王超峰, 王國安，王 凱, 2, *

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458； 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引言

目前，我國已成為地下空間開發(fā)利用需求與規(guī)模最大的國家，“十二五”期間地下空間開發(fā)年均增速達(dá)20%以上。隧道掘進(jìn)機(jī)以施工速度快、安全性好、自動化程度高等優(yōu)勢在隧道及地下工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海、沿江城市，使用超大直徑泥水盾構(gòu)(直徑≥14 m)修建水下隧道的工程案例越來越多。

超大直徑泥水盾構(gòu)一般采用常壓刀盤設(shè)計，作業(yè)人員通過刀盤中心艙進(jìn)入中空的刀盤輻條臂內(nèi)，并在常規(guī)大氣壓條件下借助常壓換刀裝置進(jìn)行刀盤及刀具的檢查維護(hù)作業(yè)[2]，無需帶壓進(jìn)艙，為水下長距離盾構(gòu)掘進(jìn)提供了技術(shù)便利；但實際應(yīng)用中尚存在一些問題，在軟硬不均地層表現(xiàn)尤為突出。

軟硬不均地層是指在隧道開挖范圍存在2種或2種以上，橫向或縱向巖土力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)特征差異較大的地層，是復(fù)合地層的一種典型表現(xiàn)[3]。針對該種地層，部分盾構(gòu)的常壓換刀裝置內(nèi)配置了滾刀，因滾刀在土層、巖層交替中承受交變載荷，在高強度基巖段施工時發(fā)現(xiàn)常壓換刀裝置螺栓損壞頻率高，不但影響施工效率，而且存在較大的安全隱患[4]。個別常壓換刀裝置的刀座螺栓失效未及時處置，會引起剩余各螺栓載荷增大、加速失效的連鎖反應(yīng)，誘發(fā)刀座、常壓換刀裝置后退風(fēng)險，出現(xiàn)泥水涌入艙內(nèi)的險情。此外，在掘進(jìn)過程中既要提高掘進(jìn)速度，又要防止刀具因超載而損壞，由于不能獲取滾刀實時受載數(shù)據(jù)，掘進(jìn)參數(shù)的選取是否合理缺乏有效的判斷依據(jù)。

現(xiàn)階段常壓換刀裝置內(nèi)搭載了溫度傳感器、磨損狀態(tài)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測裝置，能夠?qū)L刀磨損狀態(tài)進(jìn)行評估，指導(dǎo)刀具更換作業(yè)，但對于滾刀載荷的感知存在盲區(qū)[5-6]。對常壓換刀裝置進(jìn)行載荷監(jiān)測，通過載荷數(shù)據(jù)的分析，不但有助于分析螺栓失效機(jī)制、辨識螺栓松弛現(xiàn)象，而且通過載荷數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整、地質(zhì)信息的識別(如巖面高度)，為盾構(gòu)/TBM的智能掘進(jìn)提供基礎(chǔ)性信息。因此，從盾構(gòu)施工的現(xiàn)場需要和行業(yè)的未來發(fā)展需求考慮，進(jìn)行常壓換刀裝置載荷實時監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)很有必要。

目前，載荷監(jiān)測在航天、車輛、橋梁、機(jī)床等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。李世武等[7]提出一種車輛載荷狀態(tài)監(jiān)測方法，并研發(fā)了車輛載荷狀態(tài)監(jiān)測平臺； 張博明等[8]利用光纖傳感器開展了航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)載荷監(jiān)測研究； 趙友等[9]以刀桿作為彈性敏感元件、以半導(dǎo)體應(yīng)變計作為信號轉(zhuǎn)換元件，對機(jī)床刀具載荷進(jìn)行了監(jiān)測。在隧道及地下工程領(lǐng)域，王少華等[10]提出C型墊塊中嵌入應(yīng)變計來監(jiān)測TBM滾刀的實時受力； 楊延棟等[11]針對TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實驗平臺，開發(fā)了滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了滾刀載荷和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的實時采集和無線傳輸?；谀嗨軜?gòu)工作環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，對傳感器的性能提出了較高的技術(shù)要求。通過對比常見載荷傳感器(見表1)，發(fā)現(xiàn)光纖光柵傳感器作為一種新型的全光纖功能型無源傳感器件，具有體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、使用安全可靠等優(yōu)點[12-13]，能適應(yīng)惡劣的泥水盾構(gòu)施工環(huán)境。

