孫 恒, 楊 擎, 黃新淼, *, 李杰華, 張 赟

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司, 湖北 武漢 430040; 2. 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心, 湖北 武漢 430040; 3. 長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430040)

0 引言

目前,我國城市軌道交通行業(yè)仍然呈大規(guī)模快速發(fā)展趨勢,開通運(yùn)營的地鐵線路逐年遞增。截至2022年底,地鐵開通運(yùn)營總里程達(dá)到10 078 km[1]。盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)也在此期間得到了大力發(fā)展[2]。但刀盤結(jié)泥餅一直是盾構(gòu)施工中的重大難題之一,且目前尚無徹底解決刀盤結(jié)泥餅的技術(shù)方法[3]。泥餅形成的因素眾多,目前大致可總結(jié)為3類[4]： 工程地質(zhì)條件因素、盾構(gòu)刀盤設(shè)計因素和日常掘進(jìn)管理因素。工程中所使用的盾構(gòu)大多采用面板式刀盤,中心開口率低,為泥餅的形成提供了有利空間,尤其在強(qiáng)風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等黏土地層中更易結(jié)泥餅。泥餅的存在會造成刀盤刀具溫度上升,轉(zhuǎn)矩、推力增大,掘進(jìn)速度降低; 進(jìn)一步地,隨著溫度上升,又會加速渣土干結(jié),促進(jìn)泥餅產(chǎn)生,如此往復(fù)形成惡性循環(huán)[5]。

針對刀盤結(jié)泥餅難題,部分學(xué)者從盾構(gòu)刀盤設(shè)計方面入手[6-7],采取增大刀盤開口率、優(yōu)化刀具配置、增加刀盤沖刷口等措施,以期降低結(jié)泥餅的概率。另有學(xué)者從泥餅特性入手[8-12],采用室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)等方法,對泥餅固結(jié)原因、泥餅崩解特性等開展相關(guān)研究,并對分散劑、改良劑等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),以期在泥餅治理方面有所突破。泥餅形成后的顯著特點(diǎn)是刀盤刀具溫度升高[13],部分學(xué)者針對這一特點(diǎn)自主設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng),以期能實(shí)時監(jiān)測刀盤刀具結(jié)泥餅情況。例如: 房中玉[14]建立的大直徑泥水盾構(gòu)常壓刀盤溫度在線監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崟r監(jiān)測刀盤溫度變化,但傳感器系統(tǒng)安裝于刀盤背后,不便于供電及維修; 李東利等[15]設(shè)計的土艙可視化實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),通過攝像機(jī)實(shí)時監(jiān)測土艙的情況,但缺少對艙內(nèi)溫度的監(jiān)測; 孫志洪等[16]設(shè)計的滾刀磨損無線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),可對滾刀的磨損量及溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,但其僅適用于滾刀,且傳感器系統(tǒng)安裝在刀具上,供電及維修存在問題; 龔秋明等[17]設(shè)計的一套刀盤狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)也可對刀盤溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,但其通訊總線是通過滑環(huán)引出盾體隔板的,安裝難度較大,且維修困難; 吳遁[18]設(shè)計的盾構(gòu)切刀磨損與溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)可對切刀的溫度進(jìn)行監(jiān)測,但其需要在切刀上開設(shè)通孔,傳感器安裝難度較大,且持續(xù)監(jiān)測能力受電池電量的影響。

分析目前研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn): 1)刀盤刀具作為與前方巖土體接觸的第一道關(guān)卡,大多數(shù)學(xué)者更傾向于直接監(jiān)測刀盤刀具溫度的變化,但存在傳感器安裝難度大、信息失真、系統(tǒng)易損且維修難、持續(xù)供電難等問題。2)大多數(shù)工程中對于溫度的監(jiān)測僅是作為磨損監(jiān)測的一個補(bǔ)充項(xiàng)目,對其的重視程度弱于磨損、壓力等其他參數(shù)。3)工程中忽視了對土壓平衡盾構(gòu)刀盤前方渣土的溫度監(jiān)測。刀盤切削下來的渣土首先進(jìn)入土艙,然后通過螺旋輸送機(jī)排出,最后通過皮帶輸送機(jī)運(yùn)送到渣土車上,這3個環(huán)節(jié)的渣土溫度可反映出刀盤前方渣土的溫度變化。傳統(tǒng)方式為人工測量渣土斗內(nèi)溫度,測量誤差大,且費(fèi)時費(fèi)力,目前鮮有關(guān)于渣土溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究應(yīng)用。

