房中玉

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211800)

0 引言

盾構(gòu)法因其施工速度快、安全性高、施工環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在城市地下隧道施工中[1]。在掘進(jìn)過(guò)程中，隨著盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)與推進(jìn)，刀具會(huì)與開(kāi)挖面的土體相互作用并產(chǎn)生大量的熱量，再以熱傳導(dǎo)的形式將這些熱量傳遞給刀盤(pán)。刀盤(pán)溫度的異常升高會(huì)加劇刀盤(pán)磨損，減少刀盤(pán)的使用壽命并影響開(kāi)挖效率；嚴(yán)重時(shí)還會(huì)在刀盤(pán)局部區(qū)域引起較大的應(yīng)力集中，造成疲勞破壞[2]。正常工作情況下，盾構(gòu)刀盤(pán)上的最高溫度在40 ℃左右[3]；但在掘進(jìn)過(guò)程中，前方地質(zhì)的突變會(huì)導(dǎo)致刀盤(pán)溫度的異常升高，從而加快渣土的干結(jié)速度，造成泥餅的形成[4]。隨著泥餅的增大，又會(huì)加劇刀盤(pán)熱量積累，使得刀盤(pán)溫度進(jìn)一步升高。刀盤(pán)溫度的升高，容易產(chǎn)生局部燒傷、刀盤(pán)材料屬性的變化等現(xiàn)象[5-6]。當(dāng)?shù)侗P(pán)溫度高于50 ℃時(shí)，刀盤(pán)邊緣局部將出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中[4]。隨著刀盤(pán)溫度的急劇升高，溫度最高的刀盤(pán)中心位置會(huì)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象[7]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀盤(pán)溫度的變化情況十分重要。

當(dāng)前，關(guān)于刀盤(pán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究，主要集中在刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)與刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)上。Lan等[8-9]利用渦流傳感器建立了一套滾刀轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。任德志等[10]和李東利等[11]將電渦流傳感器應(yīng)用于盾構(gòu)滾刀磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。王少華等[12]利用應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)了一種滾刀受力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。張曉波等[13]將滾刀磨損監(jiān)測(cè)、刮刀磨損監(jiān)測(cè)和刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)合在一起，建立了一套刀具磨損與刀盤(pán)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前還鮮有關(guān)于刀盤(pán)溫度監(jiān)測(cè)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(gòu)常壓刀盤(pán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)分析采集的刀盤(pán)溫度數(shù)據(jù)，研究刀盤(pán)溫度的變化規(guī)律，以期對(duì)刀盤(pán)溫度異常變化做出判斷，從而對(duì)刀盤(pán)異常情況和地質(zhì)變化做出預(yù)警。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤(pán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共包括3個(gè)部分，分別是集成傳感器模塊、無(wú)線接收模塊和帶有在線溫度監(jiān)控軟件平臺(tái)的筆記本電腦，如圖1所示。

其中，集成傳感器模塊由無(wú)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(cè)量刀盤(pán)溫度時(shí)，需要將傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)的刀盤(pán)背面，這使得傳感器的數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)線傳送到后方的主機(jī)上。若使用旋轉(zhuǎn)接頭傳輸數(shù)據(jù)，信號(hào)容易受到干擾，傳輸也不穩(wěn)定，且需定制旋轉(zhuǎn)接頭，實(shí)施難度大。目前，選用無(wú)線傳輸是解決這個(gè)問(wèn)題的最好方法。ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)具有較好的抗干擾能力[14]。它提供基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這使得ZigBee在許多隧道工程中得到應(yīng)用[15-16]。本文選用基于MSP430處理器的433-LORA無(wú)線通信模組作為無(wú)線傳輸模塊。在發(fā)送信號(hào)時(shí)，每個(gè)集成傳感器模塊都有一個(gè)特定的地址，但所有的集成傳感器共用一個(gè)無(wú)線接收模塊。根據(jù)對(duì)杭州望江路過(guò)江隧道的初步調(diào)查，在掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)溫度一般在20～30 ℃。因此，選用了測(cè)溫范圍為-55～120 ℃的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。為了提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)集成傳感器模塊包含有5個(gè)數(shù)字式溫度傳感器，并以這5個(gè)數(shù)字式溫度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為該模塊的刀盤(pán)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖1 大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤(pán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

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

每個(gè)集成傳感器模塊包括5個(gè)數(shù)字式溫度傳感器、1個(gè)3.8 V電池和1個(gè)無(wú)線傳輸模塊。集成傳感器模塊預(yù)先安裝在設(shè)計(jì)好的鋁合金板上，如圖2(a)所示。底座上的凸臺(tái)不僅易于傳感器的定位，而且能讓傳感器更近地接觸刀盤(pán)，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(guò)程中用密封膠將各元件密封。焊接在刀盤(pán)背面的鋁合金底座如圖2(b)所示。傳感器安裝完成后，通過(guò)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(dǎo)，提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 現(xiàn)場(chǎng)安裝

