盾構刀具磨損超聲波檢測技術研究

SHANG Wei,WANG Bai-quan

(中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院，廣東 廣州 511455)

在隧道及地下工程建設領域，盾構法施工具有快速、安全的優點，已經成為城市地鐵隧道一種主要的施工方法。盾構刀具磨損是盾構法施工過程無法避免的問題，當出現刀具過度磨損時，通常會導致盾構掘進量降低、卡盾、機械性損毀等施工風險，延誤施工周期。盾構刀具修復時需要在停機位置前端的地表進行地層加固，然后在掌子面開挖刀具的修復空間，進行盾構刀具帶壓進艙修復。當盾構刀具磨損發生在繁忙路段、密集建筑區或江河湖底等特殊位置時，修復作業將會變得十分困難。如果能即時掌握盾構刀具的磨損狀態，便可以提前確定換刀位置，有效避免在特殊位置的停機，對于保障盾構順利掘進，降低施工成本和風險具有較大的意義。掌握盾構刀具磨損過程信息，對于優化盾構掘進參數,建立盾構法施工數據庫，特別是對于軟硬不均等盾構刀具磨損過快的地層，同樣具有重要的意義。

目前盾構刀具磨損檢測技術分為液壓檢測、氣體檢測、掘進參數分析法和電氣檢測法。液壓檢測和氣體檢測只能用于磨損量極限檢測：只有當磨損量達到設計值時才能夠檢測到壓力下降，或者是刺激性氣體。這兩種方法無法準確判斷是哪把刀具出現過度磨損，液壓法油管數量受盾構中心回轉體尺寸影響較大，在土壓盾構和泥水盾構中，氣體檢測法使用效果并不理想[1]。掘進參數分析法和電氣檢測法可用于連續檢測。張明富等人[2]使用掘進參數分析法對磨損系數和單一掘進參數之間的關系進行了初步分析，但檢測結果準確性不高。超聲波檢測技術是電氣檢測法中一種主要的方法。超聲波檢測方法能夠實現在線連續檢測，可以實現多點檢測，是一種廣泛使用的無損檢測技術。何峰[3]等人公布了采用藍牙技術實現信號傳輸的超聲波檢測裝置，但是藍牙技術工作頻率為2.5GHz，穿越碴土的繞射能力差，信號接收不可靠。王光輝、呂瑞虎[4]采用RS-485的形式傳輸信號，取得較好的室內試驗效果，但是該方法涉及到盾構中心回轉體的改造、布線困難、電滑環長期使用有磨損等問題，限制了其實際應用價值。

1 超聲波檢測技術

超聲波是指振動頻率高于20kHz的聲波，在均勻彈性介質中傳播時，方向性好、穿透力強，具有波的干涉、反射等特性。超聲波檢測原理有多種形式，根據使用場合和使用要求，本文使用的是脈沖法檢測原理如圖1所示。超聲波傳感器發出的超聲波經過耦合劑傳入待測體，入射波遇到待測體界面時產生反射波，反射波經過耦合劑傳入超聲波傳感器，記錄下超聲波從發射到接收所經歷的時間，使用公式(1)即可得到超聲波的檢測距離。

式中s——超聲波的檢測距離，m；

v—— 待測體中超聲波的傳播速度，m/s，可通過實驗確定；

t—— 超聲波從發射到接收所用時間，s，可采用數碼管指示法確定。

圖1 超聲波脈沖法檢測原理

耦合劑用于排除傳感器和待測體之間的空氣，減少界面雜波的影響，使更多的能量傳入待測體，提高檢測精度，常用的耦合劑有機油、水玻璃、甘油等。在檢測時，超聲波傳感器應壓緊待測體的表面，因而耦合劑的厚度通常較小，對檢測結果影響較小時，可將其忽略，認為超聲波傳感器檢測的距離即為待測體的厚度。

盾構刀具有多種類型，如滾刀、切刀、撕裂刀、中心魚尾刀等，根據盾構刀具的結構和安裝形式，超聲波技術更適合檢測盾構切刀的磨損量。盾構切刀磨損檢測的原理如圖2所示，可將超聲波傳感器安裝在刀體內，直接檢測合金刀頭的長度。為提高檢測的準確度，可將盾構切刀的合金刀頭做成長方體，如圖2所示。為降低上述改動對盾構切刀整體切削性能的影響，可僅對部分盾構切刀進行改動。

盾構切刀磨損檢測主要的參數有測量范圍和檢測精度。常用的超聲波傳感器測量范圍為：0.65～600mm，盾構切刀合金刀頭的長度H通常為：50～60mm，測量范圍完全滿足使用要求。盾構切刀磨損檢測結果主要用于為確定換刀時機、組織施工提供數據參考，檢測精度能夠達到±1mm即可滿足施工要求，超聲波傳感器的檢測精度為：±0.05mm(≤10mm)；±(0.5%H+0.01)mm(＞10mm)，H為被測物實際厚度，同樣滿足使用要求。

圖2 盾構切刀磨損檢測原理圖

2 信號無線傳輸

實現刀具磨損信號在線可靠傳輸需要解決兩大難題：連續轉動的刀具和刀盤與前盾隔板間攪動的碴土，見圖3。采用有線傳輸時，電力線和信號線布置困難，并且要考慮防止電纜線磨損的問題，需要使用電滑環，并對中心回轉體進行改造，成本較高，電滑環長期使用會產生磨損，導致接觸不良，影響信號傳輸，因此決定采用信號無線傳輸的方式。

