CN111927554B - 一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置及安装检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，包括平底圆筒、密封盖、压力盒传感器、传力系统、支撑系统；密封盖的中心部位开设有上螺纹通孔；平底圆筒的底部中心部位开设有下螺纹通孔，平底圆筒的侧壁上设有导线孔，导线从导线孔中穿出；平底圆筒的底部焊接固定有支架；支架与拱架焊接固定；传力系统包括触力球、传力杆，传力板；传力杆贯穿上螺纹通孔；触力与隧道围岩紧贴；传力板与压力盒传感器抵接；上螺纹通孔内设置有连接密封套，连接密封套包括依次连接的外螺纹管、防水软管、内螺纹管；支撑系统包括支撑板，以及垂直支撑板设置的调节螺纹杆，调节螺纹杆与支撑板转动连接，调节螺纹杆延伸至平底圆筒的外部。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程围岩压力测试技术领域，具体涉及一种用于精确测试隧道围岩压力的高度可调压力检测装置及安装检测方法。
背景技术
隧道工程施工中进行围岩压力的测试不仅可以掌握隧道结构的安全稳定性，而且可以为隧道结构优化设计提供必要的参考依据。
从狭义上讲，围岩压力是指隧道开挖后围岩作用在支护结构上的压力，而目前对其测试主要采用振弦式压力盒进行预埋监测，压力盒进行预埋安装的方法主要为围岩锚固式和拱架焊接式。前者以锚固进围岩内作为支撑反力，而后者以拱架为临时支撑固定，两者都将压力盒受力面直接与隧道围岩接触进行压力测试，但隧道工程开挖施工时其围岩不一定平整，尤其钻爆法施工时围岩更是凸凹不平，即使对围岩进行整平也难免使压力盒受力不均匀，同时压力盒与围岩间存在间隙易使压力盒松动造成测量数据偏小。另外锚固式安装压力盒进行接触压力测试时，由于压力盒支撑反力与围岩嵌固为一体共同变形，使得压力盒读数偏小，影响隧道围岩压力分析。在富水破碎地层，隧道外围水压可直接作用在压力盒受力面上，因此压力盒受到围岩接触压力和水压共同作用，测试所得隧道围岩接触压力较实际值偏大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，发明了一种结构简单、安装方便、高度可调的压力检测装置，实现了隧道围岩接触压力精确测试，同时还公开了该压力盒装置现在安装方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，包括平底圆筒、与平底圆筒螺纹连接的密封盖、放置在平底圆筒内的压力盒传感器、传力系统、支撑系统；
所述密封盖的中心部位开设有上螺纹通孔；所述平底圆筒的开口方向朝向隧道围岩设置，所述平底圆筒的底部中心部位开设有下螺纹通孔，所述平底圆筒的侧壁上设有导线孔，所述压力盒传感器的导线从导线孔中穿出；所述平底圆筒的底部焊接固定有支架；所述支架与拱架焊接固定；
所述传力系统包括依次连接的触力球、传力杆以及传力板；所述传力杆贯穿所述上螺纹通孔；所述触力球位于所述平底圆筒的外侧，并与隧道围岩紧贴；所述传力板位于所述平底圆筒内，并与所述与压力盒传感器抵接；所述上螺纹通孔内设置有连接密封套，所述连接密封套包括依次连接的与上螺纹通孔配合的外螺纹管、防水软管、与传力杆螺纹配合的内螺纹管，所述内螺纹管设置于靠近触力球的一端；
所述支撑系统包括设置在平底圆筒内的位于压力盒传感器另一侧的支撑板，以及垂直支撑板设置的用于调节压力盒传感器高度的调节螺纹杆，所述调节螺纹杆与所述支撑板转动连接，所述调节螺纹杆与所述下螺纹孔配合并延伸至所述平底圆筒的外部。
进一步地，所述平底圆筒的筒壁厚度不小于20mm，深度不小于两倍压力盒传感器的厚度。
进一步地，所述调节螺纹杆为丁字螺杆。
进一步地，所述密封盖与所述平底圆筒之间设置有O型密封圈。
进一步地，所述支架为中空结构，其外轮廓断面形状为直角梯形，内轮廓断面形状为直角三角形，其中所述直角三角形的两个直角边分别靠近支架的下底和直腰；所述支架的下底与所述平底圆筒焊接固定，所述支架的下底长度大于所述平底圆筒的直径，所述支架的直腰延伸至所述平底圆筒的一侧并与所述拱架焊接固定。