表1 常見載荷傳感器對比

本文在常壓換刀裝置結(jié)構(gòu)空間狹小、工況惡劣、電磁干擾嚴(yán)重的條件下，將光纖光柵傳感器安裝在螺栓頭部制作成智能螺栓進(jìn)行軸力測量，搭建一套適用于泥水盾構(gòu)施工環(huán)境下的載荷監(jiān)測系統(tǒng)，在蘇埃通道工程基巖段進(jìn)行搭載試驗，驗證基于光纖傳感技術(shù)的常壓換刀裝置載荷監(jiān)測的可行性，以期為盾構(gòu)/TBM在惡劣工況下的載荷監(jiān)測提供參考。

1 監(jiān)測方案設(shè)計

盾構(gòu)常壓換刀裝置如圖1所示。滾刀與巖土相互作用，受力載荷依次傳至刀座、螺栓，后通過刀筒傳遞至刀盤面板。由于基巖段螺栓受到較大的交變軸力，導(dǎo)致螺栓失效增多，因此需要設(shè)計一種載荷監(jiān)測系統(tǒng)來感知相關(guān)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)。

圖1 盾構(gòu)常壓換刀裝置

受常壓換刀裝置空間、工作環(huán)境制約，無法安裝載荷傳感器來直接測量刀具受力，故采用測量刀座螺栓載荷的間接方式。載荷實時監(jiān)測系統(tǒng)整體方案如圖2所示。將刀座螺栓內(nèi)置光纖光柵制作成光纖智能螺栓，進(jìn)行受力信息采集，采集的受力信息以光信號的形式呈現(xiàn)，通過多通道分光器調(diào)制解調(diào)和多通道無線數(shù)據(jù)采集器采集并發(fā)射信號，在中心錐外的數(shù)據(jù)處理終端(計算機(jī))接收信號、存儲數(shù)據(jù)并分析(必要時可在多通道無線數(shù)據(jù)采集器與數(shù)據(jù)處理終端之間增加無線路由橋接)。

圖2 載荷實時監(jiān)測系統(tǒng)整體方案

光纖智能螺栓是一種使用光纖光柵作為傳感器的測力螺栓，光纖光柵傳感器安裝在螺栓中心直徑2～3 mm的小孔內(nèi)，通過光纖光柵傳感器形變測量螺栓的軸力。智能螺栓通過鎧裝光纖將光信號從刀筒內(nèi)傳輸至刀筒外的多通道分光器，經(jīng)信號調(diào)理至多通道無線數(shù)據(jù)采集器，無線數(shù)據(jù)采集器通過無線模塊發(fā)射數(shù)據(jù)，布置在中心錐尾部的數(shù)據(jù)處理終端接收信號并存儲顯示數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對載荷的分析。

2 系統(tǒng)搭建

2.1 智能螺栓制作封裝

智能螺栓基于原刀座螺栓(M27×275)制作、封裝，為減少對螺栓強度的影響，在內(nèi)六角頭部制作φ1.4 mm×60 mm的盲孔。圖3為智能螺栓加工示意圖。

圖3 智能螺栓加工示意圖(單位： mm)

智能螺栓采用針式封裝，如圖4所示。光纖光柵插入待測螺栓內(nèi)部，通過螺紋和注膠方式固定，采用光纖光柵傳感技術(shù)，尤其適用于螺栓軸力長期監(jiān)測。

圖4 封裝后的智能螺栓

2.2 智能螺栓標(biāo)定

為提高載荷的測量精度，需對螺栓軸力和溫度進(jìn)行測量標(biāo)定。在智能螺栓中埋設(shè)2個光柵傳感器，1#傳感器埋設(shè)于連接器部分用于溫度補償，2#傳感器埋設(shè)于螺栓本體用于軸力測量，如圖5所示。