為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足,本文設(shè)計了一套土壓平衡盾構(gòu)出渣溫度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),并在深圳地鐵6號線支線某工程中進(jìn)行應(yīng)用,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

1 總體設(shè)計

土壓平衡盾構(gòu)出渣溫度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)由溫度傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)3個部分組成,如圖1所示。

圖1 土壓平衡盾構(gòu)出渣溫度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)組成

傳感器系統(tǒng)安裝在土艙壁、螺旋機(jī)筒壁、出渣口和皮帶機(jī)中部4個位置。將溫度傳感器布設(shè)在這4個位置的優(yōu)勢為: 1)溫度傳感器均位于盾構(gòu)內(nèi)部,便于線路安裝及設(shè)備檢修; 2)與渣土接觸緊密 ,能夠真實(shí)反映渣土溫度; 3)將溫度傳感器分散布置,相較于傳統(tǒng)的集中安裝方式,可避免造成某一處監(jiān)測數(shù)據(jù)過高或過低。

數(shù)據(jù)傳輸采用CC-Link(control &communication link)網(wǎng)絡(luò)通訊,通過CC-Link專用電纜將三菱及其合作廠家分散的I/O模塊及特殊功能模塊等鏈接起來,并通過PLC的CPU來控制這些相應(yīng)模塊的分布式現(xiàn)場總線系統(tǒng)。與傳統(tǒng)電纜相比,CC-Link電纜的抗干擾能力較強(qiáng),數(shù)據(jù)傳輸更為可靠,適用于本系統(tǒng)分散布置的溫度傳感器系統(tǒng)。

處理系統(tǒng)采用三菱A/D模塊,一方面與CC-Link相連,使其具有更高效的數(shù)據(jù)傳輸速率; 另一方面與盾構(gòu)的控制系統(tǒng)相匹配,能夠支持DC24 V、4～20 mA的模擬量輸入,將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸?shù)蕉軜?gòu)CPU中,可在司機(jī)操作室界面中顯示。顯示系統(tǒng)內(nèi)接于盾構(gòu)操作室的PLC操作界面上,其主要作用是數(shù)據(jù)校驗(yàn)、顯示與存儲。與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)需要額外設(shè)置帶監(jiān)控軟件平臺的筆記本電腦相比,其具備實(shí)時監(jiān)測、查閱便捷等優(yōu)點(diǎn)。

2 分部設(shè)計

2.1 傳感器系統(tǒng)安裝

傳感器安裝是第1道工序。傳感器及相關(guān)線路的元件清單如表1所示。土艙壁、螺旋機(jī)筒壁的溫度傳感器采用一體化溫度變送器,其安裝螺紋規(guī)格為M27×2.0。為了不影響原有結(jié)構(gòu)的整體性,傳感器插入深度控制在10 mm。提前在土艙壁、螺旋機(jī)筒壁上不影響結(jié)構(gòu)功能處氣刨焊出安裝定位孔,以便一體化溫度變送器快速安裝在相應(yīng)位置,且需遵循“三不”原則,即“互不干擾、不影響施工、不易受損”。

表1 電控元件清單

出渣口和皮帶機(jī)中部由于位置較為特殊,這2處的溫度傳感器采用非接觸式溫度探頭+溫度變送器組合設(shè)計方式。皮帶機(jī)中部的溫度探頭可安裝在臺車桁架上。對于出渣口位置的溫度傳感器,為了防止渣土排出的壓力影響其測量精度和使用壽命,需要進(jìn)行針對性設(shè)計。

在出渣口外側(cè)壁上設(shè)計支架,將溫度傳感器設(shè)置在支架的端部,并在出渣口外側(cè)壁緊貼支架端部的位置設(shè)置孔洞,目的是使支架能夠從該孔中插入到出渣口內(nèi)部。為了實(shí)現(xiàn)支架的自由伸縮,在支架另一端裝有電機(jī)驅(qū)動螺桿帶動支架伸縮。為了防止檢測時上部渣土沖擊壓力過大毀壞支架,將支架上半斷面設(shè)置為半圓狀,可起到較好的導(dǎo)流作用,延長傳感器使用壽命。出渣口支架示意如圖2所示。