进一步地，所述触力球为实心球，其直径不小于12mm，并与所述传力杆焊接固定；所述传力杆的直径不小于12mm。
进一步地，所述导线孔的位于平底圆筒内的一端设有倒圆角。
进一步地，所述传力板与所述压力盒传感器之间设置有传力垫；所述传力垫为橡胶垫；所述传力板和所述传力垫均为圆形，所述传力板的直径小于所述压力盒传感器的直径；所述传力垫的厚度在2mm到4mm之间，且其直径与所述压力盒传感器的直径相同。
一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置的安装检测方法，所述方法的具体步骤如下：
a、将支架的下底与平底圆筒焊接于一体，支架的直腰延伸至所述平底圆筒的一侧并与所述拱架焊接固定；
b、待焊接处温度冷却后，将支撑板放入平底圆筒内；将调节螺纹杆旋入下螺纹通孔，并与支撑板转动连接；
c、将压力盒传感器的导线从平底圆筒的侧壁上的导线孔穿出，压力盒传感器放置于平底圆筒内；
d、将连接密封套通过内螺纹管套在传力杆上后，将传力杆穿过密封盖的上螺纹通孔后，其端部通过螺纹与传力板相连；
e、将带有O型密封圈的密封盖通过螺纹与平底圆筒拧紧连接；
f、将连接密封套通过外螺纹管与密封盖的上螺纹通孔连接；
g、读取压力盒传感器的读数并记录；
h、旋转调节螺纹杆确保触力球与隧道围岩紧贴，压力盒传感器读数有轻微变化后停止调节螺纹杆旋转，并将此时压力盒传感器读数作为初始值；
i、读取压力盒传感器读数，获取隧道围岩接触压力，计算公式如下：P＝K(fi 2-f0 2)；其中P—被测压力盒传感器所受的力(kPa)；K—压力盒传感器的灵敏度系数(kPa/Hz2)；f0—压力盒传感器的初始频率值；fi—压力盒传感器工作频率值。
本发明使用触力球与隧道围岩接触传力，避免了因隧道围岩不平整而引起压力盒传感器受力不均的问题，同时压力盒传感器本身处于隔水空间，使得压力盒传感器不承受隧道外围水的压力，只反映出隧道围岩与支护结构的接触压力，测量精确。另外，配置调节螺纹杆后可对压力盒传感器进行预压和卸荷，可实现对接触压力的不同阶段测试。该发明作为隧道围岩接触压力传感器安装装置，操作方便、测试准确。目前已将该压力检测装置在某引水隧洞中进行安装测试，获取围岩接触压力如表1所示，根据表1获得隧道围岩接触压力随时间变化曲线如图9所示。
表1隧道不同位置处围岩接触压力测试结果
附图说明
图1一种精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置俯视图；
图2一种精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置侧视图；
图3平底圆筒断面图；
图4密封盖断面图；
图5传力系统布置图；
图6传力杆详图；
图7支撑板详图；
图8支架详图；
图9隧道围岩接触压力随时间变化曲线图。
图中：1-平底圆筒，2-密封盖，3-传力垫，4-传力板，41-内螺纹圆槽，5-支撑板，6-调节螺纹杆，7-传力杆，71-传力杆中段外螺纹，72-传力杆端头外螺纹，8-触力球，9-压力盒传感器，10-连接密封套，101-内螺纹管，102-外螺纹管，103-防水软管，11-O型密封圈，12-支架，13-拱架，14-导线孔，15-导线，16-上螺纹通孔，17-内螺纹，18-隧道围岩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1-9所示，一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，包括平底圆筒1、密封盖2、放置在平底圆筒1内的压力盒传感器9、传力系统、支撑系统；
在所述平底圆筒1与密封盖2进行螺纹密封连接，所述密封盖2的边缘设置有内螺纹17，所述密封盖2的中心部位开设有上螺纹通孔16；所述密封盖2与所述平底圆筒1之间设置有O型密封圈11。两者之间放置O型密封圈11，确保水无法通过螺纹间隙渗入平底圆筒内。
