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一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法

阅读：761发布：2020-06-06

专利汇可以提供一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法，该系统包括测振仪，测震仪包括筒形锚栓，锚栓内套设有与其同心的筒形碰撞传感器，锚栓顶端固定有纠偏调节仪，碰撞传感器的顶端固定在纠偏调节仪下端面，纠偏调节仪下端面固定有与碰撞传感器的轴心线重合的摆线，摆线末端固定有摆球，碰撞传感器通过数据传输光纤连接到计算机；将测震仪的锚栓轴向固定于竖井底部的井壁，在数据传输光纤上等间隔安装有若干DAS测震光纤传感器，并在计算机中安装有Multiphysics COMSOL 软件；本发明基于动荷载系数测试、理论计算和三维有限元MS软件的求解，具有科学性和可靠性，最终在三维计算模型中可直观、定量地可视化不同动荷载对地下洞库的损伤破坏影响程度。，下面是一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，其特征在于，包括测振仪，所述测振仪包括用于安装在竖井井壁的筒形锚栓，锚栓内套设有与其同心的筒形碰撞传感器，锚栓顶端固定有纠偏调节仪，碰撞传感器的顶端固定在纠偏调节仪下端面，所述纠偏调节仪下端面固定有与碰撞传感器的轴心线重合的摆线，摆线末端固定有摆球，所述碰撞传感器通过数据传输光纤连接到用于根据摆球摆动程度采集和计算得到动荷载系数的计算机。
2.根据权利要求1所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，其特征在于：所述锚栓由抗氧化性树脂制成。
3.一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，使用如权利要求1或2所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，包括以下步骤：
步骤一、将测震仪的锚栓轴向固定于竖井底部的井壁，数据传输光纤紧贴竖井井壁延伸至竖井外与计算机连接，并在位于竖井内的数据传输光纤上等间隔安装有若干DAS测震光纤传感器，并在计算机中安装有Multiphysics COMSOL 软件；
步骤二、当竖井所在的地面发生震动时产生的应力波传递产生的动荷载影响，引起摆线牵引的摆球发生摆动，触发摆球碰撞到碰撞传感器，计算机计算得到动荷载系数，具体计算过程为：碰撞传感器获得的应力值F，依据牛顿第二运动定律公式F＝m·a，计算得到摆球的加速度，根据《地下结构抗震设计标准》中关于地下洞库设计地震加速度峰值0.2g的标准确定动荷载传导系数的最大值；
步骤三、通过DAS测震光纤传感器获取地震、工程开挖和地表施工时间区段内的微震事件参数，包括剪切波波速v、剪切波质点峰值速度速ppv和加速度ppa，然后将数据代入计算公式Δσmax＝±4·v·ppv，依据此计算得到三维有限元模型的动荷载边界；
步骤四、将地下洞库的三维几何模型导入计算机中的Multiphysics COMSOL软件，使用固体力学模块将动荷载分多次求解损伤，使用偏微分程序求解洞库围岩损伤区与损伤裂纹。
4.根据权利要求3所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，其特征在于：所述位于竖井内的数据传输光纤上的DAS测震光纤传感器之间的间距为0.5m。
5.根据权利要求3所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，其特征在于：所述步骤四具体包括：在Multiphysics COMSOL软件平台中设置6个全局变量ft0、fc0、E0、μ、和n；然后，依据最大拉应力准则F1＝-σ3-σt0和摩尔-库仑准则
将应力状态函数F1与F2引入损伤变量中，界定损伤变量D与F1、F2状态函数关系如下式：
其次，定义局部变量：
straint0＝ft0/E0和strainc0＝fc0/E0，
最大与最小主应变分别为：
pstr1＝max(max(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3),pstr3＝min(min(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3)，
应力状态函数F1和F2分别为：
F1＝-pstr3-ft0和F2＝pstr1-pstr3*(1+sin(phi))/(1-sin(phi))-fc0
因此定义损伤变量：
D1＝0*(F1<0)*(F2<0)+(1-(abs(straint0/strain3))^2)*(F1>＝0)+(1-abs(strainc0/strain1))^2*(F1<0)*(F2>＝0)，
在Multiphysics COMSOL软件中采用固体力学模块第2次损伤求解，线弹性材料的弹性模量初始值E1＝E0*(1-D1)+E0/1e10，不同损伤阶段的变量和弹性模量依次类推，最终进行稳态分步骤求解，即直观定量地显示出不同动荷载对地下洞库的损伤破坏程度。