圖2 出渣口支架示意圖

2.2 發(fā)射與接收裝置安裝

在傳感器安裝布置完成之后,需要對信號的發(fā)射與接收裝置進(jìn)行設(shè)計安裝,其布設(shè)位置分為3處。第1處為土艙壁,采用新增CC-Link實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場通訊,遠(yuǎn)程分布式I/O控制,實(shí)現(xiàn)I/O點(diǎn)在控制對象附近,有利于設(shè)備故障的排查處理,土艙壁信號輸入如圖3所示。第2處為螺旋機(jī)筒壁,包含螺旋機(jī)筒壁和出渣口處的傳感器信號發(fā)射與接收,根據(jù)就近控制原則,采用內(nèi)接于拼裝平臺控制柜內(nèi)的CCL104實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場通訊,CH1—CH3作為備用輸入點(diǎn),具體如圖4所示。第3處為皮帶機(jī)中部,采用臺車JB控制箱內(nèi)的CCL224實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場通訊,CH6作為備用輸入點(diǎn),具體如圖5所示。將CC-Link遠(yuǎn)程I/O模擬量輸入到司機(jī)室副室的電氣箱內(nèi)模塊AJ65BT-64AD,完成數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)接收則采用三菱A/D模塊與盾構(gòu)的控制系統(tǒng)相匹配,能夠支持DC24 V、4～20 mA的模擬量輸入,將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸?shù)蕉軜?gòu)三菱CPU中,使其在盾構(gòu)操作室屏幕上顯示。

圖3 土艙壁信號輸入圖

圖4 螺旋機(jī)筒壁和出渣口信號輸入圖

圖5 皮帶機(jī)中部信號輸入圖

2.3 操作顯示界面

采集到的各個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)會以不同傳感器位置為編號索引按時間順序存入數(shù)據(jù)庫中。顯示系統(tǒng)內(nèi)接于盾構(gòu)操作室的操作界面上,在正常工作時,出渣溫度顯示系統(tǒng)會作為操作界面的一個小模塊,顯示在左下角,如圖6所示。盾構(gòu)司機(jī)可以點(diǎn)擊該區(qū)域進(jìn)入出渣溫度自動監(jiān)測顯示界面,實(shí)時查看各個監(jiān)測點(diǎn)位溫度的變化。

在進(jìn)入出渣溫度自動監(jiān)測顯示界面后,會顯示出4個測點(diǎn)的實(shí)時溫度,對土艙壁、螺旋機(jī)筒壁以及出渣口和皮帶機(jī)中部的平均溫度進(jìn)行計算并顯示,具體如圖7所示。當(dāng)需要查看各個測點(diǎn)的歷史溫度數(shù)據(jù)或歷史溫度變化曲線時,可以點(diǎn)擊圖標(biāo)切換到出渣溫度趨勢圖顯示界面(如圖8所示)或者在出渣溫度歷史數(shù)據(jù)查詢中進(jìn)行查看。

在進(jìn)入出渣溫度趨勢圖顯示界面后,整個顯示界面的下半部分會出現(xiàn)折線圖,在顯示界面左下部會出現(xiàn)不同測點(diǎn)的平均溫度選擇模塊,可選擇整體平均溫度進(jìn)行顯示,也可選擇任一測點(diǎn)的實(shí)時溫度進(jìn)行單獨(dú)顯示,同時儲存歷史溫度數(shù)據(jù),便于統(tǒng)計分析。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工程概況

深圳地鐵6號線支線某區(qū)間全長1 172.203 m,線路埋深為8.9～22.5 m,采用1臺復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)。