所述平底圆筒1的开口方向朝向隧道围岩18设置，所述平底圆筒1的底部中心部位开设有下螺纹通孔，所述平底圆筒1的侧壁上设有导线孔14，所述压力盒传感器9的导线15从导线孔14中穿出；所述导线孔14的位于平底圆筒1内的一端设有倒圆角。
所述平底圆筒1的底部焊接固定有支架12；所述支架12与拱架13焊接固定；
所述传力系统包括依次连接的触力球8、传力杆7，以及传力板4；所述传力杆7贯穿所述上螺纹通孔16；所述触力球8位于所述平底圆筒1的外侧，并与隧道围岩18紧贴；所述传力板4位于所述平底圆筒1内，并与所述与压力盒传感器9抵接；所述上螺纹通孔16内设置有连接密封套10，所述连接密封套10包括依次连接的与上螺纹通孔16配合的外螺纹管102、防水软管103、与传力杆7螺纹配合的内螺纹管101，所述内螺纹管101设置于靠近触力球8的一端；所述防水软管可以是防水波纹管，便于传力杆在连接密封套中移动。
所述支撑系统包括设置在平底圆筒1内的位于压力盒传感器9另一侧的支撑板5，以及垂直支撑板5设置的用于调节压力盒传感器9高度的调节螺纹杆6，所述调节螺纹杆6与所述支撑板5通过轴承转动连接，所述调节螺纹杆6与所述下螺纹孔配合并延伸至所述平底圆筒1的外部。所述调节螺纹杆6为丁字螺杆。
所述支架12为中空结构，其外轮廓断面形状为直角梯形，内轮廓断面形状为直角三角形，其中所述直角三角形的两个直角边分别靠近支架12的下底和直腰；支架12具有一定刚度，支架厚度适中。所述支架12的下底与所述平底圆筒1焊接固定，所述支架12的下底长度大于所述平底圆筒1的直径，所述支架12的直腰延伸至所述平底圆筒1的一侧并与所述拱架13焊接固定。安装时为确保平底圆筒与拱架之间留有间隙。
针对上述技术特征，平底圆筒1内放置支撑板5、压力盒传感器9(以YT-ZX-0310型压力盒传感器为例，直径d压力盒传感器＝120mm，厚度h＝2.5mm)、传力板4等测试设备，具有一定刚度；密封盖2主要用于平底圆筒1开口封堵和传力杆7穿过，阻止隧道外围水渗入平底圆筒1内，确保压力盒传感器9只承受传力杆7传过来的力；传力系统用于传递围岩接触压力，确保压力盒传感器9受力均匀，增加压力盒传感器读数的准确性；连接密封套10用于阻止水通过密封盖2中孔16渗入平底圆筒1内，避免压力盒传感器9承受水压，确保测试所得围岩接触压力的正确性。同时可避免传感器泡水，延长压力盒传感器9使用寿命预测；连接密封套10两端分别于密封盖中孔16和传力杆7相连，中间设置有可收缩的防水软管103，利于传力杆7在密封盖中孔16内移动；支撑系统用于为压力盒传感器9提供支撑反力，同时可调节支撑板5高度，确保触力球8与隧道岩面紧贴；支架12与平底圆筒1连接为一体，通过与隧道拱架12焊接进行固定，提高整套装置的稳定性。
所述平底圆筒1为一端平底封口一端开口的圆筒，其筒壁厚度为δ＝20mm，内径d筒内＝122mm＞d压力盒传感器＝120mm，外径d筒外＝122+20＝142mm。内径稍大于压力盒传感器传感器外径，便于压力盒传感器放置于平底圆筒内。下螺纹通孔的孔径为10mm，与调节螺纹杆6外螺纹相匹配，供调节螺纹杆6穿过，所述平底圆筒开口段设置有外螺纹，与密封盖内螺纹17相匹配。所述传力系统触力球8为实心球状，直径为14mm，与传力杆7焊接为一体。所述传力系统传力杆7为钢筋，长度适中，表面光滑，直径为12mm，一端与触力球8焊接为一体，另一端通过螺纹与传力板4连接。所述传力系统传力板4为圆形板，直径为118mm，厚度为20mm，中心处设置为10mm深圆槽41，圆槽41内设置内螺纹与传力杆7上设置的外螺纹相匹配。
该精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力盒传感器装置安装方法，包括以下步骤：
a、将支架12的下底与平底圆筒1焊接于一体，支架1的直腰延伸至所述平底圆筒1的一侧并与所述拱架13焊接固定；
b、待焊接处温度冷却后，将支撑板5放入平底圆筒1内；将调节螺纹杆6旋入下螺纹通孔，并与支撑板5转动连接；
c、将压力盒传感器9的导线15从平底圆筒1的侧壁上的导线孔14穿出，压力盒传感器9放置于平底圆筒1内；
