[发明专利]隧道接触压力的测试装置及方法

说明书

本发明提供了一种隧道接触压力的测试装置及方法，该测试装置包括自上而下堆叠设置的着力面板、膜片式受压传感器以及基底面板，所述着力面板与所述基底面板共同将所述膜片式受压传感器包裹起来且三者封装固定在一起，所述着力面板用于将接触压力均匀的传递至膜片式受压传感器，所述膜片式受压传感器用于将接触压力转化为电阻信号。本发明测试装置由着力面板、膜片式受压传感器、基底面板三层结构封装而成，着力面板将接触压力均匀的传递至膜片式受压传感器，膜片式受压传感器直接将压力转换为电信号，避免了传统刚性压力盒多次信号转化引起的误差；该装置的整体厚度可以做到小于2mm，且具有安装方便、传力可靠、耐久性强、精准度高等优势。

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种隧道接触压力的测试装置及方法。

背景技术

传统的刚性土压力盒在岩土工程测试中存在嵌入效应、盒与土相互作用影响、填筑影响以及不同环境的影响等因素影响测试精度，但如果岩土体较软，尤其是砂土、黏土等地层，围岩变形的能力较强，采用埋设刚性土压力盒测试土压力的方式测试精度尚可满足要求。

然而在隧道工程中，尤其是矿山法隧道，初支与围岩、喷层与二次衬砌之间的接触面刚度较大，如果直接照搬岩土工程领域使用的刚性土压力盒，则明显存在较大的问题，具体如下：

（1）被测介质刚度的影响

由于压力盒率定时，建立的是油压与钢弦频率之间的关系，当被测介质刚度较小时，介质不制约承载板的变形响应，这时承载板的受力条件与油压率定时的受力条件比较一致，实际应力能全部被压力盒感应，故实测应力与实际应力的差值较小，其精度一般能满足工程要求。但当被测介质刚度较大时，由于介质具有较大的自承能力，变形量小，制约了承载板的变形响应，故其应力无法被压力盒的敏感元件全部感应。从静力平衡角度分析，相当一部分压应力将由压力盒侧壁承担，从而使承载板的变形偏小，故实测应力小于实际应力。随着被测介质刚度的增大，实测应力偏小的现象将加剧。

（2）压力盒结构尺寸的影响

为适应恶劣的工作环境，压力盒采用钢结构。为保证压力盒性能稳定，其整体强度和刚度需满足一定要求，故其侧壁均较厚，且压力盒量程越大，厚度越大，显然实测应力偏小越多。由于被测介质的应力需通过承载板传递给钢弦，因此压力盒承载板的直径也对实测值产生影响。直径越大，钢弦对承载板的变形越敏感， 所得出的实测值越接近于实际应力。然而受埋设条件的限制，压力盒的直径一般仅为10~20cm。

（3）压力盒埋设状态的影响

压力盒埋设是监测工作中最重要的一个环节。由于刚性土压力盒没有设置专门的安装悬挂构造，导致现场安装的方式五花八门，大部分直接用钢筋支撑在洞壁上，或者放置于钢架壁后，导致压力盒受力面与围岩不密贴甚至应力集中明显，当喷射混凝土施作时，将压力盒直接包裹，导致压力盒侧面受力，测试面板反向受力，测试结果经常出现负值；同时混凝土硬化后，包裹在空腔内的压力盒往往与壁面脱开，无法真正反映实际的受力状态。

综上所述，隧道的接触压力监测是结构健康监测的重要组成部分，但传统的监测手段误差巨大，导致量测的结果无法有效指导隧道的设计建造，因此亟需开发适用于隧道工程的接触压力测试装置与相应的测试方法。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种隧道接触压力的测试装置及方法。

本发明是这样实现的：

一方面，本发明提供一种隧道接触压力的测试装置，包括自上而下堆叠设置的着力面板、膜片式受压传感器以及基底面板，所述着力面板与所述基底面板共同将所述膜片式受压传感器包裹起来且三者封装固定在一起，所述着力面板用于将接触压力均匀的传递至膜片式受压传感器，所述膜片式受压传感器用于将接触压力转化为电阻信号。

进一步地，所述膜片式受压传感器包括基膜、压敏材料以及导线组件，所述压敏材料均匀排布在所述基膜上，所述压敏材料在受到压力时，压力值与电阻值之间呈幂函数关系，所述导线组件用于将各压敏材料的电阻信号传递给电阻值监测设备。