大直徑泥水盾構常壓刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用
——以杭州望江路過江隧道工程為例

房中玉

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司， 江蘇 南京 211800)

0 引言

盾構法因其施工速度快、安全性高、施工環(huán)境好等優(yōu)點，被廣泛地應用在城市地下隧道施工中[1]。在掘進過程中，隨著盾構刀盤轉動與推進，刀具會與開挖面的土體相互作用并產生大量的熱量，再以熱傳導的形式將這些熱量傳遞給刀盤。刀盤溫度的異常升高會加劇刀盤磨損，減少刀盤的使用壽命并影響開挖效率；嚴重時還會在刀盤局部區(qū)域引起較大的應力集中，造成疲勞破壞[2]。正常工作情況下，盾構刀盤上的最高溫度在40 ℃左右[3]；但在掘進過程中，前方地質的突變會導致刀盤溫度的異常升高，從而加快渣土的干結速度，造成泥餅的形成[4]。隨著泥餅的增大，又會加劇刀盤熱量積累，使得刀盤溫度進一步升高。刀盤溫度的升高，容易產生局部燒傷、刀盤材料屬性的變化等現(xiàn)象[5-6]。當?shù)侗P溫度高于50 ℃時，刀盤邊緣局部將出現(xiàn)較大的應力集中[4]。隨著刀盤溫度的急劇升高，溫度最高的刀盤中心位置會出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象[7]。因此，實時監(jiān)測刀盤溫度的變化情況十分重要。

當前，關于刀盤狀態(tài)監(jiān)測的研究，主要集中在刀具狀態(tài)監(jiān)測與刀盤振動監(jiān)測上。Lan等[8-9]利用渦流傳感器建立了一套滾刀轉速監(jiān)測系統(tǒng)。任德志等[10]和李東利等[11]將電渦流傳感器應用于盾構滾刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)。王少華等[12]利用應變計設計了一種滾刀受力實時監(jiān)測方法。張曉波等[13]將滾刀磨損監(jiān)測、刮刀磨損監(jiān)測和刀盤振動監(jiān)測結合在一起，建立了一套刀具磨損與刀盤振動監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過調研，目前還鮮有關于刀盤溫度監(jiān)測的研究。

本文依托杭州市跨江隧道工程，建立了一套大直徑泥水盾構常壓刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析采集的刀盤溫度數(shù)據(jù)，研究刀盤溫度的變化規(guī)律，以期對刀盤溫度異常變化做出判斷，從而對刀盤異常情況和地質變化做出預警。

1 系統(tǒng)設計

大直徑泥水盾構常壓刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)共包括3個部分，分別是集成傳感器模塊、無線接收模塊和帶有在線溫度監(jiān)控軟件平臺的筆記本電腦，如圖1所示。

其中，集成傳感器模塊由無線傳輸模塊和數(shù)字式溫度傳感器組成。利用數(shù)字式溫度傳感器測量刀盤溫度時，需要將傳感器安裝在旋轉的刀盤背面，這使得傳感器的數(shù)據(jù)無法通過數(shù)據(jù)線傳送到后方的主機上。若使用旋轉接頭傳輸數(shù)據(jù)，信號容易受到干擾，傳輸也不穩(wěn)定，且需定制旋轉接頭，實施難度大。目前，選用無線傳輸是解決這個問題的最好方法。ZigBee無線傳輸技術具有較好的抗干擾能力[14]。它提供基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查，以確保數(shù)據(jù)的準確性，這使得ZigBee在許多隧道工程中得到應用[15-16]。本文選用基于MSP430處理器的433-LORA無線通信模組作為無線傳輸模塊。在發(fā)送信號時，每個集成傳感器模塊都有一個特定的地址，但所有的集成傳感器共用一個無線接收模塊。根據(jù)對杭州望江路過江隧道的初步調查，在掘進過程中，刀盤溫度一般在20～30 ℃。因此，選用了測溫范圍為-55～120 ℃的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。為了提高測量結果的準確性，每個集成傳感器模塊包含有5個數(shù)字式溫度傳感器，并以這5個數(shù)字式溫度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值作為該模塊的刀盤溫度監(jiān)測結果。

圖1 大直徑泥水盾構常壓刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)構成

Fig. 1 Constitution of on-line monitoring system for cutterhead temperature of large-diameter slurry shield under atmospheric pressure

