盾構(gòu)刀具磨損超聲波檢測(cè)技術(shù)研究

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(shí)，通常會(huì)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(shí)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(shí)，修復(fù)作業(yè)將會(huì)變得十分困難。如果能即時(shí)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(duì)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(duì)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(kù)，特別是對(duì)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(cè)技術(shù)分為液壓檢測(cè)、氣體檢測(cè)、掘進(jìn)參數(shù)分析法和電氣檢測(cè)法。液壓檢測(cè)和氣體檢測(cè)只能用于磨損量極限檢測(cè)：只有當(dāng)磨損量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)才能夠檢測(cè)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(cè)法使用效果并不理想[1]。掘進(jìn)參數(shù)分析法和電氣檢測(cè)法可用于連續(xù)檢測(cè)。張明富等人[2]使用掘進(jìn)參數(shù)分析法對(duì)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(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性不高。超聲波檢測(cè)技術(shù)是電氣檢測(cè)法中一種主要的方法。超聲波檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，是一種廣泛使用的無損檢測(cè)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(hào)傳輸?shù)某暡z測(cè)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(hào)接收不可靠。王光輝、呂瑞虎[4]采用RS-485的形式傳輸信號(hào)，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(zhǎng)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(cè)技術(shù)

超聲波是指振動(dòng)頻率高于20kHz的聲波，在均勻彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，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(cè)原理有多種形式，根據(jù)使用場(chǎng)合和使用要求，本文使用的是脈沖法檢測(cè)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(cè)體，入射波遇到待測(cè)體界面時(shí)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(shí)間，使用公式(1)即可得到超聲波的檢測(cè)距離。

式中s——超聲波的檢測(cè)距離，m；

v—— 待測(cè)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(shí)間，s，可采用數(shù)碼管指示法確定。

圖1 超聲波脈沖法檢測(cè)原理

耦合劑用于排除傳感器和待測(cè)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(cè)體，提高檢測(cè)精度，常用的耦合劑有機(jī)油、水玻璃、甘油等。在檢測(cè)時(shí)，超聲波傳感器應(yīng)壓緊待測(cè)體的表面，因而耦合劑的厚度通常較小，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較小時(shí)，可將其忽略，認(rèn)為超聲波傳感器檢測(cè)的距離即為待測(cè)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(cè)盾構(gòu)切刀的磨損量。盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)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(cè)合金刀頭的長(zhǎng)度。為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，可將盾構(gòu)切刀的合金刀頭做成長(zhǎng)方體，如圖2所示。為降低上述改動(dòng)對(duì)盾構(gòu)切刀整體切削性能的影響，可僅對(duì)部分盾構(gòu)切刀進(jìn)行改動(dòng)。

盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)主要的參數(shù)有測(cè)量范圍和檢測(cè)精度。常用的超聲波傳感器測(cè)量范圍為：0.65～600mm，盾構(gòu)切刀合金刀頭的長(zhǎng)度H通常為：50～60mm，測(cè)量范圍完全滿足使用要求。盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)結(jié)果主要用于為確定換刀時(shí)機(jī)、組織施工提供數(shù)據(jù)參考，檢測(cè)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(cè)精度為：±0.05mm(≤10mm)；±(0.5%H+0.01)mm(＞10mm)，H為被測(cè)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(cè)原理圖

2 信號(hào)無線傳輸

實(shí)現(xiàn)刀具磨損信號(hào)在線可靠傳輸需要解決兩大難題：連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的刀具和刀盤與前盾隔板間攪動(dòng)的碴土，見圖3。采用有線傳輸時(shí)，電力線和信號(hào)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(duì)中心回轉(zhuǎn)體進(jìn)行改造，成本較高，電滑環(huán)長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致接觸不良，影響信號(hào)傳輸，因此決定采用信號(hào)無線傳輸?shù)姆绞健?/p>

圖3 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

信號(hào)無線傳輸?shù)姆绞娇梢赃m應(yīng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，穿越攪動(dòng)的碴土是需要重點(diǎn)考慮的問題。信號(hào)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(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，具有較好的繞射能力，傳播時(shí)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(duì)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(hào)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(cāng)通常為2m寬，且對(duì)信號(hào)傳播速率要求不高，結(jié)合市場(chǎng)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(cè)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(hào)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(gè)整體進(jìn)行封裝處理，使整個(gè)信號(hào)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(hào)后可用于顯示、分析和存儲(chǔ)。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(shí)間和數(shù)值大小。查看時(shí)可以使用曲線工具，功能有左右移動(dòng)、上下移動(dòng)、拉伸和局部放大等。采集的數(shù)據(jù)以excel表格自動(dòng)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(dòng)、泥水等都會(huì)對(duì)超聲波檢測(cè)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(duì)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(cè)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(cāng)，將數(shù)據(jù)接收模塊放置在料倉(cāng)內(nèi)，信號(hào)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(cāng)內(nèi)；將數(shù)據(jù)發(fā)射模塊、法蘭等安裝在料倉(cāng)的發(fā)射端，數(shù)據(jù)發(fā)射端信號(hào)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(cāng)內(nèi)注入水，同時(shí)打開排氣閥門，待料倉(cāng)內(nèi)注滿水時(shí)關(guān)閉排氣閥門，并檢查壓力表，壓力達(dá)到1bar時(shí)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(cè)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(shí)，說明超聲波檢測(cè)裝置工作狀態(tài)良好，可以進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)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(shí)的工況，在打磨過程中要盡量保證打磨截面為平面。圓棒長(zhǎng)度測(cè)量值和實(shí)際值如圖6所示。測(cè)量值為超聲波檢測(cè)裝置自動(dòng)檢測(cè)到的圓棒長(zhǎng)度，每5min自動(dòng)檢測(cè)一次；實(shí)際值為游標(biāo)卡尺人工測(cè)量得到的圓棒長(zhǎng)度。

圖6 測(cè)量值與實(shí)際值對(duì)比

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析上來看，圓棒長(zhǎng)度變化范圍是125～95mm，測(cè)量值和實(shí)際值保持相同的遞減趨勢(shì)，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(dòng)、溫度、碴土、壓力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。每5min測(cè)量一次數(shù)據(jù)，檢測(cè)裝置能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)圓棒長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(hào)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(shí)檢測(cè)的信號(hào)無線傳輸。

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

4）上位機(jī)軟件操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，可以檢測(cè)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(cè)到磨損值過大時(shí)可以發(fā)出報(bào)警。

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