发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种隧道地层土压检测传感器及施工方法，隧道地层土压检测传感器包括安装固定套、膨胀管组件、传感器组件，膨胀管组件固定设置在安装固定套的内孔中，传感器组件固定设置在膨胀管组件上部；膨胀管组件设置有膨胀管，土压检测传感器施工时，膨胀管设置在隧道环片外侧的隧道外地层中，膨胀管内充有高压的工作介质油而发生膨胀，膨胀管内的工作介质油连通至传感器组件；土压检测传感器工作时，隧道外地层的压力发生变化导致作用在膨胀管外壁的压力发生变化，使膨胀管内的工作介质油压力相应产生变化，工作介质油压力的变化传递至传感器组件，输出压力变化信号；本发明的隧道地层土压检测传感器可随隧道施工中同步进行施工安装，也可以在隧道施工完成后独立加装；当隧道地层土压检测传感器因各种原因损坏时，可以通过更换膨胀管组件、传感器组件予以修复，因此可长期维持隧道地层土压监测的有效性。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种隧道地层土压检测传感器，包括安装固定套、膨胀管组件、传感器组件，膨胀管组件固定设置在安装固定套的内孔中，传感器组件固定设置在膨胀管组件上部；膨胀管组件设置有膨胀管，土压检测传感器施工时，膨胀管设置在隧道环片外侧的隧道外地层中，膨胀管内通过高压工作介质油而发生膨胀，膨胀管内的工作介质油连通至传感器组件；土压检测传感器工作时，膨胀管内的工作介质油保持一定的压力，用于平衡膨胀管弹性变形压力及隧道外地层压力，当隧道外地层的压力发生变化时，作用在膨胀管外壁的压力发生变化，使膨胀管内的工作介质油压力相应产生变化，此变化传递至传感器组件，传感器组件输出压力变化信号，实现对隧道地层土压的检测。

进一步的，安装固定套为圆管状，内孔上部设有螺纹；安装固定套为土压传感器的安装基础件，其固定设置在隧道环片中；安装固定套有两种方法固定设置在隧道环片中：一种为隧道环片在生产过程中，安装固定套预埋在隧道环片内，为防止在隧道环片在生产过程水泥砂浆进入安装固定套内部，安装固定套两端设置有堵头；另一种为隧道环片已经固定设置在隧道内时，在隧道环片上钻孔，将安装固定套通过粘结的方式固定设置在隧道环片上钻孔中；为保证安装固定套与隧道环片固定连接的可靠性，安装固定套的外圆周面加工有滚花纹。

进一步的，膨胀管组件包括膨胀管套、膨胀管、充油阀体、充油阀帽、充油阀芯、弹簧；膨胀管套中间设有贯穿的台阶孔，膨胀管套上部设有内、外螺纹；膨胀管为一端封闭的细长管，其设置在膨胀管套台阶孔的小孔中，上端与膨胀管套焊接连接；充油阀体为短圆环状，下部设有圆锥形密封孔，上部设有弹簧孔，充油阀体设置在膨胀管套台阶孔的大孔中；充油阀帽为短圆环状，下部设有直径较大的弹簧孔，上部设有直径较小的阀芯孔，外圆设有螺纹，外圆上端设有对称的削扁，削扁底部与弹簧孔连通，充油阀帽通诺螺纹固定设置在膨胀管套台阶孔的大孔中，下端与充油阀体上端抵触；充油阀芯为细长杆，下部设有密封椎体，充油阀芯设置在充油阀体、充油阀帽的孔中，下部密封椎体与充油阀体下部的锥形密封孔配合密封，上部位于充油阀帽的弹簧孔中的杆体上设有扁形的弹簧挡边；弹簧设置在充油阀体、充油阀帽的弹簧孔中，弹簧下端与充油阀体弹簧孔底部抵触，弹簧上端与充油阀芯的弹簧挡边抵触；膨胀管组件设置在安装固定套的内孔中，通过螺纹固定连接。

