盾构刀具磨损超声波检测技术研究

SHANG Wei,WANG Bai-quan

(中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院，广东 广州 511455)

在隧道及地下工程建设领域，盾构法施工具有快速、安全的优点，已经成为城市地铁隧道一种主要的施工方法。盾构刀具磨损是盾构法施工过程无法避免的问题，当出现刀具过度磨损时，通常会导致盾构掘进量降低、卡盾、机械性损毁等施工风险，延误施工周期。盾构刀具修复时需要在停机位置前端的地表进行地层加固，然后在掌子面开挖刀具的修复空间，进行盾构刀具带压进舱修复。当盾构刀具磨损发生在繁忙路段、密集建筑区或江河湖底等特殊位置时，修复作业将会变得十分困难。如果能即时掌握盾构刀具的磨损状态，便可以提前确定换刀位置，有效避免在特殊位置的停机，对于保障盾构顺利掘进，降低施工成本和风险具有较大的意义。掌握盾构刀具磨损过程信息，对于优化盾构掘进参数,建立盾构法施工数据库，特别是对于软硬不均等盾构刀具磨损过快的地层，同样具有重要的意义。

目前盾构刀具磨损检测技术分为液压检测、气体检测、掘进参数分析法和电气检测法。液压检测和气体检测只能用于磨损量极限检测：只有当磨损量达到设计值时才能够检测到压力下降，或者是刺激性气体。这两种方法无法准确判断是哪把刀具出现过度磨损，液压法油管数量受盾构中心回转体尺寸影响较大，在土压盾构和泥水盾构中，气体检测法使用效果并不理想[1]。掘进参数分析法和电气检测法可用于连续检测。张明富等人[2]使用掘进参数分析法对磨损系数和单一掘进参数之间的关系进行了初步分析，但检测结果准确性不高。超声波检测技术是电气检测法中一种主要的方法。超声波检测方法能够实现在线连续检测，可以实现多点检测，是一种广泛使用的无损检测技术。何峰[3]等人公布了采用蓝牙技术实现信号传输的超声波检测装置，但是蓝牙技术工作频率为2.5GHz，穿越碴土的绕射能力差，信号接收不可靠。王光辉、吕瑞虎[4]采用RS-485的形式传输信号，取得较好的室内试验效果，但是该方法涉及到盾构中心回转体的改造、布线困难、电滑环长期使用有磨损等问题，限制了其实际应用价值。

1 超声波检测技术

超声波是指振动频率高于20kHz的声波，在均匀弹性介质中传播时，方向性好、穿透力强，具有波的干涉、反射等特性。超声波检测原理有多种形式，根据使用场合和使用要求，本文使用的是脉冲法检测原理如图1所示。超声波传感器发出的超声波经过耦合剂传入待测体，入射波遇到待测体界面时产生反射波，反射波经过耦合剂传入超声波传感器，记录下超声波从发射到接收所经历的时间，使用公式(1)即可得到超声波的检测距离。

式中s——超声波的检测距离，m；

v—— 待测体中超声波的传播速度，m/s，可通过实验确定；

t—— 超声波从发射到接收所用时间，s，可采用数码管指示法确定。

图1 超声波脉冲法检测原理

耦合剂用于排除传感器和待测体之间的空气，减少界面杂波的影响，使更多的能量传入待测体，提高检测精度，常用的耦合剂有机油、水玻璃、甘油等。在检测时，超声波传感器应压紧待测体的表面，因而耦合剂的厚度通常较小，对检测结果影响较小时，可将其忽略，认为超声波传感器检测的距离即为待测体的厚度。

盾构刀具有多种类型，如滚刀、切刀、撕裂刀、中心鱼尾刀等，根据盾构刀具的结构和安装形式，超声波技术更适合检测盾构切刀的磨损量。盾构切刀磨损检测的原理如图2所示，可将超声波传感器安装在刀体内，直接检测合金刀头的长度。为提高检测的准确度，可将盾构切刀的合金刀头做成长方体，如图2所示。为降低上述改动对盾构切刀整体切削性能的影响，可仅对部分盾构切刀进行改动。

盾构切刀磨损检测主要的参数有测量范围和检测精度。常用的超声波传感器测量范围为：0.65～600mm，盾构切刀合金刀头的长度H通常为：50～60mm，测量范围完全满足使用要求。盾构切刀磨损检测结果主要用于为确定换刀时机、组织施工提供数据参考，检测精度能够达到±1mm即可满足施工要求，超声波传感器的检测精度为：±0.05mm(≤10mm)；±(0.5%H+0.01)mm(＞10mm)，H为被测物实际厚度，同样满足使用要求。

图2 盾构切刀磨损检测原理图

2 信号无线传输

实现刀具磨损信号在线可靠传输需要解决两大难题：连续转动的刀具和刀盘与前盾隔板间搅动的碴土，见图3。采用有线传输时，电力线和信号线布置困难，并且要考虑防止电缆线磨损的问题，需要使用电滑环，并对中心回转体进行改造，成本较高，电滑环长期使用会产生磨损，导致接触不良，影响信号传输，因此决定采用信号无线传输的方式。

