在原始应力状态基础上的围岩应力扰动是引起工程体失稳、破坏的直接因素^[1]。目前，国内外针对真实应力扰动信息的获取尚无有效的手段和技术。随着深部岩体力学与开采理论研究的发展，强时效、强扰动等深部岩体破坏特征成为深地课题需要研究的重要内容^[2]，因此需针对深部岩体开展原位、长效、精细观测，构建适用于深部环境的岩石力学模型与理论^[3]。

针对岩体开挖后应力扰动信息的监测，中国地调局地科院力学所研发了压磁法应力监测技术和设备，并获取了芦山地震前后的地应力变化^[4]；王宁波等^[5]采用非电测KS型钻孔应力计对覆岩自重、采动影响、顶煤爆破影响引起的煤体应力扰动进行监测，获取了急倾斜煤体内部应力的分布特点；张芳等^[6]研发了岩土三向压应力传感器地应力测试技术，并对其性能进行了测试；刘宁等^[7]运用基于地应力空心包体应变计地应力测量技术，在锦屏二级水电站引水隧洞TBM掘进施工时，对应力进行监测，得到现场监测应力演化过程的特征。

岩体应力的长期监测需在岩体地应力测量技术的基础上发展而来，以获取岩体内真实扰动应力的大小和方向。地应力测量技术中，水压致裂法和空心包体应变计法是目前地应力测量中应用较广的两种定量测量方法^[8]。水压致裂法需不断注入高压水，且需劈裂岩体以判断应力方向，因此难以用于岩体应力实时监测。空心包体应变法所使用的空心包体应变计，一次测量即可获得全部的3维应力张量及方向^[9]，原理上能够满足岩体真实应力扰动情况的长期监测^[10]；但由于其采用电阻应变片和惠斯通电桥进行测量，其结果受到温度条件、供电条件等因素影响，无法满足应力长期监测中数据精确和稳定的要求。因此，针对岩体应力的长期监测，以空心包体应变计相关技术为基础，对其长效供电方案、误差分析方法、长期稳定性进行设计改进，实现对岩体内部应力变化长期、稳定、有效的监测。

1 数字化空心包体应变计岩体扰动应力监测技术研究 1.1 基于数字化空心包体技术的扰动应力监测数据采集系统设计

蔡美峰院士等^[11–12]提出完全温度补偿方法用于空心包体应变计地应力测量的温度误差消除。完全温度补偿方法需借助室内温度标定试验，将地应力岩芯及其内部粘贴的应变花作为一个整体，测试其在温度变化至平衡条件下的应变变化值，并根据地应力解除过程中监测的温度变化情况将温度应变消除。

常规空心包体应变计结构中，测温方法采用同温度系数应变片粘贴在环氧树脂胶片上进行温感平衡，粘贴应变片的环氧树脂胶片未受到岩石变形限制，其温度系数与孔壁上的岩石–环氧树脂–应变片组合有一定误差；完全温度补偿技术中的测温热敏电阻由于阻值过大无法连接入电桥电路中，若采用并联120 Ω电阻的方式又会大大降低其对温度的敏感性。李远等^[13]研发了瞬接续采型空心包体地应力测试技术，基于完全温度补偿思想，考虑无线型应变计探头采集电路同时受到温度误差的影响，采用双温度补偿算法进行误差消除。因此需对原采集电路通道进行改进，以实现敏感性测温电阻的直接接入，同时保障测温电阻通道示数与温度对应关系的一致性和稳定性。改进后采集电路图结构如图1所示，应变仪采集系统见图2。

双温度补偿算法中，敏感性测温原件只对温度变化有较高敏感度，不对受力变化产生反应，且其温度敏感性要远高于常规应变片，采集电路温度补偿方法设计采用2 ppm低温度系数电阻接入采集电路第14通道，作为温差影响指示通道。

热敏电偶置于测量应变片一侧，并同层固封于环氧树脂内，同步感受测孔中应变片处温度变化，实现完全温度监测。电阻尺寸为2.3 mm $ \times$ 2.1 mm $ \times$ 0.9 mm（长 $ \times$ 宽 $ \times$ 高），适用工作温度范围广（–50℃～300℃），适用温度范围内精度高（温度系数TCR为3 850 ppm/K）。

