滾刀狀態(tài)實時診斷技術(shù)在超大直徑泥水盾構(gòu)中的應(yīng)用——以汕頭蘇埃通道為例

魏曉龍，林福龍，孟祥波，周樹亮，郭俊可

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

盾構(gòu)刀具在同樣進尺條件下,其磨損長度與刀具配置部位半徑成正比,隨著盾構(gòu)直徑的增大,刀具軌跡長度增加,刀具磨損加劇[1]。以汕頭蘇埃通道工程為例，采用15 m超大直徑泥水盾構(gòu)施工，穿越淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混沙、砂層及中風化花崗巖等地層，刀具磨損速度快；同時，隧道盾構(gòu)段存在3段硬巖突起，刀盤刀具受力非常不穩(wěn)定，刀具異常損壞概率極大[2-4]。此外，常壓刀盤雖然可以極大提高換刀效率和作業(yè)安全性[5]，但刀盤開口率小，易導致泥餅粘結(jié)、滾刀堵轉(zhuǎn)，進而造成滾刀磨損加速以及偏磨?；谝陨显?，需要對全盤滾刀進行不間斷監(jiān)測，為判斷刀具狀態(tài)與更換刀具提供依據(jù)。

國外對于掘進機的刀具實時監(jiān)測研究較早，代表性的有海瑞克公司研制的DCRM滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng),可實現(xiàn)滾刀旋轉(zhuǎn)和溫度狀態(tài)監(jiān)測，已在土耳其伊斯坦布爾海峽公路隧道、佛莞城際獅子洋隧道等多個項目應(yīng)用，并取得了一定的效果。美國羅賓斯公司研制的RDCM刀具監(jiān)測系統(tǒng)，能實現(xiàn)掘進過程中滾刀旋轉(zhuǎn)、溫度、振動實時監(jiān)測，已在加拿大尼亞加拉隧道等項目中進行了應(yīng)用。

國內(nèi)對于掘進機滾刀實時監(jiān)測也開展了較多研究。夏毅敏等[6]發(fā)明了一種電感式位移傳感器；張斌等[7]發(fā)明了一種基于平行激光光路通斷的TBM滾刀磨損量在線檢測裝置；任德志等[8]采用電渦流傳感器設(shè)計一種盾構(gòu)滾刀磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)；劉泉聲等[9]在滾刀周邊預(yù)置永磁鐵，通過監(jiān)測變化的磁場實現(xiàn)滾刀磨損量測量等。上述研究主要圍繞硬巖掘進機和土壓盾構(gòu)，且多為小批量試驗，對于大批量傳感器在極端復(fù)雜工況下的長期可靠工作有待進一步論證。

國內(nèi)針對泥水常壓刀盤盾構(gòu)的刀具實時監(jiān)測研究較少，本文結(jié)合前期研究成果，重點討論如何在大直徑常壓刀盤上實現(xiàn)全部滾刀實時監(jiān)測(以蘇埃通道中鐵306號盾構(gòu)為例，共計78把滾刀)，以及根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)如何進行滾刀狀態(tài)判斷，最終基于大量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)掌子面地質(zhì)反演判斷，以期為大直徑泥水盾構(gòu)高效掘進保駕護航。

1 刀具監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

滾刀監(jiān)測裝置示意如圖1所示。刀筒內(nèi)設(shè)計了一體式轉(zhuǎn)速及溫度傳感器和磨損傳感器，可實現(xiàn)滾刀轉(zhuǎn)速、溫度和磨損量的實時監(jiān)測，傳感器信號通過電纜傳輸至刀筒外部的數(shù)據(jù)采集與無線發(fā)送裝置。

其中，一體式轉(zhuǎn)速及溫度傳感器安裝在滾刀刀座上，兩側(cè)的傳感器探頭內(nèi)設(shè)計有旋轉(zhuǎn)感應(yīng)裝置和溫度測量裝置，利用滾刀旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的周期性信號脈沖，實現(xiàn)雙軸雙刃滾刀獨立的旋轉(zhuǎn)監(jiān)測。裝置設(shè)計上2組傳感器共用1根電纜，節(jié)省了刀筒內(nèi)部空間，提高了可靠性。滾刀旋轉(zhuǎn)傳感器及周期性脈沖波形如圖2所示。通過測量脈沖周期t，可以計算滾刀旋轉(zhuǎn)1周所用時間以及滾刀實時轉(zhuǎn)速。