进一步的，膨胀管中预先充满工作介质油；在土压检测传感器未安装使用的状态下，充油阀芯在弹簧作用下，充油阀芯下部的密封椎体与充油阀体下部的锥形密封孔呈接触密封状态，防止膨胀管中的工作介质油泄露；膨胀管中预先充满工作介质油是防止在土压检测传感器施工安装中，泵入工作介质油后膨胀管中存在过多的空气，防止因空气的可压缩性而影响土压检测传感器的灵敏度。

进一步的，传感器组件组件包括节流器、应变体、端盖、PCB板、应变传感器；节流器为厚圆饼状，圆饼中部设有若干节流孔，下部设有空腔，空腔底部设有顶头，空腔内壁设有内螺纹，上部设有台阶面，台阶外圆周面设有外螺纹；应变体为厚圆饼状，下部设有空腔，空腔内壁设有内螺纹，空腔底部设有压力油腔，应变体设置在节流器上部，通过螺纹固定连接；应变传感器固定设置在应变体上部；PCB板固定设置在端盖内部，端盖与应变体固定连接；应变传感器与PCB板电性连接；传感器组件设置在膨胀管组件上部，通过螺纹固定连接，节流器的顶头与充油阀芯的顶部抵触接触；设置节流器的目的是利用节流器实现应变体与膨胀管组件的连接，防止应变体与膨胀管组件直接连接时，因连接旋紧力不同而影响到应变体的输出稳定性；节流器与应变体的连接是在工厂端通过测力扳手实现，以保证所有节流器与应变体连接旋紧力的稳定性；另外节流器也避免了应变体与充油阀芯的接触，防止打开充油阀芯的力影响到应变体的工作稳定性。

进一步的，应变体的压力油腔中充满工作介质油，在土压检测传感器未安装使用的状态下，节流器的节流孔下端口粘贴有密封胶带，防止压力油腔中的工作介质油泄露，密封胶带在传感器组件组件与膨胀管组件连接时去除；压力油腔中预先充满工作介质油是防止土压检测传感器工作中，整个压力传递密闭腔中存在过多的空气，防止因空气的可压缩性而影响土压检测传感器的灵敏度。

一种隧道地层土压检测传感器的施工方法，其施工过程如下：

S1、安装固定套的设置：隧道环片在生产过程中，安装固定套预埋在隧道环片内；或隧道环片已经固定设置在隧道内时，在隧道环片上钻孔，将安装固定套固定设置在隧道环片上钻孔中；安装固定套为土压传感器的安装基础件，膨胀管组件、传感器组件通过安装固定套与隧道环片固定连接，当膨胀管组件、传感器组件发生损坏时，可通过更换膨胀管组件、传感器组件予以修复，因此可维持隧道地层土压监测的长期有效性。

S2、膨胀管组件的安装：将安装固定套对应的隧道外地层钻出预置孔；用橡皮泥包裹在膨胀管外侧，膨胀管组件通过螺纹与安装固定套固定连接，膨胀管连同其外侧包裹的橡皮泥设置在隧道外地层的预置孔中；通过高压油管将膨胀管组件与高压油泵连接，高压油泵向膨胀管内泵入定量的工作介质油，膨胀管发生膨胀，膨胀管外侧包裹的橡皮泥与隧道外地层接触；拆除膨胀管组件连接的高压油管；膨胀管外侧包裹的橡皮泥是用于弥补钻出预置孔时导致的隧道外地层土方损失，同时橡皮泥会使膨胀管外壁所收到的土压更加均匀；高压油泵向膨胀管内泵入的工作介质油的质量经实验确定，为固定值，其目的是保证所有土压检测传感器在施工安装完成后输出土压值的准确性；