區(qū)間左線在里程ZDK1+775.000處下穿大陂河,大陂河為天然河道,河堤無深基礎(chǔ),與隧道豎向凈距最小約6.52 m,埋深6.0～7.5 m。

3.2 水文地質(zhì)情況

隧道主要穿越地層為〈3-3〉中砂、〈3-4〉礫砂、〈3-8〉粉質(zhì)黏土(硬塑)、〈6-2〉砂質(zhì)黏性土、〈9-1〉全風(fēng)化混合花崗巖、〈9-2-1〉強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖(土狀)、〈9-2-2〉強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖(半巖半土狀)。

場地范圍內(nèi)地表水較發(fā)育,主要受大陂河影響,該河流支流溝汊較多,呈樹枝狀發(fā)育,蜿蜒曲折。

3.3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該監(jiān)測系統(tǒng)的可行性,在始發(fā)后將其安裝于左線盾構(gòu)上,用于首次應(yīng)用調(diào)試。安裝完畢后與實(shí)際人工測量結(jié)果比對進(jìn)行,觀察界面顯示值與人工測量值之間的誤差。當(dāng)人工測量值與各個溫度傳感器的界面顯示值差距在0.5 ℃以內(nèi)時,可認(rèn)定該監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)具有真實(shí)性和可行性。

圖6 盾構(gòu)操作系統(tǒng)界面

圖7 出渣溫度監(jiān)測系統(tǒng)主界面

圖8 出渣溫度趨勢圖顯示界面

3.4 數(shù)據(jù)分析

在40 d的觀察期內(nèi),左線從第14環(huán)推進(jìn)至第133環(huán),期間無異常情況發(fā)生。通過觀察這120環(huán)內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化,可以得到不同點(diǎn)位的溫度差異性。

3.4.1 土艙壁溫度

將土艙左壁傳感器和右壁傳感器監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)分別繪制成折線圖,如圖9所示。由圖中可以看出:

1)土艙壁4處傳感器的溫度變化規(guī)律相同,但下部溫度普遍高于上部溫度1 ℃左右,原因主要是土艙內(nèi)的渣土在多數(shù)情況下未完全充滿于土艙內(nèi),且易聚集在土艙下部螺旋出土口處。

2)隨著環(huán)號的不斷增加,溫度呈上升趨勢,這主要是地層變化引起的。始發(fā)階段盾構(gòu)主要位于〈3-3〉中砂、〈3-4〉礫砂層,在70環(huán)后逐漸過渡到〈3-8〉粉質(zhì)黏土(硬塑)、〈6-2〉砂質(zhì)黏土層中。由于從砂性地層過渡到黏土地層時,現(xiàn)場渣土改良措施未及時調(diào)整,導(dǎo)致進(jìn)入黏土地層后出現(xiàn)出渣溫度升高的情況。

3.4.2 其他點(diǎn)位溫度

將螺旋機(jī)筒壁、出渣口和皮帶機(jī)中部的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)分別繪制成折線圖,如圖10所示。由圖可以看出,出渣口的溫度最高,螺旋機(jī)筒壁和皮帶機(jī)中部的溫度差別不大,皮帶機(jī)中部的渣土溫度略低于螺旋機(jī)筒壁處的渣土溫度。這是由于螺旋機(jī)筒壁有一定的厚度,對于熱的傳導(dǎo)有一定影響; 且渣土傳遞到皮帶機(jī)中部又會因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響而損耗掉一部分熱量。

(a) 土艙左壁

(b) 土艙右壁

3.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)異常情況分析

在整個監(jiān)測過程中,出現(xiàn)過1次監(jiān)測數(shù)據(jù)異常問題。在625環(huán)開始后監(jiān)測溫度開始逐漸上升(如圖11所示),且推進(jìn)轉(zhuǎn)矩開始增加,瞬時轉(zhuǎn)矩達(dá)到4 215 kN·m; 掘進(jìn)至626環(huán)后半環(huán)時監(jiān)測溫度達(dá)到50.2 ℃,推力為26 000 kN以上,瞬時轉(zhuǎn)矩達(dá)到5 124 kN·m。在此期間,通過監(jiān)測左線地表沉降發(fā)現(xiàn)大陂河堤4個監(jiān)測點(diǎn)的累計值和變化速率均達(dá)到紅色預(yù)警,ZDB95監(jiān)測斷面(626環(huán)位置)對應(yīng)的河堤處出現(xiàn)小面積塌陷,塌陷面積為3～5 m2。