圖5 傳感器安裝示意圖

為確定智能螺栓軸力載荷系數(shù)，使用MTS電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行標(biāo)定(見圖6)，試驗機(jī)量程為600 kN，測量精度為0.5%F.S。試驗夾具采用標(biāo)準(zhǔn)的通用螺栓拉伸測試夾具。

圖6 智能螺栓傳感器軸力載荷系數(shù)標(biāo)定

由于光纖光柵傳感器波長受溫度影響，對傳感器溫度系數(shù)采用高低溫試驗箱進(jìn)行標(biāo)定。傳感器溫度標(biāo)定范圍為0～50 ℃，采用每隔10 ℃分級標(biāo)定的方式。溫度標(biāo)定設(shè)備及溫度系數(shù)標(biāo)定擬合曲線如圖7所示。

(a) 溫度標(biāo)定設(shè)備

(b) 溫度系數(shù)標(biāo)定擬合曲線

2.3 刀筒光纖通道制孔密封

在刀筒端蓋位置制作螺紋孔，準(zhǔn)備同端蓋螺紋配合的螺栓制成空心螺栓，鎧裝光纖與空心螺栓間用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行固化。由于鎧裝光纖內(nèi)部為空心，必須對其內(nèi)部進(jìn)行灌膠處理，否則會形成滲漏通道?？招穆菟ㄅc端蓋之間加裝橡膠密封墊，在0.8 MPa壓力下進(jìn)行壓力試驗(見圖8)，確保密封可靠方可在盾構(gòu)刀盤上搭載。

圖8 密封壓力試驗

2.4 數(shù)據(jù)采集器選型

數(shù)據(jù)采集器采用ZH04FM型便攜式多功能光纖光柵數(shù)據(jù)采集儀。該設(shè)備可同時支持4個通道的光纖光柵信號采集，采樣頻率最高達(dá)1 kHz，采樣方式為實時連續(xù)采集，采樣頻率不小于10 Hz，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。數(shù)據(jù)采集器需固定在刀盤面板背面，采用端蓋點焊支架方式固定。由于刀盤面板內(nèi)部無外接電源，采用動力鋰電池組對數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行供電，保證數(shù)據(jù)采集器能夠在較長時間內(nèi)工作。

2.5 接收單元

采用筆記本作為接收終端，安裝數(shù)據(jù)處理軟件，考慮到數(shù)據(jù)采集器至主控室距離長，在中心錐外加設(shè)無線路由節(jié)點，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定。

3 現(xiàn)場安裝

3.1 工程簡介

蘇埃通道工程路線全長6.68 km，共設(shè)置互通立交2處、地面收費站1座、風(fēng)塔2座，穿越海域段(長度為3 047.5 m)采用盾構(gòu)法施工，包括2條平行的隧道(東線、西線)。圖9為盾構(gòu)段平面圖。在南岸填海建造圍堰結(jié)構(gòu)并筑始發(fā)井，盾構(gòu)由南至北經(jīng)始發(fā)井依次穿越始發(fā)端頭及回填區(qū)、軟土段、基巖段直至北岸接收井，在主航道下方存在182 m基巖突起段。

表2 數(shù)據(jù)采集器主要指標(biāo)(有外接電源)

圖9 汕頭蘇埃通道工程盾構(gòu)段平面圖

該工程采用15 m級泥水盾構(gòu)施工。盾構(gòu)采用常壓刀盤設(shè)計，刀盤由1個中心塊和6個邊塊組成，中心塊和邊塊內(nèi)部為中空的中心錐，在中心錐內(nèi)可以對常壓刀具進(jìn)行更換。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝

監(jiān)測系統(tǒng)安裝步驟如下：

1)刀筒準(zhǔn)備。準(zhǔn)備待測位置同型號的刀筒，對刀具進(jìn)行檢查、更換，安裝智能螺栓，檢查光纖通道密封性能，對智能螺栓信號檢測無誤后安裝刀筒端蓋，注意保護(hù)尾纖接頭，防止刀筒運輸過程中損傷。

2)刀筒更換。進(jìn)行常壓換刀作業(yè)，換下待測位置的常壓刀筒，安裝帶智能螺栓的常壓刀筒。安裝過程中注意觀察保壓過程中刀筒的滲漏水情況，確認(rèn)無滲漏后方可進(jìn)行下一步操作。

3)數(shù)據(jù)采集器及電池組安裝。拆開常壓刀筒外緣2顆螺栓，安裝固定支架(數(shù)據(jù)采集器及電池組已固定在支架上)，如圖10所示。

4)實時監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試。將無線路由器放置在中心錐外，布設(shè)網(wǎng)線至主控室并連接筆記本電腦，開啟數(shù)據(jù)采集軟件并觀察采集的信號，確認(rèn)信號無異常后進(jìn)行載荷監(jiān)測。

4 現(xiàn)場測試

2020年3月至6月，在蘇埃通道基巖段盾構(gòu)掘進(jìn)期間對載荷監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠適應(yīng)惡劣的泥水環(huán)境，抗干擾性強，穩(wěn)定性好。監(jiān)測系統(tǒng)安裝在常壓換刀裝置刀筒內(nèi)，刀筒搭載于73#、74#滾刀所處位置，刀盤轉(zhuǎn)速為0.8 r/min，貫入度為2.5～3.0 mm/r。

圖10 監(jiān)測系統(tǒng)安裝圖

刀筒安裝位置在刀盤最外側(cè)軌跡上?，F(xiàn)場對6個連接螺栓進(jìn)行了測試，采用1分8光纖連接線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，連接線通過端蓋處鉆孔引出并與采集器相連接。光纖連接線安裝如圖11所示，智能螺栓傳感器安裝位置及實物如圖12所示。

通過對螺栓軸力監(jiān)測獲得試驗數(shù)據(jù)，得到螺栓軸力變化曲線，如圖13所示。滾刀在軟硬不均地層中交替時，螺栓的載荷呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律。由于螺栓安裝位置不同，螺栓載荷也呈現(xiàn)較大的差異性，其中8#、2#、4#螺栓載荷較大，6#、9#、11#螺栓載荷較小，因此，在安裝過程中加強螺栓預(yù)緊力控制，對于受載較大位置的螺栓可與受載較小位置螺栓互換安裝，提高其使用壽命。

圖11 光纖連接線安裝圖

選取4#、8#、9#螺栓的軸力監(jiān)測曲線，如圖14所示。由圖可知： 4#螺栓出現(xiàn)了明顯的松動，載荷基準(zhǔn)從-5 kN降至-18 kN左右； 8#螺栓在400～800 s時載荷基準(zhǔn)由2 kN降至0 kN，隨后保持穩(wěn)定； 9#螺栓載荷基準(zhǔn)沒有衰減，始終保持在1.25 kN左右。這主要是由于9#螺栓承受載荷小且防松措施有效，而4#、8#螺栓承受載荷大，4#螺栓作為對照組未采取焊接串聯(lián)鋼筋的措施，導(dǎo)致其載荷基準(zhǔn)持續(xù)衰減。

盾構(gòu)穿越基巖突起段時，滾刀受周期性交變載荷并傳遞至螺栓，在軟弱地層中載荷小且波動小，進(jìn)入巖石地層載荷變大且劇烈波動。選取9#螺栓軸力監(jiān)測曲線，如圖15所示。由圖可知，約1/3時間內(nèi)滾刀處于巖石地層，假設(shè)基巖面水平分布，刀盤開挖直徑為15 m，可估算基巖面侵入隧道高度約為3.75 m(還可依靠緩轉(zhuǎn)刀盤借助滾刀與巖石刮擦聲音判斷入巖位置，兩者能夠互相印證)，據(jù)此在巖石侵入范圍內(nèi)將配置的撕裂刀調(diào)整為滾刀。