1.2 基于空心包体地应力测量原理的扰动应力监测理论研究

在地下岩体、近开挖面和边坡岩体监测中，受边坡开挖影响一定范围内的岩体垂直临空面方向应力释放，因此主要针对另外两个方向主应力进行孔壁应变或应力监测。所以边坡体孔壁应变监测（由地应力测量理论建立应力–应变关系实现应力监测）采用3组3环向、3轴向布片，方案如图3所示。

根据地应力测量理论，各方向应力与应变关系可由地应力测量理论给出：

$\begin{aligned}[b]& {\varepsilon _\theta } = \frac{1}{E}\left\{ {({\sigma _{x}}} \right. + {\sigma _y}) + 2(1 - {v^2})[({\sigma _{x}} - {\sigma _y})\cos (2\theta) - \\ &\quad\quad 2{\tau _{xy}}\sin (2\theta)]- \left. {v{\sigma _{\textit{z}}}} \right\}\end{aligned}$

(1)

${\varepsilon _{\textit{z}}} = \frac{1}{E}[{\sigma _{\textit{z}}} - v({\sigma _x} + {\sigma _y})]$

(2)

${\gamma _{\theta {\textit{z}}}} = \frac{4}{E}(1 + v)({\tau _{xy}}\cos \;\theta - {\tau _{{\textit{z}}x}}\sin \;\theta )$

(3)

${\varepsilon _{ \pm {{45}^ \circ }}} = \frac{1}{2}({\varepsilon _\theta } + {\varepsilon _{\textit{z}}} \pm {\gamma _{\theta {\textit{z}}}})$

(4)

式中，ε_θ为周向应变，ε_z为轴向应变，ε_±45°为与钻孔轴线成±45°方向的应变值，γ_θz为剪切应变值，θ为从x轴逆时针旋转计数为正，E为弹性模量。沿测孔轴向方向孔壁应变可由轴向应变片测量得到，沿孔周边的环向合力可由0°、120°和240° 3个环向应变片求和得到。考虑测量中需有3组重复数据进行最小二乘分析，由式（2）可知，对3个轴向应变求平均即可实现平行3次测量的试验标准，取得均值轴向应变公式为：

${\varepsilon _{{\textit{z}} {\text{平均}}}} \cdot E = {\sigma _{\textit{z}}} - v({\sigma _x} + {\sigma _y})$

(5)

进行环向应变测量时，同一测量环中3个应变片按等角度分布，角度值分别为0°、120°和240°。带入式（1）求和可得：

$({\varepsilon _{\theta ({0^ \circ })}} + {\varepsilon _{\theta ({{120}^ \circ })}} + {\varepsilon _{\theta ({{240}^ \circ })}}) \cdot E = 3[({\sigma _x} + {\sigma _y}) - v{\sigma _{\textit{z}}}]$

(6)

因此，同一测量环的3个应变片应变和与环向角度无关。由于布片方案中有3组环向应变布置（9个应变片），也实现了平行3次测量的试验条件。由式（5）、（6）可求得轴向应力 ${\sigma _{\textit{z}}}$ 和环向应力水平 $({\sigma _x} + {\sigma _y})$ 的大小。

1.3 岩体扰动应力监测系统供电及通讯系统设计

监测过程中环境复杂，需要尽可能地保证纯净供电的连续，而部分测试现场无法实现人员的定期维护和数据导出。因此，除断电续采功能的研发之外，针对现场测试情况对系统供电–续电、无人值守、无线传输等性能进行开发和标定，实现岩体应力扰动的长期、稳定监测。