每個集成傳感器模塊包括5個數(shù)字式溫度傳感器、1個3.8 V電池和1個無線傳輸模塊。集成傳感器模塊預先安裝在設計好的鋁合金板上，如圖2(a)所示。底座上的凸臺不僅易于傳感器的定位，而且能讓傳感器更近地接觸刀盤，獲得更精確的溫度數(shù)據(jù)。為防止傳感器在潮濕環(huán)境下發(fā)生故障，在安裝過程中用密封膠將各元件密封。焊接在刀盤背面的鋁合金底座如圖2(b)所示。傳感器安裝完成后，通過螺栓安裝到鋁合金底座上。在傳感器與鋁合金底座的接觸面上涂抹熱硅用于熱傳導，提高溫度測量的準確性。

2 現(xiàn)場安裝

2.1 工程介紹

浙江省杭州市望江路過江隧道工程由北岸秋濤路起，沿望江路，穿越錢塘江，至南岸江暉路，止于江南大道，全長1 835.84 m，如圖3所示。施工地層主要包括粉質黏土和粉砂層。采用1臺大直徑泥水盾構，配備有直徑11.64 m常壓刀盤。刀盤由1個中心塊和5個刀盤主臂組成。中心塊和刀盤主臂內部為中空的換刀室，由門隔開。只有中心塊的換刀室可以實現(xiàn)常壓下?lián)Q刀。

(a) 傳感器

(b) 鋁合金底座

圖3 望江路過江隧道位置示意圖

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的安裝

集成傳感器模塊需要緊貼刀盤安裝，將采集的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)胶蠓?。由于盾構作業(yè)時，刀盤主臂換刀室的門必須關閉，信號會被屏蔽，只有中心塊換刀室的門可以打開，因此將集成傳感器模塊安裝在中心塊的背面，緊貼刀盤的空余位置，如圖4所示。監(jiān)測過程中，將換刀室內的檢修孔打開，避免傳輸數(shù)據(jù)受到屏蔽影響。無線接收裝置安裝在臺架上，并通過電纜連接到放置在主控制室中的筆記本電腦上。通過這種方法，確保刀盤的旋轉不會影響到信號傳輸。電腦上的軟件平臺可以實時顯示集成傳感器模塊的7個參數(shù)(包括序列號、5個溫度值和設備電壓值)。為了提高信噪比水平，以每個集成傳感器模塊中的5個數(shù)字式溫度傳感器數(shù)據(jù)的平均值作為該模塊測量的最終溫度值。除了測量刀盤溫度外，該系統(tǒng)還可以監(jiān)測每個傳感器模塊的電池電量，以避免其耗盡。

圖4 傳感器模塊在刀盤上的安裝位置

3 測試結果

2018年4—6月，在施工現(xiàn)場對刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了測試。整個監(jiān)測系統(tǒng)安裝完畢后，對刀盤溫度進行了持續(xù)2個月的監(jiān)測。結果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠長期實時監(jiān)測刀盤溫度變化，穩(wěn)定性好。

3.1 短時間溫度數(shù)據(jù)分析

4月10日，泥水盾構向前掘進了2環(huán)，平均掘進速度為24 mm/min。為了分析刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)有效性，用3個傳感器模塊以1 min為時間間隔測量刀盤溫度。

如圖5所示，3個探測點的溫度在23～26 ℃，接近隧道溫度。刀盤溫度變化在3 ℃以內，說明刀盤溫度監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。隨著泥水盾構開始掘進，測量點P1、P2和P3的溫度迅速上升。大約50 min后，第1環(huán)和第2環(huán)的溫度分別達到25.26 ℃和25.9 ℃。當掘進停止、開始拼裝管片時，3個探測點的溫度又逐漸降低。

圖5 2018年4月10日測量刀盤溫度

掘進過程中，P1、P2和P3處的溫度快速升高，這是刀盤旋轉時刀具與土壤摩擦產生熱量造成的。掘進停止后，P1、P2和P3處的溫度緩慢下降，這是由于泥水循環(huán)系統(tǒng)進漿管道將新調制的泥漿送入刀盤艙，而排漿管道將開挖產生的淤泥排出刀盤艙，造成刀盤艙熱量損失。通過進、排漿管道循環(huán)，使得刀盤溫度逐漸降低。由此可見，盾構正常工作時，刀盤溫度呈周期變化，并且與盾構工作流程相匹配。

