一種短基線硐體應變儀*

孔向陽 張志慧 楊玉永

(山東省地震局，濟南 250300)

一種短基線硐體應變儀*

孔向陽 張志慧 楊玉永

(山東省地震局，濟南 250300)

實驗發現，在硐體完整基巖1 m深處，日溫度波動只有硐體空氣中日溫度波動的的百分之一左右。將1 m基線的硐體應變儀，用自應力水泥耦合在硐體1 m深度的基巖槽中，可以提高硐體應變儀的穩定性和高頻性能。

硐體應變;自應力水泥耦合;基巖槽;穩定性;高頻

1 引言

硐體應變測量能觀測到清晰的固體潮汐和部分地震前兆異常。由于長基線的高頻性能較弱，且硐體應變受溫度及人員進洞活動的影響較大，給人們提取地震前兆異常增加了困難。長期的觀測發現，在硐體1 m深處的密閉鉆孔中，日溫度波動只有硐體空氣日溫度波動的百分之一左右，這為解決溫度變化干擾提供了思路。為進一步提高硐體應變儀的抗干擾能力和動態觀測性能，我們對硐體應變儀進行了革新。

2 短基線硐體應變儀結構

基線使用石英玻璃管，石英基線固定在兩端的金屬構件上，中間為密封外殼。為了維護方便，使用一個1 m長的垂直加長筒，延伸到地面，具體見圖1，圖1中1是加長管，為直徑89 mm的不銹鋼管。使用加長管的目的是在前級電路損壞后進行修復;2是密封帽，可以打開更換前級電路;3是電纜;4是細沙土，起到隔離溫度和減震的作用;5自應力水泥混凝土，將探頭緊密固結在基巖槽底部;6是硐體中的基巖;7精密位移傳感器;8應變儀探頭前端;9應變儀后端;10石英基線;11石英基線外殼。

外殼及兩個固定端全部使用優質不銹鋼制作，整個應變儀器探頭是嚴格密封的，底部用硅油填充90 mm，傳感器浸泡在硅油中。

短基線硐體應變儀指標參數以傳統應變儀為參考，并適當提高，以提高抗干擾能力和動態性能為主。

儀器的主要參數及設計指標如下：

1)靈敏度：1×10-10/0.1 mV;

2)量程：5×10-6;

3)線性度：0.2%;

4)噪聲：0.05 mV(分鐘值);

5)帶寬1 000 kz;

6)探頭長度(基線長度)：1 000 mm;外形長度1 050 mm;

7)探頭高度：1 200 mm;

8)兩端直徑：135 mm;

9)適合深度1 000～2 000 mm;

10)自動調零，標定。

圖1 短基線硐體應變儀結構及安裝示意圖Fig.1 Sketch of structure and installatrion of volument strain meter of short baseline in tunnel

3 短基線應變儀力學設計

3.1 基線的選用［1］

基線選用直徑20 mm、壁厚3 mm的優質石英管材，兩端磨平拋光。優質石英材料的溫度系數為5×10-7/℃，塑性為零，是目前唯一沒有時間漂移(長期蠕變)的材料。按照本項目的工作方式，安裝在1 m深的完整基巖槽中，水泥固結密封后，日溫差低于0.000 2℃，則日溫度擾動低于10-10，這是比較理想的狀態。

3.2 短基線應變儀部分力學計算［2］

短基線應變儀使用不銹鋼外殼將基線及傳感器全部密封，為了保證應變位移正確傳遞給傳感器，巖石、水泥、探頭密封殼體的彈性模量應當符合：Em＞Ec＞Ez的原則。Em為巖石模量，典型值5×104MPa;Ec為水泥模量，典型值3×104MPa;Ez為應變探頭軸向等效模量，設計中要小于水泥模量才能有效傳遞真實的應變信息。因此需要對不銹鋼外殼主要部分的等效模量進行計算。

探頭外殼軸向等效模量計算公式為：

公式中E1是不銹鋼彈性模量，典型值2×105MPa;n為不銹鋼管外徑與內徑比值，選用外徑50 mm，壁厚1 mm的優質不銹鋼管，其等效模量Ez= 1.5×104MPa。

3.3 傳感器的選用［3］

傳感器采用電容精密位移傳感器，電容位移傳感器具有良好的綜合性能，并在前級電路上設定了電容標定功能，使用這種傳感器技術，可以簡化測量基線上的機械標定裝置，有利于提高探頭的穩定性，傳感器電容極板浸泡在高純度的硅油中，可減小微弱氣流的擾動。這種工作方式與暴露在硐體空間的電渦流及磁傳感器相比，穩定性與靈敏度會有顯著提高。