长期监测过程中，根据监测环境和目的不同，监测间隔和数据传输方式需要有多种选择。针对边坡体无人工作环境，采用窄带无线数传传输设计（AS61-DTU30型），电台通过窄带传输，小功率达到远距离，有RS232/RS485两种电平选择，体积小、操作简单易懂，工作温度–40～85 ℃（具体现场应用参见第3节）。边坡岩体应力监测中，测量电路和信号传输电路均需稳定电源，其中采集板路工作电压为5 V，无线模块为8～28 V。根据供电需求，选配太阳能双电压稳压供电系统（X1-20W300型），采集电路为低耗能电路，一次充电可满足4 d连续测量、30 d待机和测量电路4 d稳定传输，可根据工程需要进行调整选配蓄电池电压及容量。

岩体边坡应力监测中，信号传输条件便利，可采用无线数传电台进行窄带信号传输，具有功率小、传输距离远的优势。但地下硐室岩体应力监测时受围岩影响且地质条件复杂，监测数据若要进行无线透地远距离传输或接入巷道、隧道信号环网进行传输，在技术上仍需解决稳定性和兼容性问题。考虑便携性、数据传输稳定性和操作简单等方面，选用蓝牙模块配合普通安卓系统手机或IPAD，通过自行设计编写的安卓APP实现数据传输。

巷道、隧道等地下围岩硐室岩体应力长期监测环境中，无法采用太阳能供电，且还需考虑地下工程潮湿环境对电源工作稳定性的不良影响。其中，采集板路需要稳定纯净的5 V工作电压，若由巷道、隧道电路环网给采集电路供电，还需外置变压器降低电压以满足采集板路工作要求，这在工程现场复杂的环境中容易损坏，且性价比不高。综合考虑监测环境、电压要求、电源防水防潮、采集板路低能耗特点和操作方便性等各方面因素，设计研发出满足现场监测要求的系统供电电源。地下硐室岩体长期监测如图4所示。

2 岩体扰动应力监测系统双温度补偿方法的试验标定 2.1 采集系统断电续采功能稳定性测试

长期监测中，续采功能的实现可保证断电条件下数据的可恢复性和连续性，也可使设备出厂标定数据直接参与监测数据的温度修正。将高精度固定电阻连接在测试系统通道中，同温度条件下进行断电续采试验，根据不同时期、同一通道、同一温度下稳定数据对比可获取采集系统断电续采稳定性数据。

试验中采用高低温试验箱，设置3组不同温度下的续采性能测试（35、40、45 ℃）。试验箱温度误差+0.5 ℃。试验时，以低温度系数标准电阻模拟应变数值并设定测试温度，采集间隔10 min，根据《岩土工程勘察规范（GB 50021—2001）》^[14]，连续3次读数之差不超过5 $ \mu \varepsilon$ 可视为数据稳定。每个温度段平衡时间为4 h以确保各通道达到稳定标准。稳定后，提取数据并关机，以待后续测试时间间隔达到预计长度后再重复测量。试验中测试最长时间间隔为368 h（20 d），对比同阻值、同温度下稳定后的平均数据，获得断电续采条件下的数据漂移量，见表1。

试验结果显示，最长20 d的断电测试中，在同一温度下最大续采漂移量为7με。通过后续多次试验（同一采集电路多次测试和多批次采集电路多次测试），同一温度下的最大续采漂移量均在10με以内，显示了良好的续采稳定性和数据连续性。

2.2 高精度温度传感器稳定性及大量程测温通道温度系数标定试验

完全温度补偿技术地应力测量中，采用温度标定试验消除测量过程中的温度误差，需要在岩芯解除后进行室内的温度标定试验。这就需要在探头出厂时进行温度标定试验，修正监测过程的温度误差，建立应变片部位温度与通道示数的关系。

常规应变采集仪通道调平范围为4.8 Ω（20 000με）无法满足热敏电偶测试范围要求。为实现测试应变与温度记录的同步、同条件测量，首先使热敏电偶位于应变花附近以保证同温度条件记录（图5），其次使热敏电偶通道与应变片采集通道连接至同一电桥供电以满足同源测试要求，最后研发大范围调平采集电路以满足热敏电偶温度变化条件下的示数有效测量。

