一种短基线硐体应变仪*

孔向阳 张志慧 杨玉永

(山东省地震局，济南 250300)

一种短基线硐体应变仪*

孔向阳 张志慧 杨玉永

(山东省地震局，济南 250300)

实验发现，在硐体完整基岩1 m深处，日温度波动只有硐体空气中日温度波动的的百分之一左右。将1 m基线的硐体应变仪，用自应力水泥耦合在硐体1 m深度的基岩槽中，可以提高硐体应变仪的稳定性和高频性能。

硐体应变;自应力水泥耦合;基岩槽;稳定性;高频

1 引言

硐体应变测量能观测到清晰的固体潮汐和部分地震前兆异常。由于长基线的高频性能较弱，且硐体应变受温度及人员进洞活动的影响较大，给人们提取地震前兆异常增加了困难。长期的观测发现，在硐体1 m深处的密闭钻孔中，日温度波动只有硐体空气日温度波动的百分之一左右，这为解决温度变化干扰提供了思路。为进一步提高硐体应变仪的抗干扰能力和动态观测性能，我们对硐体应变仪进行了革新。

2 短基线硐体应变仪结构

基线使用石英玻璃管，石英基线固定在两端的金属构件上，中间为密封外壳。为了维护方便，使用一个1 m长的垂直加长筒，延伸到地面，具体见图1，图1中1是加长管，为直径89 mm的不锈钢管。使用加长管的目的是在前级电路损坏后进行修复;2是密封帽，可以打开更换前级电路;3是电缆;4是细沙土，起到隔离温度和减震的作用;5自应力水泥混凝土，将探头紧密固结在基岩槽底部;6是硐体中的基岩;7精密位移传感器;8应变仪探头前端;9应变仪后端;10石英基线;11石英基线外壳。

外壳及两个固定端全部使用优质不锈钢制作，整个应变仪器探头是严格密封的，底部用硅油填充90 mm，传感器浸泡在硅油中。

短基线硐体应变仪指标参数以传统应变仪为参考，并适当提高，以提高抗干扰能力和动态性能为主。

仪器的主要参数及设计指标如下：

1)灵敏度：1×10-10/0.1 mV;

2)量程：5×10-6;

3)线性度：0.2%;

4)噪声：0.05 mV(分钟值);

5)带宽1 000 kz;

6)探头长度(基线长度)：1 000 mm;外形长度1 050 mm;

7)探头高度：1 200 mm;

8)两端直径：135 mm;

9)适合深度1 000～2 000 mm;

10)自动调零，标定。

图1 短基线硐体应变仪结构及安装示意图Fig.1 Sketch of structure and installatrion of volument strain meter of short baseline in tunnel

3 短基线应变仪力学设计

3.1 基线的选用［1］

基线选用直径20 mm、壁厚3 mm的优质石英管材，两端磨平抛光。优质石英材料的温度系数为5×10-7/℃，塑性为零，是目前唯一没有时间漂移(长期蠕变)的材料。按照本项目的工作方式，安装在1 m深的完整基岩槽中，水泥固结密封后，日温差低于0.000 2℃，则日温度扰动低于10-10，这是比较理想的状态。

3.2 短基线应变仪部分力学计算［2］

短基线应变仪使用不锈钢外壳将基线及传感器全部密封，为了保证应变位移正确传递给传感器，岩石、水泥、探头密封壳体的弹性模量应当符合：Em＞Ec＞Ez的原则。Em为岩石模量，典型值5×104MPa;Ec为水泥模量，典型值3×104MPa;Ez为应变探头轴向等效模量，设计中要小于水泥模量才能有效传递真实的应变信息。因此需要对不锈钢外壳主要部分的等效模量进行计算。

探头外壳轴向等效模量计算公式为：

公式中E1是不锈钢弹性模量，典型值2×105MPa;n为不锈钢管外径与内径比值，选用外径50 mm，壁厚1 mm的优质不锈钢管，其等效模量Ez= 1.5×104MPa。