圖1 滾刀監(jiān)測裝置示意圖Fig.1 Sketch of monitoring device for disc cutter

(a)滾刀旋轉(zhuǎn)傳感器

對于滾刀磨損量的監(jiān)測，選用非接觸式電渦流傳感器[10]，通過記錄刀刃與傳感器之間不同距離對應(yīng)的電流信號，獲得適用于滾刀磨損量測量的標定曲線，實現(xiàn)磨損量監(jiān)測。通過實測驗證，測量環(huán)境不受泥漿渣土等非金屬介質(zhì)的影響。電渦流傳感器標定過程和標定曲線如圖3所示。

為了滿足超大直徑常壓刀盤的使用要求，同時盡可能地降低刀盤內(nèi)的布線復(fù)雜程度，每個刀筒均配置獨立的數(shù)據(jù)采集與無線發(fā)送裝置，并在刀盤內(nèi)部配置數(shù)據(jù)接收裝置，負責完成整個刀盤全部刀筒數(shù)據(jù)的無線接收，然后將數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控室的監(jiān)控計算機進行記錄與分析。數(shù)據(jù)采集與無線發(fā)送裝置如圖4所示。

(a)電渦流傳感器標定過程

圖4 數(shù)據(jù)采集與無線發(fā)送裝置Fig.4 Data acquisition and wireless transceiver

2 監(jiān)控數(shù)據(jù)分析與刀具狀態(tài)識別

滾刀監(jiān)測數(shù)據(jù)通過接收裝置統(tǒng)一發(fā)送到主控室的監(jiān)控計算機上。監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計，由主測量模塊、歷史信息檢索模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊等組成，不同的模塊可實現(xiàn)不同功能的管理和應(yīng)用。軟件接收的數(shù)據(jù)除滾刀狀態(tài)信息外，還包括盾構(gòu)掘進參數(shù)，如刀盤角度、刀盤轉(zhuǎn)速、推進力、掘進環(huán)號等，共同完成對滾刀狀態(tài)的分析。

2.1 滾刀磨損監(jiān)測與輪廓磨損分析

為了準確計算刀刃的實際磨損量，需要對每把新安裝的滾刀記錄刀刃與傳感器之間的初始距離d0；在掘進過程中，實時獲取刀刃與傳感器之間的距離d1，則滾刀的刀刃磨損量Δ=d1-d0。滾刀磨損實時曲線如圖5所示，橫軸表示測量時間，縱軸表示對應(yīng)時刻的磨損量。由圖可知，刀刃在掘進過程中的磨損呈變大趨勢，通過該趨勢可進一步預(yù)測刀具使用壽命。

圖5 滾刀磨損實時曲線(2019年)Fig.5 Real-time wear curve of disc cutter (in 2019)

掘進過程中滾刀極易發(fā)生偏磨，滾刀偏磨數(shù)據(jù)特征及拆刀后的偏磨情況如圖6所示。由數(shù)據(jù)曲線可知，實時磨損量連續(xù)發(fā)生10 mm左右的突變，且旋轉(zhuǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，拆刀后滾刀刀圈2處發(fā)生偏磨。

(a)滾刀偏磨數(shù)據(jù)特征(2018年)

需要注意的是，磨損監(jiān)測裝置同一時刻只能對滾刀刀刃上的單點進行磨損量測量，且伴隨著滾刀的旋轉(zhuǎn)，測量點時刻在發(fā)生變化。為了進一步獲得滾刀圓周方向上不同位置的準確磨損量，借助旋轉(zhuǎn)測量過程中刀體上預(yù)留的標記點，將刀圈均勻分隔為n個象限。磨損監(jiān)測裝置在每個旋轉(zhuǎn)測量脈沖時刻完成1次磨損量測量，并根據(jù)最近2個脈沖時刻計算滾刀實時轉(zhuǎn)速ω，預(yù)測下一脈沖到來時刻，在下一脈沖到來之前，完成2次磨損量測量，如此反復(fù)。根據(jù)上述方法，整個滾刀在旋轉(zhuǎn)1周的過程中可以完成3n次磨損測量，根據(jù)這些測量結(jié)果可以擬合出滾刀刀圈輪廓磨損曲線，更準確地判斷滾刀磨損狀態(tài)。滾刀輪廓磨損曲線如圖7所示。