标定试验是将带有高精度温度传感器的监测探头放入高低温试验箱内，设置不同温度段进行温度值与测温通道示数的标定。此次试验在10 ℃条件下开始测量，采集时间为每10 min一次，在保证传感器受温度影响稳定后（30 min示数浮动在5 $ \mu \varepsilon$ 以内），调节温度至20 ℃并保持湿度不变，再次稳定后调节温度至30 ℃，以此测量方法完成10、20、30、40 ℃的标定测试（数据缩小100倍后见图6）。

进行4组平行试验，将4组示数的平均值作为该温度下所对应的温度通道示数值，见表2。

对温度标定数据进行趋势回归分析，获得温度与通道示数关系如图7所示。由图7可知，在10～40 ℃范围内，通道示数与温度值线性相关且相关性达到0.999 9。由此获取了温度通道示数与温度关系的标定公式，长期监测中可根据具体温度通道示数直接算出实际测点温度。

重复温度标定试验，采用标定试验关系公式，通过温度通道示数计算温度数值，将计算温度与试验实际温度进行比较，结果见表3。

试验结果显示，高精度热敏电偶在10～40 ℃时能准确反映周围环境温度，误差均在1 ℃以内，精确度较高。2次室内标定试验得出，高精度热敏电偶能真实、灵敏、精确地反映实际温度的变化情况。

2.3 基于完全温度补偿技术原理的扰动应力监测采集系统热输出标定

基于完全温度补偿思想，考虑无线型应变计探头采集电路同时受到温度误差的影响，李远等^[13]提出双温度补偿方法对误差进行消除。改进型原位数字化型空心包体应变采集系统在地应力测量或岩体应力长期监测过程中，特别是在监测探头埋深较浅的边坡岩体应力监测过程中环境温度变化较大，这将影响采集系统的采集精度，造成测量（监测）误差。双温度补偿技术在完全温度补偿技术基础上对应变片–环氧树脂胶层–岩体耦合整体受纯温度变化产生的误差进行剔除的同时，对改进型原位数字化型空心包体应变采集系统进行室内温度标定，消除应用现场温度变化对采集系统造成的采集误差。采集系统室内标定试验中，在第14通道（采集板路补偿通道）接入以色列Vishay公司2 ppm/℃低温度系数固定电阻。

采集系统温度补偿标定试验过程中，将固定电阻放置于恒温箱内设定30 ℃恒温状态（鼓风恒温箱温度误差±1℃）；将采集系统置于高低温恒温箱内（高低温恒温箱温度误差±0.5℃），设置温度变化梯度为20、30、40和50 ℃，每个温度段试验中，待示数平衡后方可进行下一温度段的温度调节。试验布置见图8，结果（数据缩小100倍）见图9。

图9得到的采集系统温度补偿曲线及温度系数中，低温度系数固定电阻放置于设定30 ℃的恒温试验箱中，只有采集系统受感知温度变化的影响为采集系统真实温度补偿曲线，体现了采集系统自身的温度特征。监测系统工程现场应用采集系统的温度补偿方法中，将低温度系数固定电阻（2 ppm/℃）接入采集板路第14通道（采集板路温度补偿通道），两者同时受测点温度变化影响。重复温度标定试验，测定双温度补偿标定电阻温度系数曲线，如图10所示。

根据《岩土工程勘察规范（GB 50021—2001）》^[14]和第2.2节所述方法，分别求出图9和10各温度段对应的采集系统温度通道平均示数如表4所示。对表4中数据进行趋势回归分析，得到两者的温度与采集系统补偿通道示数关系曲线如图11所示。

图11显示，在20～50 ℃温度段室内标定出的采集板路真实温度补偿系数为–26.785，即环境温度每升高1 ℃采集板路温度补偿通道示数会相应减少26.785。在工程应用采集板路温度补偿方法中，采用低温度系数固定电阻接入采集板路第14通道，试验得到的温度补偿系数为–31.46；室内对比试验显示，在采集板路第14通道接入2 ppm/℃低温度系数电阻测试得到的采集板路温度系数与真实的采集板路温度系数误差为5 ppm/℃。