说明书全文

一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地下水封洞库地震监测领域，特别是一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法。

背景技术

[0002] 动荷载作用下隧洞/隧道围岩安全性评价仍是岩石力学与地下工程亟待解决的难题。尤其是地下水封油气洞库面临的地震、工程开挖和地表施工影响，实时了解和掌握地下洞库稳定性对保障其安全运营具有重要作用。目前，国内已发表和出版了《地下结构抗震设计标准》(清华大学牵头、张建民院士)，但主要针对城市地下结构抗震问题。法国目前有相关的地下油气洞库抗震标准，但其设计施工与中国有很大差别，法国地下洞库主要设计在近地表，因此法国的地下洞库抗震评价标准不适用于我国大多数洞库实际情况。

[0003] 地下水封油气洞库与铁路或公路隧道、引水隧洞存在差别，其最典型的特点为地下洞库密封，施工完成后无法得知其内部围岩状况。我国目前针对地下油气洞库监测，主要采用传统的技术监测手段与微震监测相结合的方式，绝大多数仅停留在判断地下洞库受到了多大程度震动的影响，各种监测技术均是通过反演、反推来间接判断洞库可能出现的拉裂破坏程度，缺少可直观、定量地反映地下洞库围岩状况的方法，加之地下洞库场区难以避免的会遇到地震、工程开挖和地表施工等复杂动荷载影响，评价和判断地下洞库围岩状态成为亟需突破的技术难题。同时，地下水封洞库受动荷载作用影响，可能会发生的状况有：水封失效、漏油和局部坍塌等问题，严重制约安全稳定运营。

[0004] 现有的针对地下水封油气洞库围岩稳定性的评估方法，主要包括三种：一是通过对水幕巷补水压力和补水量评估洞库围岩是否发生开裂、坍塌，这种方法可靠性低、难以直观地反映真实洞库围岩情况；二是通过在地表定向施工钻孔，然后通过钻孔观测手段获取洞库围岩附近状况，此方法施工难度大、技术成本高，获得洞库围岩信息具有局限性；三是在地下洞库建立微震监测系统，通过微震监测数据反映洞库的稳定性，此方法国内外目前在采矿、石油和大坝抗震等领域应用成熟，但在各领域的应用均缺乏统一的标准，包括已公开专利申请号CN 107861157A“一种地下水封洞库运营期微震监测方法”也未提及什么样的条件下地下水封洞库是安全的。因此，如何科学地、合理地通过微震监测系统评价洞库围岩的稳定性，成为亟待解决的技术难题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是要针对现有的地下洞库稳定性监测问题，缺少科学合理的分析方法和评价标准，提供一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法。

[0006] 为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

[0007] 本发明的第一个目的是，提供一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，包括测震仪，该测振仪包括用于安装在竖井井壁的筒形锚栓，锚栓内套设有与其同心的筒形碰撞传感器，锚栓顶端固定有纠偏调节仪，碰撞传感器的顶端固定在纠偏调节仪下端面，所述纠偏调节仪下端面固定有与碰撞传感器的轴心线重合的摆线，摆线末端固定有摆球，所述碰撞传感器通过数据传输光纤连接到用于根据摆球摆动程度采集和计算得到动荷载系数的计算机。

[0008] 作为对本发明技术方案的进一步改进，所述锚栓由抗氧化性树脂制成。

[0009] 本发明的第二个目的是，提供一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，使用上述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，包括以下步骤：

[0010] 步骤一、将测震仪的锚栓轴向固定于竖井底部的井壁，数据传输光纤紧贴竖井井壁延伸至竖井外与计算机连接，并在位于竖井内的数据传输光纤上等间隔安装有若干DAS测震光纤传感器，并在计算机中安装有Multiphysics COMSOL 软件；