2.1 工程介紹

浙江省杭州市望江路過(guò)江隧道工程由北岸秋濤路起，沿望江路，穿越錢(qián)塘江，至南岸江暉路，止于江南大道，全長(zhǎng)1 835.84 m，如圖3所示。施工地層主要包括粉質(zhì)黏土和粉砂層。采用1臺(tái)大直徑泥水盾構(gòu)，配備有直徑11.64 m常壓刀盤(pán)。刀盤(pán)由1個(gè)中心塊和5個(gè)刀盤(pán)主臂組成。中心塊和刀盤(pán)主臂內(nèi)部為中空的換刀室，由門(mén)隔開(kāi)。只有中心塊的換刀室可以實(shí)現(xiàn)常壓下?lián)Q刀。

(a) 傳感器

(b) 鋁合金底座

圖3 望江路過(guò)江隧道位置示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝

集成傳感器模塊需要緊貼刀盤(pán)安裝，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)胶蠓?。由于盾?gòu)作業(yè)時(shí)，刀盤(pán)主臂換刀室的門(mén)必須關(guān)閉，信號(hào)會(huì)被屏蔽，只有中心塊換刀室的門(mén)可以打開(kāi)，因此將集成傳感器模塊安裝在中心塊的背面，緊貼刀盤(pán)的空余位置，如圖4所示。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將換刀室內(nèi)的檢修孔打開(kāi)，避免傳輸數(shù)據(jù)受到屏蔽影響。無(wú)線接收裝置安裝在臺(tái)架上，并通過(guò)電纜連接到放置在主控制室中的筆記本電腦上。通過(guò)這種方法，確保刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)不會(huì)影響到信號(hào)傳輸。電腦上的軟件平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示集成傳感器模塊的7個(gè)參數(shù)(包括序列號(hào)、5個(gè)溫度值和設(shè)備電壓值)。為了提高信噪比水平，以每個(gè)集成傳感器模塊中的5個(gè)數(shù)字式溫度傳感器數(shù)據(jù)的平均值作為該模塊測(cè)量的最終溫度值。除了測(cè)量刀盤(pán)溫度外，該系統(tǒng)還可以監(jiān)測(cè)每個(gè)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(pán)上的安裝位置

3 測(cè)試結(jié)果

2018年4—6月，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)刀盤(pán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完畢后，對(duì)刀盤(pán)溫度進(jìn)行了持續(xù)2個(gè)月的監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀盤(pán)溫度變化，穩(wěn)定性好。

3.1 短時(shí)間溫度數(shù)據(jù)分析

4月10日，泥水盾構(gòu)向前掘進(jìn)了2環(huán)，平均掘進(jìn)速度為24 mm/min。為了分析刀盤(pán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)有效性，用3個(gè)傳感器模塊以1 min為時(shí)間間隔測(cè)量刀盤(pán)溫度。

如圖5所示，3個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度在23～26 ℃，接近隧道溫度。刀盤(pán)溫度變化在3 ℃以內(nèi)，說(shuō)明刀盤(pán)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。隨著泥水盾構(gòu)開(kāi)始掘進(jìn)，測(cè)量點(diǎn)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(dá)到25.26 ℃和25.9 ℃。當(dāng)掘進(jìn)停止、開(kāi)始拼裝管片時(shí)，3個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度又逐漸降低。

圖5 2018年4月10日測(cè)量刀盤(pán)溫度

掘進(jìn)過(guò)程中，P1、P2和P3處的溫度快速升高，這是刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)刀具與土壤摩擦產(chǎn)生熱量造成的。掘進(jìn)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(jìn)漿管道將新調(diào)制的泥漿送入刀盤(pán)艙，而排漿管道將開(kāi)挖產(chǎn)生的淤泥排出刀盤(pán)艙，造成刀盤(pán)艙熱量損失。通過(guò)進(jìn)、排漿管道循環(huán)，使得刀盤(pán)溫度逐漸降低。由此可見(jiàn)，盾構(gòu)正常工作時(shí)，刀盤(pán)溫度呈周期變化，并且與盾構(gòu)工作流程相匹配。

3.2 長(zhǎng)時(shí)間溫度數(shù)據(jù)分析

4月9—19日，泥水盾構(gòu)的掘進(jìn)地層為松散的粉土和砂層，平均掘進(jìn)速度為26 mm/min。掘進(jìn)期間，地質(zhì)參數(shù)沒(méi)有明顯變化。