3 岩体扰动应力长期监测系统现场应用研究 3.1 边坡岩体扰动应力现场监测

露天边坡工程中，对基于双温度补偿技术的岩体扰动应力长期监测系统在露天环境下的监测稳定性进行评测。考虑长期监测中天气变化和温度变化影响的监测系统稳定性测试，在安徽马鞍山南山铁矿凹山采场–30和–45 m水平进行。

露天边坡岩体受裂隙水渗流、气候温度波动、爆破开挖、雨雪天气等影响，环境较地下井巷工程更为复杂，且温度变化较大（现场春季日温度变化约为20 ℃）。监测区域位于安徽东部马鞍山南山矿凹山露天采场，采场东、南、西3邦为运输邦，台阶高度14～15 m，固定台阶宽度≥7 m，正在生产的台阶宽度≥20 m，台阶边坡角均为60°，整体边坡角35°～42°。矿体出露最高处海拔175 m，向下延伸至–214 m，目前海拔45 m封闭圈已形成东西向长1 200 m、南北向长980 m、垂深255 m的凹陷坑。年平均气温16 ℃左右，年温度变化范围为–15～40 ℃。于现场共布设3处钻孔，每孔孔内布设同心2个测点，分别位于孔深5和10 m处。1、2号测孔位于–30 m水平，3号测孔位于–45 m水平，现场布置见图12。

采用边坡岩体应力长期监测系统，远程监测系统布设方案见图13。监测信号接收端位于矿区西南方位，高程30 m，距离3个信号发射端最近约950 m，最远约1 300 m，中间空旷，无山体建筑阻隔。安装监测包体探头后，调整数据采集模式为连续采集，采集时间间隔30 min。1号测孔10 m孔深探头在安装过程中数据线损坏，但不影响其他5个探头正常工作。

测点于2017年3月27日布设调试完毕，1号测孔5 m孔深应变监测数据见图14。采用双温度补偿算法，通过式（5）、（6）计算应力监测数据，见图15。

现场1号测孔5 m孔深监测数据显示，分别在4月8日至4月12日（间隔3 d）和4月21日至4月26日（间隔4 d）出现较长时间数据传输中断现象。分析其原因，调查监测时间段试验现场天气记录及历史天气预报，在4月9日和4月22日监测信号传输中断前，有连续多天的阴雨天气，太阳能蓄电池得不到有效的电量补充，在电量耗尽后系统停止工作；天气放晴后，太阳能蓄电池重新蓄电，系统恢复工作状态。断电后续采数据与断电前体现出接续性，数据连续规律，在供电电源方面还需要根据现场情况进行必要的改进。根据式（5）、（6）和前期温度标定数据，推导得到各个测点30 d应力变化值见表5。

3.2 地下硐室岩体扰动应力现场监测

地下井巷工程、隧道工程应力监测环境复杂，需要考虑监测系统稳定电源、防水防潮和信号传输等问题，岩体应力长期监测系统从布片方式、供电方式、信号传输和温度补偿等方面进行设计以满足工程现场复杂的测试环境。

工程应用现场位于安徽李楼铁矿，矿体走向（由北向南）由北北东向转为北北西向，呈向西突出的弧形展布。矿石自然类型主要为铁闪（角闪）石英磁铁矿石、石英镜铁矿石、石英镜铁磁铁矿石及闪石石英假象赤铁矿石等；矿体底板岩石主要为白云石大理岩，裂隙、岩溶均不发育，岩石完整性、稳定性较好；含矿带上部岩性主要为片岩、片麻岩、大理岩及石英磁铁矿石，裂隙不发育且被充填，矿物蚀变普遍，岩石完整性较好、稳定性差。测点位于–400 m水平开挖巷道，监测探头孔深5 m，采用蓝牙模块配合普通安卓系统手机或IPAD进行数据快速便捷传输；采用自主设计的防水防潮、可并联多个的5 V稳压电池供电，以实现时间可控、长期无人值守；采集板路断电续采功能，供电不足可处于停机状态，待更换电池后数据可接续。编号为BKM-17-03号监测探头高精度温度传感器室内温度标定结果为 $ y = 27.119x - 1\;420.44$ ，采集系统温度系数室内标定结果为 $ y = - 37.77x + $ 820.25；探头于2017年9月安装完成，其中环向第3组和轴向第3组采集通道损坏无示数，剩余通道均工作正常，5 m孔深应变监测数据见图16。