圖10 螺旋機(jī)筒壁、出渣口和皮帶機(jī)中部傳感器監(jiān)測溫度折線圖

圖11 掘進(jìn)過程中每環(huán)最高溫度

在發(fā)生險情后,項(xiàng)目部立即停止施工,并采取措施從地面進(jìn)行注漿加固處理,在符合開艙條件后開艙查驗(yàn)刀盤,查驗(yàn)刀盤現(xiàn)場如圖12所示。從圖中可以看出,刀盤刀具結(jié)泥餅現(xiàn)象嚴(yán)重,刀箱被渣土完全遮擋,其中3把滾刀磨損較為嚴(yán)重,1把滾刀刀圈被磨完、1把滾刀刀齒被磨完、1把滾刀連續(xù)掉齒5顆。

(a) (b)

3.6 評判標(biāo)準(zhǔn)

全線盾構(gòu)出渣溫度監(jiān)測結(jié)果如圖13所示。由此可以得出黏土地層和全風(fēng)化巖層中根據(jù)出渣溫度評判土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)是否正常的標(biāo)準(zhǔn)(此處所指的出渣溫度主要以土艙下壁顯示溫度為主,其余部位顯示溫度作為驗(yàn)證),即當(dāng)出渣溫度<35 ℃時,屬于正常范圍;當(dāng)出渣溫度為35～45 ℃時,屬于警戒范圍,需要及時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)或渣土改良措施;當(dāng)出渣溫度>45 ℃,且通過上述措施無法明顯降低出渣溫度時,應(yīng)考慮刀盤刀具是否結(jié)泥餅,需選擇合適位置進(jìn)行開艙檢查。對于其他地層的評判標(biāo)準(zhǔn),可通過后續(xù)該系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)一步總結(jié)。

圖13 全線盾構(gòu)出渣溫度監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論與展望

將自主研發(fā)設(shè)計的一套土壓平衡盾構(gòu)出渣溫度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深圳地鐵6號線支線某工程中,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性,并對全線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了黏土地層和全風(fēng)化巖層中根據(jù)出渣溫度評判土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)是否正常的標(biāo)準(zhǔn),研究的主要結(jié)論如下。

1)在土艙壁布置的4個監(jiān)測點(diǎn)位中,下部監(jiān)測點(diǎn)位的溫度普遍高于上部點(diǎn)位。

2)整個監(jiān)測布置點(diǎn)中,土艙壁和出渣口的溫度普遍高于螺旋機(jī)筒壁和皮帶機(jī)中部的溫度。

3)土艙下壁溫度>土艙上壁溫度>出渣口溫度>螺旋機(jī)筒壁溫度>皮帶機(jī)中部溫度。當(dāng)部分監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；驓w零時,可參考其他監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行綜合判斷,并及時檢查線路或更換傳感器。

4)黏土地層和全風(fēng)化巖層中根據(jù)出渣溫度評判土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)是否正常的標(biāo)準(zhǔn)為: 當(dāng)出渣溫度<35 ℃時,屬于正常范圍; 當(dāng)出渣溫度為35～45 ℃時,屬于警戒范圍;當(dāng)出渣溫度>45 ℃時,屬于異常范圍,應(yīng)結(jié)合轉(zhuǎn)矩、推力、掘進(jìn)速度的變化綜合判斷刀盤刀具是否結(jié)泥餅。

本文設(shè)計的出渣溫度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)在應(yīng)用過程中也存在一些不足,例如需要人為控制系統(tǒng)的啟停,還未做到與盾構(gòu)掘進(jìn)和停機(jī)相結(jié)合,因此后續(xù)研究中考慮植入相應(yīng)程序做到與盾構(gòu)掘進(jìn)相匹配。目前,該系統(tǒng)僅應(yīng)用于1個工程,且未設(shè)置報警系統(tǒng),后續(xù)將系統(tǒng)推廣應(yīng)用于不同地層中,通過將不同地層參數(shù)值、不同程度的警戒值輸入本系統(tǒng),建立判斷刀盤結(jié)泥餅程度大小的故障診斷模型,并開發(fā)智能控制報警裝置,不斷完善土壓平衡盾構(gòu)出渣溫度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。