圖13 螺栓軸力監(jiān)測曲線

(a) 4#、9#螺栓

(b) 8#螺栓

圖15 9#螺栓軸力監(jiān)測曲線

通過現(xiàn)場測試表明，該螺栓載荷監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測螺栓軸力的變化，對載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可辨識螺栓松弛現(xiàn)象，現(xiàn)場人員可及時對常壓換刀裝置抽檢，消除常壓換刀裝置后退風(fēng)險。滾刀在軟土、硬巖地層的載荷差異巨大，通過分析螺栓軸力曲線周期性規(guī)律，獲取滾刀在軟土、硬巖地層作用時間的比例，進(jìn)而對巖石侵入隧道高度進(jìn)行估算，指導(dǎo)刀具的動態(tài)配置，確保巖石侵入范圍內(nèi)可更換為滾刀的刀具全部配置成滾刀。監(jiān)測的載荷數(shù)據(jù)可直接指導(dǎo)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整，保證滾刀在額定載荷范圍工作，減少滾刀崩刃等損壞。綜上，該載荷監(jiān)測系統(tǒng)有助于降低施工風(fēng)險，提升掘進(jìn)效率，縮減刀具消耗，其經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著，在系統(tǒng)量產(chǎn)后優(yōu)勢將更加突出。

5 結(jié)論與展望

本文提出了一套盾構(gòu)常壓換刀裝置載荷實時監(jiān)測系統(tǒng)，獲得了基巖突起段掘進(jìn)時的螺栓軸力變化規(guī)律，針對掘進(jìn)中螺栓松弛現(xiàn)象進(jìn)行了分析，同時借助螺栓載荷監(jiān)測數(shù)據(jù)估算了基巖侵入高度。主要結(jié)論如下：

1)該系統(tǒng)基于光纖光柵傳感器設(shè)計，具有不受電磁干擾、適應(yīng)泥水環(huán)境的優(yōu)點，借助數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件，實現(xiàn)對載荷的實時測量。在蘇埃通道工程中進(jìn)行搭載測試，驗證了該系統(tǒng)原理可行，現(xiàn)場實施可用，監(jiān)測效果可靠。

2)盾構(gòu)在基巖突起段掘進(jìn)時，滾刀在軟硬不均地層中交替，螺栓所受載荷呈周期性波動，通過分析螺栓在軟土、硬巖地層軸力曲線的周期性變化，可估算基巖侵入隧道的高度，進(jìn)而指導(dǎo)刀具配置；可依據(jù)常壓換刀裝置載荷指標(biāo)，對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行控制，保證滾刀載荷在設(shè)計范圍內(nèi)。

3)螺栓松弛現(xiàn)象在載荷上的表現(xiàn)為軸力基準(zhǔn)值變小，主要是破巖過程中振動導(dǎo)致螺栓發(fā)生轉(zhuǎn)動，在實踐中要注意螺栓的防松措施(如焊接串聯(lián)鋼筋)，一旦螺栓發(fā)生大幅松弛現(xiàn)象，要注意對刀筒進(jìn)行抽檢，否則將加劇螺栓組載荷分配不均，導(dǎo)致螺栓失效概率增大。

通過實踐，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。由于換刀裝置結(jié)構(gòu)所限，只能對刀座螺栓進(jìn)行測量，螺栓多、空間小增加了監(jiān)測的復(fù)雜程度及系統(tǒng)成本，需在改進(jìn)換刀裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)基于光柵光纖的墊塊式傳感器，其測點少，更方便對滾刀載荷進(jìn)行測量；同時，光調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)采集器均為單獨采購，體積大、能耗高且布設(shè)靈活性差，需要聯(lián)合廠家集成開發(fā)，降低其功耗和成本。下一步可以融合數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)，研究體積更小、可靠性更高的刀具載荷監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)諸如圍巖類別估算、地質(zhì)預(yù)報、盾構(gòu)/TBM智能化掘進(jìn)等。