4 安裝方式

使用水鉆在硐體完整基巖段開鑿深度1 m，長度1.05 m的基巖槽，基巖槽開挖要仔細定位，使用金剛石水鉆逐一鉆取，兩端采用直徑150 mm鉆具，中間采用直徑108 mm鉆具。水鉆輕便耐用，使用金剛石鉆具，鉆取1m左右的鉆孔方便快捷，沒有硬性沖擊，鉆孔質量較好。經過幾次實際試驗，目前是開挖基巖槽較好的辦法。

施工完成后仔細沖洗基巖槽中巖石碎屑泥粉，如有油污則使用清洗劑刷洗。

借用鉆孔應變儀的裝配工藝，抽真空檢漏，使用干燥氬氣置換殘余空氣及水分，二次抽真空，并在真空狀態下逐漸灌入硅油，硅油用量以高出傳感器極板20 mm為宜，最后灌入氬氣，并使內部氣壓略高于外界氣壓。

使用自應力水泥固結，自應力水泥與石英砂1：3配置，攪拌均勻投入基巖槽中，并使用簡易工具輕輕振動，使水泥與石英砂均勻密實。

安裝5天后水泥基本固化，對儀器做調零，標定。水泥固結20天左右可以觀測到固體潮汐并有較好的抗干擾能力，水泥完全穩定時間要2個月左右。

5 短基線應變儀實驗效果

通過在云南昭通地震局漁洞地震臺和永善地震臺的實際應用，取得了較好的效果，試驗證實對硐體空間的溫度擾動不敏感，在基線附近做載荷試驗具有良好的頻響，無滯后效應，高頻采集能測量到距離應變傳感器5 m處大聲喊話的聲波。

圖2是硐體應變儀測到的應變固體潮曲線，南北向較好，東西向略差。目前只做了兩個臺站的安裝，尚無法與傳統硐體應變儀進行對比觀測。對圖2的仔細分析可以發現，固體潮的觀測精度受附近水庫發電站的影響較大，無法達到理想的觀測環境。

6 維護

短基線應變儀安裝傳感器的一端使用加長套管突出到地面，可以方便地更新前置電路，前置電路容易因為長時間工作損壞，也容易遭雷擊損壞。前級電路損壞后可以將密封蓋打開，使用專用工具更換前級電路。因為前置電路與傳感器極板之間有陶瓷板隔離，所以更換電路不會給基線工作狀態造成影響，所以維護更新電路相對要簡潔一些。

圖2 云南昭通地震局漁洞地震臺硐體應變曲線Fig.2 Cave strain curves at the Yudong seismostation of the Zhaotong Earthquake Adiministration，Yunnan

除了前置電路外，不銹鋼外殼及石英基線都可以視為永久性部件，正常使用不會出現損壞。

7 結論

1)硐體應變基線埋設在基巖1 m深處，可以避開大部分硐體開鑿的微裂隙及硐體的應力集中效應，同等條件下固體潮觀測精度明顯提高。

2)短基線硐體應變儀高頻性較為突出，使用高頻采集能夠測量到距離基線5 m處的喊話聲波。對載荷試驗敏感，在應變基線附近增加載荷有對應的階躍，撤掉載荷后同步恢復，無滯后擾動，且有很好的重復性。

3)本設計采用了嚴格的密閉措施，應變觀測系統可以耐受10 m水壓，安裝后硐體無需防水防潮，也無需再對硐體做嚴格的密封保溫措施。

致謝 感謝蘇愷之、呂寵吾研究員的指導，孫亞強領導的支持，以及昭通地震局提供的幫助!

1 呂寵吾，等.SS-Y型短基線伸縮儀及其標定裝置［J］.地殼形變與地震，2001，(3)：82-88.

2 蘇愷之.地應變測量方法［M］.北京：地震出版社，1978.

3 蘇愷之，等.鉆孔地應變觀測新進展［M］.北京：地震出版社，2003.

A VOLUME STRAIN METER OF SHORT BASELINE IN TUNNEL

Kong Xiangyang，Zhang Zhihui and Yang Yuyong
(Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250300)

Through theoretical calculation，it is found that within the deep bedrock of one meter deep，daily temperature fluctuations is only one percent of daily temperature fluctuations of air in cave.A meter long unicom tube tiltmeter is coupled with the self-stressing cement in the deep bedrock of one meter in the cave，the stability and high frequency performance of the volume strain meter in tunnel can be improved.

cave volume strain;self-stressing cement;rock groove;stability;high frequency

1671-5942(2011)Supp.-0149-03

2010-12-24

孔向陽，男，1967年生，工程師，從事應變觀測及高精度深井應變儀研究.E-mail：kxykxy2000@163.com

TH762

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