种载荷会相互影响，道失相互作用，稳裂从而导致建筑物或者结构的隙场变形和破坏，严重时会危及人员和设施的场监测系安全，因此，对巷道的变形和破坏进行监测和分析显得非常必要。
3.现有的监测技术受限于传感原理、安装技术，无法大范围、全面监测，光纤监测技术和高密度电法探测技术是当前较为先进的地质工程监测手段之一。通过在巷道内部埋入光纤传感器，对巷道的变形进行实时监测，获取巷道在载荷作用下的应变场分布情况，通过在巷道内部埋电极采集裂纹分布情况获得裂隙场。三维应变场和裂隙场监测技术可以实现对巷道在实际工况下的变形和破坏状态进行准确记录和综合分析，对安全评估、结构优化等方面有着非常重要的意义。
4.因此，研究动静载耦合作用下巷道变形破坏的三维应变场和裂隙场监测技术具有很高的理论和实际应用价值，可以为地下巷道的安全建设和运行提供有力的技术保障。
技术实现要素：
5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于应力波诱发掘进巷道变形失稳的裂隙场和三维应变场监测系统及方法，对在真三轴应力状态下模拟巷道开挖及应力波扰动诱发巷道产生变形破坏的状态进行监测，获得巷道围岩的应变场和裂隙场分布，可以及时预警巷道破坏和塌方等事故的发生，为巷道防护提供可靠的支撑置。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种应力波诱发巷道失稳裂隙场和三维应变场监测系统，包括相似物理模型试样，准分布式光纤传感器、高频光纤解调仪、监控主机一、铜钉、电缆、电法仪基站、电法仪主机、监控主机二以及三维静态加载系统；相似物理模型试样中设有巷道，巷道周围的相似物理模型试样中设有若干根准分布式光纤传感器，分布式光纤传感器一端靠近相似物理模型试样，另一端连接高频光纤解调仪，高频光纤解调仪与监控主机一信号连接；巷道上部和下部的相似物理模型试样中各铺设一排的铜钉，铜钉与电法仪基站线路连接，电法仪基站通过电缆与电法仪主机连接，电法仪主机与监控主机二信号连接；相似物理模型试样中预埋多个二氧化碳爆破致裂管；三维静态加载系统，作用于相似物理模型试样的横向面、径向面、轴向面，所述巷道的两端开口位于径向面上。
7.作为更进一步的优选方案，多个准分布式光纤传感器埋设在巷道位置的纵向、横向、轴向、斜角方向。
8.作为更进一步的优选方案，三维静态加载系统于相似物理模型试样径向面上的加载工作面具有避免接触巷道两端的开孔。
9.作为更进一步的优选方案，在试样左上角前方内部插入一个铜钉作为n电极，在试样右下角后方内部插入一个铜钉作为无穷b电极。
10.一种应力波诱发巷道失稳裂隙场和三维应变场监测系统的监测方法，包括以下步骤：步骤一：确定相似物理模型试样的参量和相似比例，设计并制作相似物理模型试样，相似物理模型试样为一层层铺设而成，铺设过程中埋入准分布式光纤传感器和二氧化碳爆破致裂管；设计巷道于相似物理模型试样中，铺设过程中，制作巷道模具，完成后等长度分成五段，形成多个分段巷道，用油纸包裹，并将两个钢丝绳打入巷道模具截面内；步骤二：设置高频光纤解调仪的监测参数和电法仪主机监测参数；高频光纤解调仪设置手动触发采集，采样频率为每分钟采集1次数据，当应变值超过设置的应变阈值或者应变速率阈值，即200με或10με/s时，说明该监测区域产生了大程度的变形或者出现了急剧破裂等现象，高频光纤解调仪将会自动以每秒10^6次的速度进行高频采集，持续时间2min，之后继续以每分钟1次的低采频进行监测；电法仪主机的采样时间间隔为10ms，在5min以内完成一次测量，每小时采样3次，当高频光纤解调仪进行高频采集时，将手动激发电法仪主机进行一次采集；步骤三：通过三维静态加载系统模拟岩层的真实地应力，监测受力前后相似物理模型试样内部的三维应变和电阻率变化规律；在加载前测量相似物理模型试样各区域的应变值和电阻率值，以此作为原始应变场和裂隙场，先对相似物理模型试样三个方向同时施加0.1mpa的微应力，使相似物理模型试样在后期加载过程中不被推动，再分别使用分级加载施加三轴应力，每个方向加载结束