圖7 滾刀輪廓磨損曲線Fig.7 Profile wear curve of disc cutter

2.2 滾刀實時“轉(zhuǎn)速比”分析

滾刀旋轉(zhuǎn)狀態(tài)是滾刀能否正常工作以及更換滾刀的一個十分重要的依據(jù)。根據(jù)上文闡述的蘇埃通道西線盾構(gòu)配置的滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測原理，可以直接獲得滾刀的實時轉(zhuǎn)速ω。但是考慮到整個刀盤直徑超過15 m，最內(nèi)側(cè)軌跡的中心刀和最外側(cè)軌跡的邊刀因為半徑相差較大，同樣的刀盤轉(zhuǎn)速下滾刀線速度及角速度差別較大。以刀盤轉(zhuǎn)速1.5 r/min，最內(nèi)側(cè)的43.18 cm(17英寸)中心刀軌跡半徑140 mm，最外側(cè)的48.26 cm(19英寸)邊刀軌跡半徑7 515 mm為例，中心刀和邊刀理論轉(zhuǎn)速分別為0.97 r/min和46.71 r/min。由此可以看到不同位置滾刀理論轉(zhuǎn)速差別較大，直接導致監(jiān)測系統(tǒng)的報警閾值無法統(tǒng)一?；谏鲜鲈?，提出以“轉(zhuǎn)速比”的概念對滾刀旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進行評價，并應(yīng)用到了蘇埃通道西線盾構(gòu)掘進中。

滾刀“轉(zhuǎn)速比”為實時轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速之比。實時轉(zhuǎn)速為監(jiān)測裝置測量轉(zhuǎn)速，理論轉(zhuǎn)速通過刀盤轉(zhuǎn)速、滾刀所在軌跡半徑、滾刀直徑實時計算得到?！稗D(zhuǎn)速比”參數(shù)相對于實時轉(zhuǎn)速參數(shù)，更能體現(xiàn)滾刀旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以把所有滾刀旋轉(zhuǎn)狀態(tài)統(tǒng)一到“0～100%”內(nèi)(滾刀為被動旋轉(zhuǎn)，正常情況下實際轉(zhuǎn)速不會超過理論轉(zhuǎn)速)，對于報警閾值設(shè)置也會更加合理。滾刀轉(zhuǎn)速比實時曲線如圖8所示。由圖可知，不同軌跡滾刀正常狀態(tài)下轉(zhuǎn)速比均在100%上下波動。

2.3 滾刀溫度異常與刀盤區(qū)域溫度異常分析

隨著盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動與推進，刀具會與開挖面的土體相互作用并產(chǎn)生大量的熱量，再以熱傳導的形式將這些熱量傳遞給刀盤，加劇刀盤磨損[11]。蘇埃通道西線盾構(gòu)每個刀筒內(nèi)均配置了溫度監(jiān)測裝置，可以對因滾刀異常損壞、刀筒積渣堵轉(zhuǎn)、滾刀偏磨等原因引起的溫度異常升高進行監(jiān)控，結(jié)合旋轉(zhuǎn)、磨損監(jiān)測，提高對滾刀狀態(tài)判斷的準確性。滾刀溫度與旋轉(zhuǎn)異常曲線如圖9所示。由圖可知，掘進過程中監(jiān)測到滾刀溫度異常升高，伴隨的還有滾刀旋轉(zhuǎn)異常，且旋轉(zhuǎn)異常發(fā)生在溫度異常之前，綜合判斷為滾刀旋轉(zhuǎn)異常導致的磨損加劇。

圖中數(shù)字為環(huán)號。下同。圖8 滾刀轉(zhuǎn)速比實時曲線(2020年)Fig.8 Real-time curves of speed ratio of disc cutter (in 2020)

圖9 滾刀溫度與旋轉(zhuǎn)異常曲線(2020年)Fig.9 Abnormal curves of temperature and rotation of disc cutter (in 2020)

另外，通過對整個刀盤全部滾刀進行溫度監(jiān)測，可以有效判斷因刀盤結(jié)泥餅導致的區(qū)域溫度升高情況。多把滾刀溫度異常升高曲線如圖10所示。結(jié)合刀盤刀具布置圖可知，發(fā)生溫度異常升高的滾刀集中在同一個刀梁上，因此，可以判斷該刀梁大概率發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象。

圖10 多把滾刀溫度異常升高曲線(2020年)Fig.10 Abnormal temperature rise curves of several disc cutters(in 2020)

后續(xù)通過多把滾刀的抽檢，進一步驗證了刀筒確實存在嚴重積渣與結(jié)泥餅的現(xiàn)象。刀具溫度異常升高區(qū)域及刀筒積渣情況如圖11所示。

(a)刀具溫度異常升高區(qū)域

3 掌子面實時感知技術(shù)

