SHANG Wei,WANG Bai-quan

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 511455)

在隧道及地下工程建設(shè)領(lǐng)域，盾構(gòu)法施工具有快速、安全的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為城市地鐵隧道一種主要的施工方法。盾構(gòu)刀具磨損是盾構(gòu)法施工過程無法避免的問題，當(dāng)出現(xiàn)刀具過度磨損時，通常會導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)量降低、卡盾、機(jī)械性損毀等施工風(fēng)險(xiǎn)，延誤施工周期。盾構(gòu)刀具修復(fù)時需要在停機(jī)位置前端的地表進(jìn)行地層加固，然后在掌子面開挖刀具的修復(fù)空間，進(jìn)行盾構(gòu)刀具帶壓進(jìn)艙修復(fù)。當(dāng)盾構(gòu)刀具磨損發(fā)生在繁忙路段、密集建筑區(qū)或江河湖底等特殊位置時，修復(fù)作業(yè)將會變得十分困難。如果能即時掌握盾構(gòu)刀具的磨損狀態(tài)，便可以提前確定換刀位置，有效避免在特殊位置的停機(jī)，對于保障盾構(gòu)順利掘進(jìn)，降低施工成本和風(fēng)險(xiǎn)具有較大的意義。掌握盾構(gòu)刀具磨損過程信息，對于優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),建立盾構(gòu)法施工數(shù)據(jù)庫，特別是對于軟硬不均等盾構(gòu)刀具磨損過快的地層，同樣具有重要的意義。

目前盾構(gòu)刀具磨損檢測技術(shù)分為液壓檢測、氣體檢測、掘進(jìn)參數(shù)分析法和電氣檢測法。液壓檢測和氣體檢測只能用于磨損量極限檢測：只有當(dāng)磨損量達(dá)到設(shè)計(jì)值時才能夠檢測到壓力下降，或者是刺激性氣體。這兩種方法無法準(zhǔn)確判斷是哪把刀具出現(xiàn)過度磨損，液壓法油管數(shù)量受盾構(gòu)中心回轉(zhuǎn)體尺寸影響較大，在土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)中，氣體檢測法使用效果并不理想[1]。掘進(jìn)參數(shù)分析法和電氣檢測法可用于連續(xù)檢測。張明富等人[2]使用掘進(jìn)參數(shù)分析法對磨損系數(shù)和單一掘進(jìn)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了初步分析，但檢測結(jié)果準(zhǔn)確性不高。超聲波檢測技術(shù)是電氣檢測法中一種主要的方法。超聲波檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)檢測，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測，是一種廣泛使用的無損檢測技術(shù)。何峰[3]等人公布了采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)某暡z測裝置，但是藍(lán)牙技術(shù)工作頻率為2.5GHz，穿越碴土的繞射能力差，信號接收不可靠。王光輝、呂瑞虎[4]采用RS-485的形式傳輸信號，取得較好的室內(nèi)試驗(yàn)效果，但是該方法涉及到盾構(gòu)中心回轉(zhuǎn)體的改造、布線困難、電滑環(huán)長期使用有磨損等問題，限制了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波是指振動頻率高于20kHz的聲波，在均勻彈性介質(zhì)中傳播時，方向性好、穿透力強(qiáng)，具有波的干涉、反射等特性。超聲波檢測原理有多種形式，根據(jù)使用場合和使用要求，本文使用的是脈沖法檢測原理如圖1所示。超聲波傳感器發(fā)出的超聲波經(jīng)過耦合劑傳入待測體，入射波遇到待測體界面時產(chǎn)生反射波，反射波經(jīng)過耦合劑傳入超聲波傳感器，記錄下超聲波從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時間，使用公式(1)即可得到超聲波的檢測距離。

式中s——超聲波的檢測距離，m；

v—— 待測體中超聲波的傳播速度，m/s，可通過實(shí)驗(yàn)確定；

t—— 超聲波從發(fā)射到接收所用時間，s，可采用數(shù)碼管指示法確定。

圖1 超聲波脈沖法檢測原理

耦合劑用于排除傳感器和待測體之間的空氣，減少界面雜波的影響，使更多的能量傳入待測體，提高檢測精度，常用的耦合劑有機(jī)油、水玻璃、甘油等。在檢測時，超聲波傳感器應(yīng)壓緊待測體的表面，因而耦合劑的厚度通常較小，對檢測結(jié)果影響較小時，可將其忽略，認(rèn)為超聲波傳感器檢測的距離即為待測體的厚度。