[0011] 步骤二、当竖井所在的地面发生震动时产生的应力波传递产生的动荷载影响，引起摆线牵引的摆球发生摆动，触发摆球碰撞到碰撞传感器，计算机计算得到动荷载系数，具体计算过程为：碰撞传感器获得的应力值F，依据牛顿第二运动定律公式F＝m·a，计算得到摆球的加速度，根据《地下结构抗震设计标准》中关于地下洞库设计地震加速度峰值0.2g的标准确定动荷载传导系数的最大值；

[0012] 步骤三、通过DAS测震光纤传感器获取地震、工程开挖和地表施工时间区段内的微震事件参数，包括剪切波波速v、剪切波质点峰值速度速ppv和加速度ppa，然后将数据代入计算公式Δσmax＝±4·v·ppv，依据此计算得到三维有限元模型的动荷载边界；

[0013] 步骤四、将地下洞库的三维几何模型导入计算机中的Multiphysics COMSOL软件，使用固体力学模块将动荷载分多次求解损伤，使用偏微分程序求解洞库围岩损伤区与损伤裂纹。

[0014] 作为对本发明技术方案的进一步改进，所述位于竖井内的数据传输光纤上的DAS测震光纤传感器之间的间距为0.5m。

[0015] 作为对本发明技术方案的进一步改进，所述步骤四具体包括：在Multiphysics COMSOL软件平台中设置6个全局变量ft0、fc0、E0、μ、和n；然后，依据最大拉应力准则F1＝-σ3-σt0和摩尔-库仑准则将应力状态函数F1与F2引入损伤变量中，界定损伤变量D与F1、F2状态函数关系如下式：

[0016]

[0017] 其次，定义局部变量：

[0018] straint0＝ft0/E0和strainc0＝fc0/E0，

[0019] 最大与最小主应变分别为：

[0020] pstr1＝max(max(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3),pstr3＝min(min(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3)，

[0021] 应力状态函数F1和F2分别为：

[0022] F1＝-pstr3-ft0和F2＝pstr1-pstr3*(1+sin(phi))/(1-sin(phi))-fc0[0023] 因此定义损伤变量：

[0024] D1＝0*(F1<0)*(F2<0)+(1-(abs(straint0/strain3))^2)*(F1>＝0)+(1-abs(strainc0/strain1))^2*(F1<0)*(F2>＝0)，

[0025] 在Multiphysics COMSOL软件中采用固体力学模块第2次损伤求解，线弹性材料的弹性模量初始值E1＝E0*(1-D1)+E0/1e10，不同损伤阶段的变量和弹性模量依次类推，最终进行稳态分步骤求解，即直观定量地显示出不同动荷载对地下洞库的损伤破坏程度。

[0026] 与现有技术相比，本发明设计的测震仪，结构简单，安装简单方便快捷，可直接测试得出动荷载系统，方便用于理论公式的计算；进而，本发明基于动荷载系数测试、理论计算和三维有限元MS软件的求解，具有科学性和可靠性，最终在三维计算模型中可直观、定量地可视化不同动荷载对地下洞库的损伤破坏影响程度。附图说明

[0027] 图1为本发明实施例的测震仪的截面图。

[0028] 图2为本发明实施例的测震仪的俯视图。

[0029] 图3为本发明实施例的将测震仪用于评价地下水封洞库围岩稳定性时的安装示意图。

[0030] 图4为本发明实施例的一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法的流程图。

具体实施方式

[0031] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及其实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

[0032] 如图1、图2所示，本实施例的一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，包括测震仪，该测振仪包括用于安装在竖井井壁的筒形锚栓5，锚栓优先选优具有稳定的抗氧化性树脂制成，锚栓5内套设有与其同心的筒形碰撞传感器3，锚栓5顶端固定有纠偏调节仪4，碰撞传感器3的顶端固定在纠偏调节仪4下端面，所述纠偏调节仪4下端面固定有与碰撞传感器3的轴心线重合的摆线1，摆线1末端固定有摆球2，所述碰撞传感器3通过数据传输光纤连接到用于根据摆球摆动程度采集和计算得到动荷载系数的计算机。本实施例的测震仪主要用来测动荷载系数，其原理是当竖井所在的地面发生震动时产生的应力波传递产生的动荷载影响，引起摆线1牵引的摆球2发生摆动，触发摆球2碰撞到碰撞传感器3，计算机根据采集的摆球2摆动程度进而确定得到动荷载系数，具体计算过程为：碰撞传感器3获得的应力值F，依据牛顿第二运动定律公式F＝m·a，可计算得到摆球2的加速度(m/s2)，根据《地下结构抗震设计标准》中关于地下洞库设计地震加速度峰值0.2g的标准，因此界定当F/10＝
0.2时，确定动荷载传导系数最大为4。