图16显示，监测点环向应变呈下降趋势，轴向应变呈上升趋势；13通道温度传感器通道示数稳定中有小幅减小，由高精度温度传感器室内温度标定公式可求出对应温度值最高为27.87 ℃，最低值为27.18 ℃，满足气候变化趋势及地下岩体环境特征；14通道低温度系数电阻通道示数稳定中有小幅增加，这是由于监测点环境温度呈下降趋势，满足采集系统温度系数室内标定结果。

对同一水平、同一岩性的地应力解除岩芯进行围压率定试验，结果如图17所示。由围压率定试验可得–400 m水平测点大理岩弹性模量为32.35 GPa，泊松比为0.1；对地应力解除岩芯进行室内温度标定试验得到岩体–环氧树脂胶–探头在耦合状态下的环向补偿值为–114 $ \mu \varepsilon$ /℃，轴向补偿值为–5 $ \mu \varepsilon$ /℃，采用双温度补偿算法，通过式（5）、（6）计算出应力监测数据见图18。

4 结　论

岩体真实应力扰动过程的获取需以地应力测量理论和技术，针对复杂的井巷环境或地表气候条件进行技术更新和研发，解决长期监测中电力不稳、长期温度变化幅度大、测点应力扰动等技术问题，实现岩体内部应力扰动过程长期、稳定、准确监测。

结合空心包体地应力测量理论和完全温度补偿技术，基于蔡美峰院士提出的精确测量理念，结合瞬时采集、断电续采数字化技术实现空心包体应变计原位数字化在扰动应力长期监测中的应用。通过室内试验和现场测试获取了设备长期监测性能和运行可靠性，并取得如下结论：

1）断电续采功能的实现，使基于空心包体地应力测试技术的应力长期监测克服了现场供电不稳导致数据无法接续的不足。室内同温度测试结果显示，在断电20 d后重新供电数据波动最大为7 $ \mu \varepsilon$ ，满足现场监测精度和稳定性要求。

2）考虑岩体测量中，垂直开挖面一侧应力已经释放，改进了应变片布片方案，实现了一次监测同步实现3次平行测量的试验要求。根据地应力测试原理推导了长期应力监测中3环–3轴布片方式下应变数据与应力数据的关系公式。

3）基于完全温度补偿技术原理，改进测量中电路采集系统通道调平范围，研发同步大范围调平测温通道。采用高精度铂金热敏电偶，模拟测区大幅度温度变化影响标定测温通道温度测量精度。验证试验结果显示，依据标定数据推算环境温度与实际环境温度误差在10到40 ℃温度区间最大偏差为0.28 ℃，满足测量中温度记录精度的要求。

4）基于完全温度补偿技术原理提出采集电路和测量电路的双温度补偿方法，在室内20到50 ℃温度区间内温度标定试验中能够准确反映采集系统采集示数受环境温度变化的影响，与真实采集板路的温度系数误差仅为5 ppm/℃。

5）根据马鞍山露天矿边坡监测数据显示，在一个月的监测中，受气候影响和坡顶废渣倾倒的影响，应力变化基本稳定。温度通道显示一天中气温数据波动但整体温度呈明显上升趋势，各通道经温度补偿后，轴向应力基本保持不变，环向应力变化约为1.09～2.53 MPa，与施工情况一致。

6）针对地下硐室的岩体扰动应力长期监测系统，根据在安徽某铁矿现场监测数据显示，测点温度基本稳定在27.5 ℃，根据解除岩芯室内围压率定试验得到测点岩体弹性模量为32.35 GPa，泊松比为0.1。通过双温度补偿算法，测点半个月内岩体环向应力变化约5 MPa，轴向应力变化约18 MPa，与施工情况基本一致。