图3 盾构结构简图

信号无线传输的方式可以适应刀具转动的情况，穿越搅动的碴土是需要重点考虑的问题。信号的发射端位于盾构刀盘上，接收端位于前盾隔板上，电磁波需要在碴土媒介中传播。碴土通常含有泥水、砾石、钢筋等多种物质，电磁波的传播路径十分复杂，衰减较大。低频段电磁波波长相对较长，具有较好的绕射能力，传播时的能量损失较少。李莉[5]在博士论文中验证了在地下通讯环境中100～900MHz频段无线传输的可行性，并指出在该环境下2.4GHz频段基本无法应用。郁晓庆[6]对240MHz、433MHz和868MHz频段的电磁波传播规律进行了研究，综合考虑信号衰减和天线尺寸，认为300～400MHz的频率更适合地下无线通讯，最大传输距离为5m。盾构碴土仓通常为2m宽，且对信号传播速率要求不高，结合市场主流通讯技术，认为使用433MHz频段通讯技术是可行的。无线收发系统电路原理如图4所示。

图4 无线收发系统电路原理图

盾构刀具磨损检测装置以无线收发芯片CC1101作为无线通讯模块，并与数据处理模块进行集成。采用高能量密度的电池供电，信号处理模块和无线通讯模块都采用低能耗元件。电子元件和电池作为一个整体进行封装处理，使整个信号发射装置具备良好的防水性能。数据输送到前盾隔板后，采用有线的方式将数据送入上位机软件进行后续处理。

上位机软件接收到信号后可用于显示、分析和存储。刀具磨损历史数据可在波形显示区查看，历史数据包括采集的时间和数值大小。查看时可以使用曲线工具，功能有左右移动、上下移动、拉伸和局部放大等。采集的数据以excel表格自动保存。

3 试验与数据分析

盾构刀盘刀具工作环境非常复杂，刀头表面质量、振动、泥水等都会对超声波检测系统产生影响。碴土的电学特性影响电磁波的传输特性，目前对这方面的研究成果较少。基于以上考虑，需要开展刀具磨损的模拟试验，验证无线通讯式超声波检测技术的可行性。根据实际情况制作了图5所示的试验装置。

图5 模拟试验装置

以内径300mm的钢管为模拟试验料仓，将数据接收模块放置在料仓内，信号线通过数据线孔引出，并与计算机连接，然后安装接收端法兰；将砂、土、砾石等从另一端装入试验料仓内；将数据发射模块、法兰等安装在料仓的发射端，数据发射端信号线通过数据线孔与外部超声波传感器连接。通过进水管和阀门向料仓内注入水，同时打开排气阀门，待料仓内注满水时关闭排气阀门，并检查压力表，压力达到1bar时减慢注水速度，保持压力稳定。以上准备工作完成后，可以进行系统调试。多次测量材料和尺寸已知的标准试件，上位机软件显示的数据与标准试件厚度一致时，说明超声波检测装置工作状态良好，可以进行下一步试验。

试验时以金属圆棒代替盾构刀具，圆棒材料与标准块材料相同。使用角磨机打磨圆棒模拟盾构切刀磨损时的工况，在打磨过程中要尽量保证打磨截面为平面。圆棒长度测量值和实际值如图6所示。测量值为超声波检测装置自动检测到的圆棒长度，每5min自动检测一次；实际值为游标卡尺人工测量得到的圆棒长度。

图6 测量值与实际值对比

从试验数据对比分析上来看，圆棒长度变化范围是125～95mm，测量值和实际值保持相同的递减趋势，数值的一致性较好，偏差在±1mm以内。试验过程中保留了振动、温度、碴土、压力对测量结果的影响。每5min测量一次数据，检测装置能够实时检测圆棒长度的变化。盾构刀具实际磨损速度较慢，该装置能够满足检测周期的要求。

4 结 论

1）盾构的工作环境差异较大，在富水地层中，检测装置应具有良好的防水、耐压性能，否则将导致电子元件烧毁。经多次试验后，多层整体封装的效果较好，可以满足使用要求。

2）在碴土环境中433MHz无线通讯技术传输信号可靠高，有效传输距离可达2m，数据误码率低，数据传输速率满足使用要求，可以用于实时检测的信号无线传输。

3）试验结结果中包含了振动、温度、碴土、压力对测量数据的影响，试验结果表明，测量值和实际值保持较好的一致性，偏差在±1mm以内，检测装置准确性高，满足盾构刀具磨损检测的使用要求。

4）上位机软件操作简单，运行稳定，可以检测装置本身的运行状态，满足数据显示、查看和保存的要求。当检测到磨损值过大时可以发出报警。

[参考文献]

[1]朱英伟，郑立波，张洪涛.新型盾构刀具磨损检测技术研究[J].施工技术，2014，43(1)：121-123.

[2]张明富，袁大军，黄清飞，等.砂卵石地层盾构刀具动态磨损分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27(2)：397-402.

[3]何 峰，吕传田，任 勇，等.盾构刀具磨损监测装置:中国专刊：200920217751.3[P].2010-08-04.

[4]王光辉，吕瑞虎.盾构刀具磨损超声波检测系统室内试验研究[J].隧道建设，2015，35(10)：1089-1096.

[5]李 莉.无线地下传感器网络关键技术的研究[D].北京:北京邮电大学，2008.

[6]郁晓庆.无线地下传感器网络电磁波在土壤介质中的传输研究[D].咸阳:西北农林科技大学，2013.