盾構(gòu)刀具有多種類型，如滾刀、切刀、撕裂刀、中心魚尾刀等，根據(jù)盾構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)和安裝形式，超聲波技術(shù)更適合檢測盾構(gòu)切刀的磨損量。盾構(gòu)切刀磨損檢測的原理如圖2所示，可將超聲波傳感器安裝在刀體內(nèi)，直接檢測合金刀頭的長度。為提高檢測的準(zhǔn)確度，可將盾構(gòu)切刀的合金刀頭做成長方體，如圖2所示。為降低上述改動對盾構(gòu)切刀整體切削性能的影響，可僅對部分盾構(gòu)切刀進(jìn)行改動。

盾構(gòu)切刀磨損檢測主要的參數(shù)有測量范圍和檢測精度。常用的超聲波傳感器測量范圍為：0.65～600mm，盾構(gòu)切刀合金刀頭的長度H通常為：50～60mm，測量范圍完全滿足使用要求。盾構(gòu)切刀磨損檢測結(jié)果主要用于為確定換刀時機(jī)、組織施工提供數(shù)據(jù)參考，檢測精度能夠達(dá)到±1mm即可滿足施工要求，超聲波傳感器的檢測精度為：±0.05mm(≤10mm)；±(0.5%H+0.01)mm(＞10mm)，H為被測物實(shí)際厚度，同樣滿足使用要求。

圖2 盾構(gòu)切刀磨損檢測原理圖

2 信號無線傳輸

實(shí)現(xiàn)刀具磨損信號在線可靠傳輸需要解決兩大難題：連續(xù)轉(zhuǎn)動的刀具和刀盤與前盾隔板間攪動的碴土，見圖3。采用有線傳輸時，電力線和信號線布置困難，并且要考慮防止電纜線磨損的問題，需要使用電滑環(huán)，并對中心回轉(zhuǎn)體進(jìn)行改造，成本較高，電滑環(huán)長期使用會產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致接觸不良，影響信號傳輸，因此決定采用信號無線傳輸?shù)姆绞健?/p>

圖3 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

信號無線傳輸?shù)姆绞娇梢赃m應(yīng)刀具轉(zhuǎn)動的情況，穿越攪動的碴土是需要重點(diǎn)考慮的問題。信號的發(fā)射端位于盾構(gòu)刀盤上，接收端位于前盾隔板上，電磁波需要在碴土媒介中傳播。碴土通常含有泥水、礫石、鋼筋等多種物質(zhì)，電磁波的傳播路徑十分復(fù)雜，衰減較大。低頻段電磁波波長相對較長，具有較好的繞射能力，傳播時的能量損失較少。李莉[5]在博士論文中驗(yàn)證了在地下通訊環(huán)境中100～900MHz頻段無線傳輸?shù)目尚行?，并指出在該環(huán)境下2.4GHz頻段基本無法應(yīng)用。郁曉慶[6]對240MHz、433MHz和868MHz頻段的電磁波傳播規(guī)律進(jìn)行了研究，綜合考慮信號衰減和天線尺寸，認(rèn)為300～400MHz的頻率更適合地下無線通訊，最大傳輸距離為5m。盾構(gòu)碴土倉通常為2m寬，且對信號傳播速率要求不高，結(jié)合市場主流通訊技術(shù)，認(rèn)為使用433MHz頻段通訊技術(shù)是可行的。無線收發(fā)系統(tǒng)電路原理如圖4所示。

圖4 無線收發(fā)系統(tǒng)電路原理圖

盾構(gòu)刀具磨損檢測裝置以無線收發(fā)芯片CC1101作為無線通訊模塊，并與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行集成。采用高能量密度的電池供電，信號處理模塊和無線通訊模塊都采用低能耗元件。電子元件和電池作為一個整體進(jìn)行封裝處理，使整個信號發(fā)射裝置具備良好的防水性能。數(shù)據(jù)輸送到前盾隔板后，采用有線的方式將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)軟件進(jìn)行后續(xù)處理。