[0033] 参照图3、图4，作为本发明的另一个实施例，一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，使用上述的测震仪，包括以下步骤：

[0034] 步骤一、将测震仪的锚栓5轴向(如用铆钉)固定于竖井7底部的井壁，如图2所示，此过程不影响竖井抽存油气作业，竖井7位于地下水封洞库6上方，水幕巷道11位于地下水封洞库6上方，数据传输光纤8紧贴竖井7井壁延伸至竖井7外与计算机9连接，并在位于竖井7内的数据传输光纤上每隔0.5m安装一个DAS测震光纤传感器10，DAS测震光纤传感器10选用KB12(VB)型号的高灵敏传感器，灵敏度(±10％)10000mV/g、量程±0.6g，并在计算机9中安装有Multiphysics COMSOL软件；

[0035] 步骤二、当竖井7所在的地面发生震动时产生的应力波传递产生的动荷载影响，引起摆线1牵引的摆球2发生摆动，触发摆球2碰撞到碰撞传感器3，计算机9计算得到动荷载系数，具体计算过程为：碰撞传感器3获得的应力值F，依据牛顿第二运动定律公式F＝m·a，可计算得到摆球2的加速度(m/s2)，根据《地下结构抗震设计标准》中关于地下洞库设计地震加速度峰值0.2g的标准，因此界定当F/10＝0.2时，确定动荷载传导系数最大为4；

[0036] 步骤三、通过DAS测震光纤传感器10获取地震、工程开挖和地表施工时间区段内的微震事件参数，包括剪切波波速v、剪切波质点峰值速度速ppv和加速度ppa，然后将数据代入计算公式Δσmax＝±4·v·ppv，依据此计算得到三维有限元模型的动荷载边界；

[0037] 步骤四、将地下洞库的三维几何模型导入计算机9中的Multiphysics COMSOL(MC)软件，使用固体力学模块将动荷载分多次求解损伤，使用偏微分程序求解洞库围岩损伤区与损伤裂纹。详细步骤如：首先，在MC软件平台中设置6个全局变量ft0、fc0、E0、μ、和n；然后，依据最大拉应力准则F1＝-σ3-σt0和摩尔-库仑准则将应力状态函数F1与F2引入损伤变量中，界定损伤变量D与F1、F2状态函数关系如下式：

[0038]

[0039] 其次，定义局部变量：

[0040] straint0＝ft0/E0和strainc0＝fc0/E0，

[0041] 最大与最小主应变分别为：

[0042] pstr1＝max(max(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3),pstr3＝min(min(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3)，

[0043] 应力状态函数F1和F2分别为：

[0044] F1＝-pstr3-ft0和F2＝pstr1-pstr3*(1+sin(phi))/(1-sin(phi))-fc0[0045] 因此定义损伤变量

[0046] D1＝0*(F1<0)*(F2<0)+(1-(abs(straint0/strain3))^2)*(F1>＝0)+(1-abs(strainc0/strain1))^2*(F1<0)*(F2>＝0)

[0047] 值得注意的是在MC软件中采用固体力学模块第2次损伤求解，线弹性材料的弹性模量初始值E1＝E0*(1-D1)+E0/1e10，不同损伤阶段的变量和弹性模量依次类推，最终进行稳态分步骤求解，即可直观定量地显示出不同动荷载对地下洞库的损伤破坏程度。

[0048] 基于上述方法，技术人员即可评价地下洞库围岩的具体情况，并确定是否进行修复。

[0049] 本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

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