后稳压一小时，测量此时的应变值和电阻率值，获得单轴、双轴、三轴加载状态下的试样内部三维应变场和裂隙场的分布演化规律；步骤四：通过钢丝绳逐个抽出分段巷道，以模拟巷道掘进过程，分段巷道全部抽出后形成巷道，过程中监测掘进进尺对围岩内部各区域三维应变和电阻率的变化；每次掘进后停工一小时待巷道围岩应力重分布达到平衡，监测此时相似物理模型试样内部的三维应变和电阻率变化，分析三维应变场和裂隙场变化；步骤五：起爆二氧化碳爆破致裂管，产生动态应力波，监测起爆全过程不同区域的三维应变，分析应力波加载全过程三维应变场变化规律以及起爆前后的裂隙场的变化规律；当起爆二氧化碳爆破致裂管时，液态二氧化碳瞬间被气化，急剧膨胀产生高压冲击波，相似物理模型试样受到几何级当量冲击波向外迅速推进，应变值或应变速率会快速增加，并激发高频采集；从应力波产生至结束全过程在毫秒以内，因此需要进行超高频、持续的监测；监测应力波产生前后相似物理模型试样岩体各区域的三维应变、电阻率，以及应力波传递过程中的三维应变，分析应力波产生前后试样的裂隙场和三维应变场、应力波传递过程中的三维应变场变化规律；步骤六：根据不同阶段试样的三维应变场和裂隙场分布演化规律，判断巷道围岩结构健康状态，判断方法包括以下步骤：
（1）通过过渡函数对试样岩体内不同区域三维应变进行插值，获得三维空间内其他区域的应变值，并绘制三维应变场立体云图直观地展示出岩体的变形程度以及应变集中区域；通过测量测线各测点的视电阻率，获得视电阻率剖面分布云图，分析剖面的裂隙场；（2）当某区域的应变和应变速率都超过临界值时，认为该区域为变形集中区；（3）手动激发电阻率探测，绘制电阻率云图，分析受否存在裂隙场；（4）当变形集中区与裂隙场区域相同时，则认为该区域存在失稳破坏的风险，需要对该区域采取防护措施。
有益效果
11.当试样在应力波作用下仅发生弹性变形，而没有发生破裂时，三维应变场就可以反映出试样内部的应变变化情况，并可以帮助研究条件下应力集中的程度、应力波的传播速度和方向等方面的问题，但这并不能反映试样的完整性和破裂状态。通过结合高密度电法对试样不同区域的电阻率进行监测，分析试样的破裂位置、破裂形态等，获得试样裂隙场演化规律。对动静耦合加载条件下的试样及工程现场，采用三维应变场与裂隙场联合监测将有助于识别岩石试样或巷道围岩的结构健康状态，为采取防护措施提供数据基础。
附图说明
12.图1为传感器三维布置示意图；图2为真三轴动静载巷道掘进失稳破坏示意图；图3为岩体三维应变场与裂隙场示意图；图4为围岩结构健康状态判断流程示意图；图中：准分布式光纤传感器1、高频光纤解调仪2、监控主机一3、铜钉4、电缆5、电法仪基站6、电法仪主机7、监控主机二8、二氧化碳爆破致裂管9、相似物理模型试样10、巷道11、分段巷道12、钢丝绳13、油纸14、三维应变场15、裂隙场16。
实施方式
13.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。
14.本发明的一种应力波诱发巷道失稳裂隙场和三维应变场监测系统，适用于在多维空间中插值离散数据的过渡函数法计算应变场云图，监测系统包括相似物理模型试样10，由准分布式光纤传感器1、高频光纤解调仪2、监控主机一3、铜钉4、电缆5、电法仪基站6、电法仪主机7、监控主机二8组成的监测系统，以及三维静态加载系统、应力波加载系统；三维静态加载系统，用于对相似物理模型试样10进行加载和巷道11掘进，模拟岩体天然应力和人工掘进扰动过程；三维静态加载系统，在巷道11的纵向截面的位置为临空面，不受载荷，用于巷道11的开挖掘进，巷道11掘进采用抽出式分批次挖掘；应力波加载系统，利用二氧化碳爆破致裂管9对相似物理模型试样10进行爆炸加载，在试样中产生应力波；监测系统，通过在试样内预设巷道11位置的纵向、横向、轴向、斜角方向，预埋多个准分布式光纤传感器1，形成网格式监测区域，连接到高频光纤解调仪2，用于实时监测三维