d、将连接密封套10通过内螺纹管101套在传力杆7上后，将传力杆7穿过密封盖2的上螺纹通孔后，其端部通过螺纹与传力板4相连；
e、将带有O型密封圈11的密封盖2通过螺纹与平底圆筒1拧紧连接；
f、将连接密封套10通过外螺纹管102与密封盖2的上螺纹通孔连接；
g、读取压力盒传感器9的读数并记录；
h、旋转调节螺纹杆6确保触力球8与隧道围岩18紧贴，压力盒传感器9读数有轻微变化后停止调节螺纹杆6旋转，并将此时压力盒传感器9读数f0＝1330.00Hz作为初始值；
i、1天后读取压力盒传感器读数f1＝1334.43Hz，获取围岩接触压力P＝1.614×10-7(1334.432-13302)＝1.91kPa，土压力计的灵敏度系数k＝1.614×10-7MPa/Hz2。
j、通过46天的监测，获取压力盒传感器传感器读数及接触压力结果如表1所示，并根据测试结果绘制接触压力随时间变化曲线，如图9所示。
实施例2
该精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力盒传感器装置安装方法，包括以下步骤：
a、将支架12的下底与平底圆筒1焊接于一体，支架1的直腰延伸至所述平底圆筒1的一侧并与所述拱架13焊接固定；
b、待焊接处温度冷却后，将支撑板5放入平底圆筒1内；将调节螺纹杆6旋入下螺纹通孔，并与支撑板5转动连接；
c、将压力盒传感器9的导线15从平底圆筒1的侧壁上的导线孔14穿出，压力盒传感器9放置于平底圆筒1内；
d、将连接密封套10通过内螺纹管101套在传力杆7上后，将传力杆7穿过密封盖2的上螺纹通孔后，其端部通过螺纹与传力板4相连；
e、将带有O型密封圈11的密封盖2通过螺纹与平底圆筒1拧紧连接；
f、将连接密封套10通过外螺纹管102与密封盖2的上螺纹通孔连接；
g、读取压力盒传感器9的读数并记录；
h、旋转调节螺纹杆6确保触力球8与隧道围岩18紧贴，压力盒传感器9读数有轻微变化后停止调节螺纹杆6旋转，并将此时压力盒传感器9读数f0＝1330.56Hz作为初始值；
i、1天后读取压力盒传感器读数f1’＝1332.37Hz，获取喷射混凝土后围岩接触压力P’＝1.614×10-7(1332.372-1330.562)＝0.78kPa，2.96土压力计的灵敏度系数k＝1.614×10-7MPa/Hz2。
实施例2与实施例1相比调节土压力盒传感器高度，可释放前期接触压力，测得喷射混凝土后围岩接触压力，两个联合测试可获取隧洞围岩接触压力，实现喷射混凝土前后围岩接触压力的对比。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：包括平底圆筒（1）、与平底圆筒（1）螺纹连接的密封盖（2）、放置在平底圆筒（1）内的压力盒传感器（9）、传力系统、支撑系统；
所述密封盖（2）的中心部位开设有上螺纹通孔（16）；所述平底圆筒（1）的开口方向朝向隧道围岩（18）设置，所述平底圆筒（1）的底部中心部位开设有下螺纹通孔，所述平底圆筒（1）的侧壁上设有导线孔（14），所述压力盒传感器（9）的导线（15）从导线孔（14）中穿出；所述平底圆筒（1）的底部焊接固定有支架（12）；所述支架（12）与拱架（13）焊接固定；
所述传力系统包括依次连接的触力球（8）、传力杆（7）以及传力板（4）；所述传力杆（7）贯穿所述上螺纹通孔（16）；所述触力球（8）位于所述平底圆筒（1）的外侧，并与隧道围岩（18）紧贴；所述传力板（4）位于所述平底圆筒（1）内，并与所述压力盒传感器（9）抵接；所述上螺纹通孔内设置有连接密封套（10），所述连接密封套（10）包括依次连接的与上螺纹通孔（16）配合的外螺纹管（102）、防水软管（103）、与传力杆（7）螺纹配合的内螺纹管（101），所述内螺纹管（101）设置于靠近触力球（8）的一端；
所述支撑系统包括设置在平底圆筒（1）内的位于压力盒传感器（9）另一侧的支撑板（5），以及垂直支撑板（5）设置的用于调节压力盒传感器（9）高度的调节螺纹杆（6），所述调节螺纹杆（6）与所述支撑板（5）转动连接，所述调节螺纹杆（6）与所述下螺纹通孔配合并延伸至所述平底圆筒（1）的外部。