3.3 传感器的选用［3］

传感器采用电容精密位移传感器，电容位移传感器具有良好的综合性能，并在前级电路上设定了电容标定功能，使用这种传感器技术，可以简化测量基线上的机械标定装置，有利于提高探头的稳定性，传感器电容极板浸泡在高纯度的硅油中，可减小微弱气流的扰动。这种工作方式与暴露在硐体空间的电涡流及磁传感器相比，稳定性与灵敏度会有显著提高。

4 安装方式

使用水钻在硐体完整基岩段开凿深度1 m，长度1.05 m的基岩槽，基岩槽开挖要仔细定位，使用金刚石水钻逐一钻取，两端采用直径150 mm钻具，中间采用直径108 mm钻具。水钻轻便耐用，使用金刚石钻具，钻取1m左右的钻孔方便快捷，没有硬性冲击，钻孔质量较好。经过几次实际试验，目前是开挖基岩槽较好的办法。

施工完成后仔细冲洗基岩槽中岩石碎屑泥粉，如有油污则使用清洗剂刷洗。

借用钻孔应变仪的装配工艺，抽真空检漏，使用干燥氩气置换残余空气及水分，二次抽真空，并在真空状态下逐渐灌入硅油，硅油用量以高出传感器极板20 mm为宜，最后灌入氩气，并使内部气压略高于外界气压。

使用自应力水泥固结，自应力水泥与石英砂1：3配置，搅拌均匀投入基岩槽中，并使用简易工具轻轻振动，使水泥与石英砂均匀密实。

安装5天后水泥基本固化，对仪器做调零，标定。水泥固结20天左右可以观测到固体潮汐并有较好的抗干扰能力，水泥完全稳定时间要2个月左右。

5 短基线应变仪实验效果

通过在云南昭通地震局渔洞地震台和永善地震台的实际应用，取得了较好的效果，试验证实对硐体空间的温度扰动不敏感，在基线附近做载荷试验具有良好的频响，无滞后效应，高频采集能测量到距离应变传感器5 m处大声喊话的声波。

图2是硐体应变仪测到的应变固体潮曲线，南北向较好，东西向略差。目前只做了两个台站的安装，尚无法与传统硐体应变仪进行对比观测。对图2的仔细分析可以发现，固体潮的观测精度受附近水库发电站的影响较大，无法达到理想的观测环境。

6 维护

短基线应变仪安装传感器的一端使用加长套管突出到地面，可以方便地更新前置电路，前置电路容易因为长时间工作损坏，也容易遭雷击损坏。前级电路损坏后可以将密封盖打开，使用专用工具更换前级电路。因为前置电路与传感器极板之间有陶瓷板隔离，所以更换电路不会给基线工作状态造成影响，所以维护更新电路相对要简洁一些。

图2 云南昭通地震局渔洞地震台硐体应变曲线Fig.2 Cave strain curves at the Yudong seismostation of the Zhaotong Earthquake Adiministration，Yunnan

除了前置电路外，不锈钢外壳及石英基线都可以视为永久性部件，正常使用不会出现损坏。

7 结论

1)硐体应变基线埋设在基岩1 m深处，可以避开大部分硐体开凿的微裂隙及硐体的应力集中效应，同等条件下固体潮观测精度明显提高。

2)短基线硐体应变仪高频性较为突出，使用高频采集能够测量到距离基线5 m处的喊话声波。对载荷试验敏感，在应变基线附近增加载荷有对应的阶跃，撤掉载荷后同步恢复，无滞后扰动，且有很好的重复性。

3)本设计采用了严格的密闭措施，应变观测系统可以耐受10 m水压，安装后硐体无需防水防潮，也无需再对硐体做严格的密封保温措施。

致谢 感谢苏恺之、吕宠吾研究员的指导，孙亚强领导的支持，以及昭通地震局提供的帮助!

1 吕宠吾，等.SS-Y型短基线伸缩仪及其标定装置［J］.地壳形变与地震，2001，(3)：82-88.

2 苏恺之.地应变测量方法［M］.北京：地震出版社，1978.

3 苏恺之，等.钻孔地应变观测新进展［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

孔向阳，男，1967年生，工程师，从事应变观测及高精度深井应变仪研究.E-mail：kxykxy2000@163.com

TH762

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