3.2 長時間溫度數(shù)據(jù)分析

4月9—19日，泥水盾構的掘進地層為松散的粉土和砂層，平均掘進速度為26 mm/min。掘進期間，地質參數(shù)沒有明顯變化。

為簡化數(shù)據(jù)，每隔15 min記錄一次溫度值，記作1個時間步，如圖6所示。從圖中可以看出，P1、P2和P3的溫度在每個開挖環(huán)上都有顯著變化，而空轉時的溫度幾乎是穩(wěn)定的。在長時間連續(xù)試驗中，每個明顯的溫度峰值都對應著盾構掘進的1個周期。在盾構連續(xù)掘進時，刀盤最高溫度逐漸升高，最大值達到26 ℃。從圖中時間步800～1 100段可以看出，溫度持續(xù)升高是連續(xù)掘進的熱量累積引起的。相鄰溫度峰值之差保持在0.5 ℃左右，說明溫度在刀盤上的積累效果是穩(wěn)定均勻的。

在此期間，溫度數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)穩(wěn)定，表明該系統(tǒng)能夠不受周圍環(huán)境影響，穩(wěn)定可靠地監(jiān)測刀盤溫度。

圖6 2018年4月9—19日測量刀盤溫度

3.3 異常溫度數(shù)據(jù)分析

在測試過程中，出現(xiàn)了2次刀盤溫度異常升高。異常情況下每環(huán)最高溫度變化情況如圖7所示。第1次刀盤溫度異常升高出現(xiàn)在496環(huán)處，并在499環(huán)處達到最高溫度；隨后刀盤溫度急速下降，在500環(huán)處恢復到正常水平。第2次刀盤溫度異常升高出現(xiàn)在516環(huán)處，并在519環(huán)處達到最高溫度；隨后刀盤溫度緩慢下降。在這2次異常情況中，刀盤最高溫度都超過了70 ℃，是正常掘進溫度的2倍以上。

第1次出現(xiàn)溫度異常升高時，進入盾構刀盤內檢查，確認刀盤有泥餅形成。為了消除泥餅，向刀盤內注入1 t分散劑，并轉動刀盤。在499環(huán)之后盾構掘進中，刀盤溫度急速下降并恢復到正常掘進溫度，盾構正常工作。

(a) 第1次

(b) 第2次

圖7 2次刀盤溫度異常升高

Fig. 7 Twice abnormal rise of cutterhead temperature

第2次出現(xiàn)溫度異常升高時，同樣進入盾構刀盤內檢查，沒有發(fā)現(xiàn)泥餅形成，但前方地質條件發(fā)生了變化。由此可見，這次溫度異常升高是巖層變硬使刀具產熱增加，但盾構沒有及時調整掘進參數(shù)應對地質變化造成的。在對盾構掘進參數(shù)進行調節(jié)后，刀盤溫度略有下降。

結果表明，該大直徑泥水盾構常壓刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確地監(jiān)測刀盤溫度，可以有效地反映刀盤情況，實現(xiàn)對刀盤溫度異常的預警。

4 結論與討論

本文建立了一套大直徑泥水盾構常壓刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，分析了短時間溫度數(shù)據(jù)、長時間溫度數(shù)據(jù)和異常溫度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。結論如下：

1)該系統(tǒng)能夠不受信號屏蔽和泥水盾構掘進的干擾采集刀盤溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對刀盤溫度的實時監(jiān)測。通過工程現(xiàn)場試驗，驗證了該系統(tǒng)長時間監(jiān)測的可行性、可靠性和耐久性。

2)盾構單環(huán)掘進時，刀盤溫度呈周期性變化，并且與盾構的工作流程相匹配。正常情況下，盾構單環(huán)掘進的刀盤溫度變化范圍在3 ℃以內。

3)盾構連續(xù)掘進時，掘進產生的熱量會在刀盤上積累，使得刀盤溫度曲線的峰值持續(xù)升高。這種熱量積累是穩(wěn)定均勻的，相鄰溫度峰值之差保持在0.5 ℃左右。

4)盾構正常掘進時，刀盤溫度在30 ℃上下波動。當?shù)侗P形成泥餅和前方地質突變時，刀盤溫度會異常升高?？梢酝ㄟ^監(jiān)測刀盤溫度，預知泥餅形成或地質參數(shù)變化。通過向刀盤注入分散劑，并觀察刀盤溫度變化，可以區(qū)分出刀盤形成泥餅和前方地質突變2種情況。

本文所述刀盤溫度監(jiān)測系統(tǒng)只在盾構中心塊區(qū)域安裝了集成傳感器模塊，關于刀盤溫度數(shù)據(jù)的分析也只集中在溫度隨時間的變化規(guī)律上。因此，后續(xù)研究將考慮在刀盤主臂換刀室內安裝集成傳感器模塊，監(jiān)測整個刀盤的溫度變化，并分析刀盤溫度沿刀盤徑向的變化規(guī)律。同時，該系統(tǒng)只在常壓刀盤上進行了設計安裝，下一步將考慮運用在其他形式的刀盤上。