為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，每隔15 min記錄一次溫度值，記作1個(gè)時(shí)間步，如圖6所示。從圖中可以看出，P1、P2和P3的溫度在每個(gè)開(kāi)挖環(huán)上都有顯著變化，而空轉(zhuǎn)時(shí)的溫度幾乎是穩(wěn)定的。在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)試驗(yàn)中，每個(gè)明顯的溫度峰值都對(duì)應(yīng)著盾構(gòu)掘進(jìn)的1個(gè)周期。在盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)最高溫度逐漸升高，最大值達(dá)到26 ℃。從圖中時(shí)間步800～1 100段可以看出，溫度持續(xù)升高是連續(xù)掘進(jìn)的熱量累積引起的。相鄰溫度峰值之差保持在0.5 ℃左右，說(shuō)明溫度在刀盤(pán)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?chē)h(huán)境影響，穩(wěn)定可靠地監(jiān)測(cè)刀盤(pán)溫度。

圖6 2018年4月9—19日測(cè)量刀盤(pán)溫度

3.3 異常溫度數(shù)據(jù)分析

在測(cè)試過(guò)程中，出現(xiàn)了2次刀盤(pán)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(pán)溫度異常升高出現(xiàn)在496環(huán)處，并在499環(huán)處達(dá)到最高溫度；隨后刀盤(pán)溫度急速下降，在500環(huán)處恢復(fù)到正常水平。第2次刀盤(pán)溫度異常升高出現(xiàn)在516環(huán)處，并在519環(huán)處達(dá)到最高溫度；隨后刀盤(pán)溫度緩慢下降。在這2次異常情況中，刀盤(pán)最高溫度都超過(guò)了70 ℃，是正常掘進(jìn)溫度的2倍以上。

第1次出現(xiàn)溫度異常升高時(shí)，進(jìn)入盾構(gòu)刀盤(pán)內(nèi)檢查，確認(rèn)刀盤(pán)有泥餅形成。為了消除泥餅，向刀盤(pán)內(nèi)注入1 t分散劑，并轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)。在499環(huán)之后盾構(gòu)掘進(jìn)中，刀盤(pán)溫度急速下降并恢復(fù)到正常掘進(jìn)溫度，盾構(gòu)正常工作。

(a) 第1次

(b) 第2次

圖7 2次刀盤(pán)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(shí)，同樣進(jìn)入盾構(gòu)刀盤(pán)內(nèi)檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泥餅形成，但前方地質(zhì)條件發(fā)生了變化。由此可見(jiàn)，這次溫度異常升高是巖層變硬使刀具產(chǎn)熱增加，但盾構(gòu)沒(méi)有及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)應(yīng)對(duì)地質(zhì)變化造成的。在對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，刀盤(pán)溫度略有下降。

結(jié)果表明，該大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤(pán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)刀盤(pán)溫度，可以有效地反映刀盤(pán)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤(pán)溫度異常的預(yù)警。

4 結(jié)論與討論

本文建立了一套大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤(pán)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了短時(shí)間溫度數(shù)據(jù)、長(zhǎng)時(shí)間溫度數(shù)據(jù)和異常溫度數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。結(jié)論如下：

1)該系統(tǒng)能夠不受信號(hào)屏蔽和泥水盾構(gòu)掘進(jìn)的干擾采集刀盤(pán)溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀盤(pán)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的可行性、可靠性和耐久性。

2)盾構(gòu)單環(huán)掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)溫度呈周期性變化，并且與盾構(gòu)的工作流程相匹配。正常情況下，盾構(gòu)單環(huán)掘進(jìn)的刀盤(pán)溫度變化范圍在3 ℃以內(nèi)。

3)盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)產(chǎn)生的熱量會(huì)在刀盤(pán)上積累，使得刀盤(pán)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(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)溫度在30 ℃上下波動(dòng)。當(dāng)?shù)侗P(pán)形成泥餅和前方地質(zhì)突變時(shí)，刀盤(pán)溫度會(huì)異常升高?？梢酝ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)刀盤(pán)溫度，預(yù)知泥餅形成或地質(zhì)參數(shù)變化。通過(guò)向刀盤(pán)注入分散劑，并觀察刀盤(pán)溫度變化，可以區(qū)分出刀盤(pán)形成泥餅和前方地質(zhì)突變2種情況。

本文所述刀盤(pán)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只在盾構(gòu)中心塊區(qū)域安裝了集成傳感器模塊，關(guān)于刀盤(pán)溫度數(shù)據(jù)的分析也只集中在溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律上。因此，后續(xù)研究將考慮在刀盤(pán)主臂換刀室內(nèi)安裝集成傳感器模塊，監(jiān)測(cè)整個(gè)刀盤(pán)的溫度變化，并分析刀盤(pán)溫度沿刀盤(pán)徑向的變化規(guī)律。同時(shí)，該系統(tǒng)只在常壓刀盤(pán)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)安裝，下一步將考慮運(yùn)用在其他形式的刀盤(pán)上。