2.如权利要求1所述的一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：所述平底圆筒（1）的筒壁厚度不小于20mm，深度不小于两倍压力盒传感器（9）的厚度。
3.如权利要求1所述的一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：所述调节螺纹杆（6）为丁字螺杆。
4.如权利要求1所述的一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：所述密封盖（2）与所述平底圆筒（1）之间设置有O型密封圈（11）。
5.如权利要求1所述的一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：所述支架（12）为中空结构，其外轮廓断面形状为直角梯形，内轮廓断面形状为直角三角形，其中所述直角三角形的两个直角边分别靠近支架（12）的下底和直腰；所述支架（12）的下底与所述平底圆筒（1）焊接固定，所述支架（12）的下底长度大于所述平底圆筒（1）的直径，所述支架（12）的直腰延伸至所述平底圆筒（1）的一侧并与所述拱架（13）焊接固定。
6.如权利要求1所述的一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：所述触力球（8）为实心球，其直径不小于12mm，并与所述传力杆（7）焊接固定；所述传力杆（7）的直径不小于12mm。
7.如权利要求1所述的一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：所述导线孔（14）的位于平底圆筒（1）内的一端设有倒圆角。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置，其特征在于：所述传力板（4）与所述压力盒传感器（9）之间设置有传力垫（3）；所述传力垫（3）为橡胶垫；所述传力板（4）和所述传力垫（3）均为圆形，所述传力板（4）的直径小于所述压力盒传感器（9）的直径；所述传力垫（3）的厚度在2mm到4mm之间，且其直径与所述压力盒传感器（9）的直径相同。
9.一种如权利要求8所述的用于精确测试隧道围岩接触压力的高度可调压力检测装置的安装检测方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
a、将支架（12）的下底与平底圆筒（1）焊接于一体，支架（12）的直腰延伸至所述平底圆筒（1）的一侧并与所述拱架（13）焊接固定；
b、待焊接处温度冷却后，将支撑板（5）放入平底圆筒（1）内；将调节螺纹杆（6）旋入下螺纹通孔，并与支撑板（5）转动连接；
c、将压力盒传感器（9）的导线（15）从平底圆筒（1）的侧壁上的导线孔（14）穿出，压力盒传感器（9）放置于平底圆筒（1）内；
d、将连接密封套（10）通过内螺纹管（101）套在传力杆（7）上后，将传力杆（7）穿过密封盖（2）的上螺纹通孔后，其端部通过螺纹与传力板（4）相连；
e、将带有O型密封圈（11）的密封盖（2）通过螺纹与平底圆筒（1）拧紧连接；
f、将连接密封套（10）通过外螺纹管（102）与密封盖（2）的上螺纹通孔连接；
g、读取压力盒传感器（9）的读数并记录；
h、旋转调节螺纹杆（6）确保触力球（8）与隧道围岩（18）紧贴，压力盒传感器（9）读数有轻微变化后停止调节螺纹杆（6）旋转，并将此时压力盒传感器（9）读数作为初始值；
i、读取压力盒传感器（9）读数，获取隧道围岩（18）接触压力，计算公式如下：
P=K(f i 2 - f 0 2 )；其中P—被测压力盒传感器所受的力，kPa；K—压力盒传感器的灵敏度系数，kPa/Hz2；f 0 —压力盒传感器的初始频率值；f i —压力盒传感器工作频率值。
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