上位機(jī)軟件接收到信號后可用于顯示、分析和存儲。刀具磨損歷史數(shù)據(jù)可在波形顯示區(qū)查看，歷史數(shù)據(jù)包括采集的時間和數(shù)值大小。查看時可以使用曲線工具，功能有左右移動、上下移動、拉伸和局部放大等。采集的數(shù)據(jù)以excel表格自動保存。

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)刀盤刀具工作環(huán)境非常復(fù)雜，刀頭表面質(zhì)量、振動、泥水等都會對超聲波檢測系統(tǒng)產(chǎn)生影響。碴土的電學(xué)特性影響電磁波的傳輸特性，目前對這方面的研究成果較少?；谝陨峡紤]，需要開展刀具磨損的模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證無線通訊式超聲波檢測技術(shù)的可行性。根據(jù)實(shí)際情況制作了圖5所示的試驗(yàn)裝置。

圖5 模擬試驗(yàn)裝置

以內(nèi)徑300mm的鋼管為模擬試驗(yàn)料倉，將數(shù)據(jù)接收模塊放置在料倉內(nèi)，信號線通過數(shù)據(jù)線孔引出，并與計(jì)算機(jī)連接，然后安裝接收端法蘭；將砂、土、礫石等從另一端裝入試驗(yàn)料倉內(nèi)；將數(shù)據(jù)發(fā)射模塊、法蘭等安裝在料倉的發(fā)射端，數(shù)據(jù)發(fā)射端信號線通過數(shù)據(jù)線孔與外部超聲波傳感器連接。通過進(jìn)水管和閥門向料倉內(nèi)注入水，同時打開排氣閥門，待料倉內(nèi)注滿水時關(guān)閉排氣閥門，并檢查壓力表，壓力達(dá)到1bar時減慢注水速度，保持壓力穩(wěn)定。以上準(zhǔn)備工作完成后，可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。多次測量材料和尺寸已知的標(biāo)準(zhǔn)試件，上位機(jī)軟件顯示的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)試件厚度一致時，說明超聲波檢測裝置工作狀態(tài)良好，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

試驗(yàn)時以金屬圓棒代替盾構(gòu)刀具，圓棒材料與標(biāo)準(zhǔn)塊材料相同。使用角磨機(jī)打磨圓棒模擬盾構(gòu)切刀磨損時的工況，在打磨過程中要盡量保證打磨截面為平面。圓棒長度測量值和實(shí)際值如圖6所示。測量值為超聲波檢測裝置自動檢測到的圓棒長度，每5min自動檢測一次；實(shí)際值為游標(biāo)卡尺人工測量得到的圓棒長度。

圖6 測量值與實(shí)際值對比

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析上來看，圓棒長度變化范圍是125～95mm，測量值和實(shí)際值保持相同的遞減趨勢，數(shù)值的一致性較好，偏差在±1mm以內(nèi)。試驗(yàn)過程中保留了振動、溫度、碴土、壓力對測量結(jié)果的影響。每5min測量一次數(shù)據(jù)，檢測裝置能夠?qū)崟r檢測圓棒長度的變化。盾構(gòu)刀具實(shí)際磨損速度較慢，該裝置能夠滿足檢測周期的要求。

4 結(jié) 論

1）盾構(gòu)的工作環(huán)境差異較大，在富水地層中，檢測裝置應(yīng)具有良好的防水、耐壓性能，否則將導(dǎo)致電子元件燒毀。經(jīng)多次試驗(yàn)后，多層整體封裝的效果較好，可以滿足使用要求。

2）在碴土環(huán)境中433MHz無線通訊技術(shù)傳輸信號可靠高，有效傳輸距離可達(dá)2m，數(shù)據(jù)誤碼率低，數(shù)據(jù)傳輸速率滿足使用要求，可以用于實(shí)時檢測的信號無線傳輸。

3）試驗(yàn)結(jié)結(jié)果中包含了振動、溫度、碴土、壓力對測量數(shù)據(jù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，測量值和實(shí)際值保持較好的一致性，偏差在±1mm以內(nèi)，檢測裝置準(zhǔn)確性高，滿足盾構(gòu)刀具磨損檢測的使用要求。

4）上位機(jī)軟件操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，可以檢測裝置本身的運(yùn)行狀態(tài)，滿足數(shù)據(jù)顯示、查看和保存的要求。當(dāng)檢測到磨損值過大時可以發(fā)出報(bào)警。

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