S3、传感器组件安装：传感器组件通过螺纹与膨胀管组件固定连接，节流器顶头与充油阀芯的顶部抵触接触，推开密封椎体与锥形密封孔之间的密封，膨胀管内的工作介质油通过充油阀体的圆锥形密封孔和弹簧孔、充油阀帽的弹簧孔、节流器的节流孔与应变体压力油腔中的工作介质油连通，使应变体压力油腔中保持与膨胀管内相同的压力；应变体压力油腔中工作介质油的压力使应变体产生应变，通过应变传感器输出应变信号，应变信号经PCB板放大、采集、处理后，以数字量的形式输出应变压力P₁，从而得到隧道地层土压的相对压力值；传感器组件与膨胀管组件连接结构中，实际存在一定的空隙，空隙大小在结构设计时通过计算确定，此空隙并未充填工作介质油，因此在整个压力传递密闭腔中实际存在一定量的空气，当膨胀管与应变体压力油腔连通后，因空气具有可压缩性，会使膨胀管内原有极高的膨胀压力降低，以防止应变体出现过大压力应变而导致出现输出结果的非线性失真；传感器组件与膨胀管组件连接后，土压检测传感器输出的相对应变压力P₁包含两部分：一、膨胀管内原膨胀压力的残余值P₀，也称为偏置压力；二、实际隧道地层的土压值P；整个压力传递密闭腔中存在的空气量的大小会影响到膨胀管内原膨胀压力的残余值P₀的大小和土压检测传感器的灵敏度，为保证所有所有土压检测传感器在施工安装完成后输出土压值的准确性和灵敏度，传感器组件与膨胀管组件在旋紧固定前，需用恒温电吹风持续均匀加热五分钟，然后再完全旋紧，保证所有传感器组件与膨胀管组件的组装过程免受环境温度影响，以保证所有土压检测传感器整个压力传递密闭腔中存在的空气量的一致性。

进一步的，隧道地层土压检测传感器的输出做置零处理，其实质是消除偏置压力P₀，使隧道地层土压检测传感器输出实际隧道地层的土压值P；具体方法是：在实验室中，向膨胀管组件的膨胀管中泵入定量的工作介质油；传感器组件通过螺纹与膨胀管组件固定连接，膨胀管内的工作介质油与应变体压力油腔中的工作介质油连通，保持相同的压力，此时应变传感器通过PCB板输出的压力因不存在地层土压，因此仅为膨胀管内原膨胀压力的残余值P₀，即为偏置压力P₀；偏置压力P₀内置在PCB板中；隧道地层土压检测传感器在现场施工安装后，应变传感器实际输出相对应变压力为P₁，相对应变压力P₁经PCB板处理后输出隧道地层的土压值P，P的计算公式为：P＝P₁-P₀；经置零处理后，在现场施工安装土压检测传感器，其输出值即为实际的隧道环片外地层的土压值。

进一步的，隧道地层土压检测传感器施工完成后，需经过约72小时的静置期，待隧道外地层作用在膨胀管外的压力稳定后，才能准确采集隧道外地层的土压数据；当膨胀管膨胀使橡皮泥与隧道外地层接触后，膨胀管外壁所受到的实际土压可能大于或小于隧道外地层真实的土压，因此在土压检测传感器安装完成后，需经过约72小时的静置期使隧道外地层与橡皮泥之间的压力逐渐达到平衡，才能保证土压检测传感器采集数据的准确性。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种隧道地层土压检测传感器及施工方法，隧道地层土压检测传感器包括安装固定套、膨胀管组件、传感器组件，膨胀管组件固定设置在安装固定套的内孔中，传感器组件固定设置在膨胀管组件上部；膨胀管组件设置有膨胀管，土压检测传感器施工时，膨胀管设置在隧道环片外侧的隧道外地层中，膨胀管内充有高压的工作介质油而发生膨胀，膨胀管内的工作介质油连通至传感器组件；土压检测传感器工作时，隧道外地层的压力发生变化导致作用在膨胀管外壁的压力发生变化，使膨胀管内的工作介质油压力相应产生变化，工作介质油压力的变化传递至传感器组件，输出压力变化信号；本发明的隧道地层土压检测传感器可随隧道施工中同步进行施工安装，也可以在隧道施工完成后独立加装；当隧道地层土压检测传感器因各种原因损坏时，可以通过更换膨胀管组件、传感器组件予以修复，因此可维持隧道地层土压监测的长期有效性，解决了现有隧道地层土压监测系统因土压传感器损坏失效而无法修复的问题。