静态加载、巷道11开挖和应力波诱发全过程的相似材料试样内部不同位置的应变信息，分析三维应变场15的变化规律；在岩体内预埋多个铜钉4，用于监测试样内部各个位置的电阻率，连接到电法仪主机7，利用地球物理反演方法，获取电阻率等值线图，分析裂隙场16。光纤实时持续监测试样内部应变并绘制三维应变场15云图，电法间隔监测电阻率并绘制云图。若通过光纤监测应变值分析发现存在变形集中区，电阻率云图分析发现存在裂隙场16，且变形集中区与裂隙场16区域相同，则认为试样该区域发生了较大破坏，需要对该区域采取防护措施。利用准分布式光纤传感器1的高分辨率和高灵敏度的特性，通过在试样三维方向埋入多个准分布式光纤传感器1，获得试样多点、多方位的动态实时应变值，并利用已知数据通过过渡函数法插值得到未知点的估计值，绘制三维应变场15云图，直观地刻画结构的受力状态。高密度电法依靠铜钉4收集的电压信号获得试样内部电阻率分布图像信息，进而发现试样内部岩层潜在的断层、裂隙等灾害隐患。
15.准分布式光纤传感器1布置在预埋过程中通过推拉力计给予准分布式光纤传感器1一定的预紧力，保证监测结果的准确性。
16.高频光纤解调仪2设置应变阈值和应变速率阈值，以低频持续监测应变，当应变或者应变速率超过设置的阈值时将会自动激发高频采集，以高采样频率持续监测2min；电法仪主机7设置采集时间设置为长时间间隔探测，可手动添加激发采集。
17.监测应变场和裂隙场16可以更全面、更精确地了解试样在应力波载荷下的响应情况，更好地研究材料在应力波作用下的动态响应和断裂机制。同时监测应变场和裂隙场16可以深入研究材料在应力波载荷下的动态响应，包括应变分布和变化规律等，同时可以探究试样的断裂机制和破坏形态等关键问题。
18.本发明的应力波诱发巷道失稳裂隙场和三维应变场监测系统的监测方法如下：步骤一：确定模型参量和相似比例，设计并制作模型，埋入传感器和二氧化碳爆破致裂管9。
19.根据工程现场的地质条件和工程应力，设计相似物理模型试样10各岩层的应力相似比、容重相似比和几何相似比，选择相似材料，确定相似物理模拟试样各岩层的材料配比和加载应力；巷道11早于相似物理模型试样10制作，制作完成后等长度分成5段，用油纸14包裹，并将两个钢丝绳13打入截面内，便于巷道11掘进。在铺设相似物理模型试样10过程中，在预设计的巷道11位置的轴向、横向、纵向、肩部埋入多个准分布式光纤传感器1，监测三维应变场15。在巷道11顶底板等间隔布置多个铜钉4，监测裂隙场16。
20.具体的说，最先在巷道11模具内铺设巷道11，压实后拆模，将巷道11等间距分割成6等份分段巷道12，用油纸14包裹，并在巷道11断面钻入两根钢丝绳13。巷道11分段是为了模拟巷道11掘进过程，利用油纸14包裹有助于巷道11与围岩分离，且保证巷道11未掘进时与围岩受力一致，通过钢丝绳13的牵引人员可以站在较远地方掘进，不需要大的操作空间。现常用的巷道11掘进方法是通过人工手动凿，需要大的操作空间和精力，对在真三轴加载条件下空出能够满足人员掘进空间的可能性较小，因此，提前制作分段巷道12将有助于模拟巷道11掘进过程。
21.在铺设相似物理模型试样10的过程中，在相应的位置置入分段巷道12，并埋入准分布式光纤传感器1和铜钉4。由于准分布式光纤传感器1是通过光纤的拉伸变形产生波长变化，因此，通过推拉力计给予准分布式光纤传感器1固定100n的预紧力，保证所有传感器1
的初始变形量相同，从而保证监测结果的准确性。在巷道11的轴向、横向、纵向和肩部方向，埋入传感器1，组成三维立体的监测空间，用于监测三维应变场15。在试样轴向截面距离巷道11同等距离的两条测线上分别等间隔的插入16个铜钉4，在试样左上角前方内部插入一个铜钉4作为n电极，在试样右下角后方内部插入一个铜钉4作为无穷b电极，用来监测该截面的电阻率变化，探测该区域的裂隙场16。
22.步骤二：设置高频光纤解调仪2的监测参数和电法仪主机77监测参数。高频光纤解调仪2设置手动触发采集，采样频率为每分钟采集1次数据，当应变值超过设置的应变阈值或者应变速率阈值（200με或10με/s，可根据具体条件更改），说明该监测区域产生了大程度的变形或者出现了急剧破裂等现象，高频光纤解调仪2将会自动以每秒10^6次的速度进行高频采集，持续时间2min，之后继续以每分钟1次的低采频进行监测。电法仪主机77的采样时间间隔为10ms，在5min以内完成一次测量，每小时采样3次，当高频光纤解调仪2进行高频采集时，将手动激发电法仪进行一次采集，输入各个铜钉4的三维位置，并进行测线分类，构建监测剖面。