滾刀在掘進過程中的狀態(tài)，包括旋轉(zhuǎn)、受力等，很大層面是由地質(zhì)決定的。在超大直徑常壓刀盤盾構(gòu)中，全部滾刀實現(xiàn)狀態(tài)實時監(jiān)測，為掘進機實時感知掌子面地質(zhì)提供了可能性。在蘇埃通道西線盾構(gòu)掘進過程中，基于獲取的滾刀實時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和刀盤角度數(shù)據(jù)，探索性地研究了掌子面地質(zhì)實時感知技術(shù)，并取得了一定的成果。

3.1 單把滾刀轉(zhuǎn)速分布圖

在采集滾刀轉(zhuǎn)速比數(shù)據(jù)時，監(jiān)控軟件同步記錄了采集時刻的刀盤角度，并計算出該把滾刀實時角度位置。利用極坐標的方式，將每組轉(zhuǎn)速比數(shù)據(jù)和采集時的角度位置關(guān)聯(lián)起來，顯示了滾刀在隨著刀盤旋轉(zhuǎn)時不同位置的轉(zhuǎn)速比信息。依據(jù)此信息，可以大致分析出在該軌跡范圍內(nèi)不同角度的地質(zhì)信息，特別適用于上軟下硬地層、溶洞地層等。圖12(a)示出全斷面地質(zhì)滾刀轉(zhuǎn)速比分布，圖12(b)示出基巖凸起地質(zhì)滾刀轉(zhuǎn)速比分布。

轉(zhuǎn)速分布圖表達了滾刀跟隨刀盤旋轉(zhuǎn)時在不同位置的轉(zhuǎn)速大小特征，可結(jié)合地質(zhì)情況進一步提高刀具狀態(tài)判斷準確率。例如：在上軟下硬地層，下部硬巖地層能夠?qū)L刀提供足夠的支撐力，從而保證滾刀正常旋轉(zhuǎn)；上部軟土地層因不能提供足夠的支撐力，所以滾刀無法正常旋轉(zhuǎn)。因此，滾刀旋轉(zhuǎn)分布圖應(yīng)該是下部轉(zhuǎn)速正常，上部轉(zhuǎn)速較低，只有滾刀旋轉(zhuǎn)分布圖下部轉(zhuǎn)速較低，才可以判斷滾刀狀態(tài)異常。

(a)全斷面地質(zhì)滾刀轉(zhuǎn)速比分布圖

3.2 完整掌子面地質(zhì)感知

通過對單把滾刀的轉(zhuǎn)速分析，獲得該軌跡下不同角度的轉(zhuǎn)速特征值，匯總所有滾刀全部軌跡內(nèi)的轉(zhuǎn)速特征值，就可以得到整個開挖面地質(zhì)狀態(tài)圖。蘇埃通道西線基巖凸起段地質(zhì)狀態(tài)如圖13所示。同心圓即所有滾刀在開挖面上的軌跡線，匯總所有滾刀不同角度的轉(zhuǎn)速特征值，并以不同顏色區(qū)分，就可以得到掌子面地質(zhì)狀態(tài)圖。圖中下部紅色區(qū)域為基巖凸起范圍，可完成基巖凸起高度及分布位置的準確判斷，幫助盾構(gòu)司機進一步優(yōu)化掘進參數(shù)。

#左側(cè)為滾刀軌跡編號，右側(cè)為該滾刀在選定時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速比。圖13 蘇埃通道西線基巖凸起段地質(zhì)狀態(tài)圖Fig.13 Geological state of bedrock uplift on western route of Su′ai channel tunnel

4 結(jié)論與討論

通過在汕頭蘇埃通道超大直徑泥水盾構(gòu)批量應(yīng)用刀具監(jiān)測技術(shù)，證明本文所提出的設(shè)計方案基本可行，所監(jiān)測的數(shù)據(jù)能夠有效判斷滾刀狀態(tài)，為及時更換滾刀提供依據(jù)；由滾刀監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到的掌子面地質(zhì)信息，在基巖凸起段也得到了較好印證，為判斷地質(zhì)狀態(tài)、優(yōu)化掘進參數(shù)提供了依據(jù)。

不過，在項目始發(fā)及掘進前期，由于對常壓刀盤及刀筒內(nèi)工況認識不足，刀筒內(nèi)檢測裝置出現(xiàn)頻繁損壞現(xiàn)象，后期經(jīng)過不斷加強結(jié)構(gòu)耐磨設(shè)計等措施，逐步提高了結(jié)構(gòu)的可靠性，最終達到滿足現(xiàn)場使用要求。下一步，項目團隊在進一步提高傳感器可靠性的基礎(chǔ)上，將重點研究基于刀具監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能診斷技術(shù)，以及基于多源數(shù)據(jù)的地質(zhì)精確感知技術(shù)。