23.步骤三：真三轴静态加载，模拟岩层的真实地应力，监测受力前后试样内部的三维应变和电阻率变化规律。在加载前测量相似物理模型试样10各区域的应变值和电阻率值，以此作为原始应变场和裂隙场16。然后再对相似物理模型试样10轴向、横向、径向三个方向同时施加相同的微应力（0.1mpa），使试样在后期加载过程中不被推动。之后再使用0.1mpa/min的加载速率分别对三轴应力进行分级加载，每个方向加载结束后稳压一小时，试样内部应力重分布稳定后，测量此时的应变值和电阻率值，直至加载到预设的应力值，通过过渡函数进行插值计算单轴、双轴、三轴加载状态下的试样内部三维应变场15和裂隙场16的分布演化规律。
24.步骤四：分批次掘进巷道11，监测掘进进尺对围岩内部各区域三维应变和电阻率的变化。在试样岩体的巷道11位置，径向加载承压板设计成镂空的，巷道11径向不受载荷，符合巷道11真实的工程受力状态。通过拽拉钢丝绳13，将油纸14内包裹的巷道11抽出，模拟巷道11掘进。每次掘进后停工一小时待巷道11围岩应力重分布达到平衡，监测此时相似物理模拟试样内部的三维应变和电阻率变化，分析三维应变场15和裂隙场16变化，以评估巷道11掘进对围岩的影响。由于油纸14将分段巷道12和巷道11围岩分隔，因此分段巷道12能够脱离巷道11位置，模拟巷道11掘进；步骤五：起爆二氧化碳爆破管，产生动态应力波，监测起爆全过程不同区域的三维应变，分析应力波加载全过程三维应变场15变化规律以及起爆前后的裂隙场16的变化规律。当巷道11掘进结束后，保持三轴静载1小时，待巷道11围岩的应力分布达到平衡状态，监测此时相似物理模拟试样10内部的三维应变和电阻率变化，观察巷道11变形垮落情况；当起爆致裂管时，液态二氧化碳瞬间被气化，急剧膨胀产生高压冲击波，被爆破试样受到几何级当量冲击波向外迅速推进；试样发生大范围和大程度的损坏，应变值或应变速率会快速增加，并激发高频采集。从应力波产生至结束全过程在毫秒以内，因此需要进行超高频、持续的监测，高频光纤解调仪2的采样频率需要在1m/s及以上。监测应力波产生前后试样岩体各区域的三维应变、电阻率，以及应力波传递过程中的三维应变，分析应力波产生前后试样的裂隙场16和三维应变场15、应力波传递过程中的三维应变场15变化规律，探究围岩稳定性的变化情况，并为设计巷道11支护措施提供实验数据和基础理论支撑；
步骤六：根据不同阶段试样的三维应变场15和裂隙场16分布演化规律，判断巷道11围岩结构健康状态，判断方法包括以下步骤：（1）通过过渡函数对试样10岩层内光纤传感器监测的应变进行插值，获得三维空间内其他区域的应变值，并绘制三维应变场15立体云图直观地展示出岩体的变形程度以及变形集中区域。通过测量测线各测点的视电阻率，获得视电阻率剖面分布云图，分析剖面的裂隙场16。
25.（2）当某区域应变超过弹性应变临界值时，认为该区域为应变集中区，未超过临界值时将继续低频监测。
26.（3）通过应变场云图15可以看出具有不同大小变形的区域，不同区域变形程度不同，应变值越大不代表该区域的破坏程度（损伤变量）越大，因为不同岩石的岩性不同，进入塑性变形阶段的应变起始值也不相同，因此，当存在应变集中区时，继续计算并绘制应变速率云图。
27.（4）若应变速率不超过临界值时，则认为该区域不是损伤集中区，继续光纤持续应变监测。
28.（5）若是应变集中区域的应变速率超过弹性应变速率临界值，则认为该区域为变形集中区，结合该阶段的电阻率云图分析是否存在裂隙场16，若变形集中区与裂隙场16区域相同，则认为该区域存在失稳破坏的风险，需要对该区域采取防护措施。
29.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。