圖3 盾構結構簡圖

信號無線傳輸的方式可以適應刀具轉動的情況，穿越攪動的碴土是需要重點考慮的問題。信號的發射端位于盾構刀盤上，接收端位于前盾隔板上，電磁波需要在碴土媒介中傳播。碴土通常含有泥水、礫石、鋼筋等多種物質，電磁波的傳播路徑十分復雜，衰減較大。低頻段電磁波波長相對較長，具有較好的繞射能力，傳播時的能量損失較少。李莉[5]在博士論文中驗證了在地下通訊環境中100～900MHz頻段無線傳輸的可行性，并指出在該環境下2.4GHz頻段基本無法應用。郁曉慶[6]對240MHz、433MHz和868MHz頻段的電磁波傳播規律進行了研究，綜合考慮信號衰減和天線尺寸，認為300～400MHz的頻率更適合地下無線通訊，最大傳輸距離為5m。盾構碴土倉通常為2m寬，且對信號傳播速率要求不高，結合市場主流通訊技術，認為使用433MHz頻段通訊技術是可行的。無線收發系統電路原理如圖4所示。

圖4 無線收發系統電路原理圖

盾構刀具磨損檢測裝置以無線收發芯片CC1101作為無線通訊模塊，并與數據處理模塊進行集成。采用高能量密度的電池供電，信號處理模塊和無線通訊模塊都采用低能耗元件。電子元件和電池作為一個整體進行封裝處理，使整個信號發射裝置具備良好的防水性能。數據輸送到前盾隔板后，采用有線的方式將數據送入上位機軟件進行后續處理。

上位機軟件接收到信號后可用于顯示、分析和存儲。刀具磨損歷史數據可在波形顯示區查看，歷史數據包括采集的時間和數值大小。查看時可以使用曲線工具，功能有左右移動、上下移動、拉伸和局部放大等。采集的數據以excel表格自動保存。

3 試驗與數據分析

盾構刀盤刀具工作環境非常復雜，刀頭表面質量、振動、泥水等都會對超聲波檢測系統產生影響。碴土的電學特性影響電磁波的傳輸特性，目前對這方面的研究成果較少?；谝陨峡紤]，需要開展刀具磨損的模擬試驗，驗證無線通訊式超聲波檢測技術的可行性。根據實際情況制作了圖5所示的試驗裝置。

圖5 模擬試驗裝置

以內徑300mm的鋼管為模擬試驗料倉，將數據接收模塊放置在料倉內，信號線通過數據線孔引出，并與計算機連接，然后安裝接收端法蘭；將砂、土、礫石等從另一端裝入試驗料倉內；將數據發射模塊、法蘭等安裝在料倉的發射端，數據發射端信號線通過數據線孔與外部超聲波傳感器連接。通過進水管和閥門向料倉內注入水，同時打開排氣閥門，待料倉內注滿水時關閉排氣閥門，并檢查壓力表，壓力達到1bar時減慢注水速度，保持壓力穩定。以上準備工作完成后，可以進行系統調試。多次測量材料和尺寸已知的標準試件，上位機軟件顯示的數據與標準試件厚度一致時，說明超聲波檢測裝置工作狀態良好，可以進行下一步試驗。

試驗時以金屬圓棒代替盾構刀具，圓棒材料與標準塊材料相同。使用角磨機打磨圓棒模擬盾構切刀磨損時的工況，在打磨過程中要盡量保證打磨截面為平面。圓棒長度測量值和實際值如圖6所示。測量值為超聲波檢測裝置自動檢測到的圓棒長度，每5min自動檢測一次；實際值為游標卡尺人工測量得到的圓棒長度。

圖6 測量值與實際值對比

從試驗數據對比分析上來看，圓棒長度變化范圍是125～95mm，測量值和實際值保持相同的遞減趨勢，數值的一致性較好，偏差在±1mm以內。試驗過程中保留了振動、溫度、碴土、壓力對測量結果的影響。每5min測量一次數據，檢測裝置能夠實時檢測圓棒長度的變化。盾構刀具實際磨損速度較慢，該裝置能夠滿足檢測周期的要求。

4 結 論

1）盾構的工作環境差異較大，在富水地層中，檢測裝置應具有良好的防水、耐壓性能，否則將導致電子元件燒毀。經多次試驗后，多層整體封裝的效果較好，可以滿足使用要求。

2）在碴土環境中433MHz無線通訊技術傳輸信號可靠高，有效傳輸距離可達2m，數據誤碼率低，數據傳輸速率滿足使用要求，可以用于實時檢測的信號無線傳輸。

3）試驗結結果中包含了振動、溫度、碴土、壓力對測量數據的影響，試驗結果表明，測量值和實際值保持較好的一致性，偏差在±1mm以內，檢測裝置準確性高，滿足盾構刀具磨損檢測的使用要求。

4）上位機軟件操作簡單，運行穩定，可以檢測裝置本身的運行狀態，滿足數據顯示、查看和保存的要求。當檢測到磨損值過大時可以發出報警。

[參考文獻]

[1]朱英偉，鄭立波，張洪濤.新型盾構刀具磨損檢測技術研究[J].施工技術，2014，43(1)：121-123.

[2]張明富，袁大軍，黃清飛，等.砂卵石地層盾構刀具動態磨損分析[J].巖石力學與工程學報，2008，27(2)：397-402.

[3]何 峰，呂傳田，任 勇，等.盾構刀具磨損監測裝置:中國?？?00920217751.3[P].2010-08-04.

[4]王光輝，呂瑞虎.盾構刀具磨損超聲波檢測系統室內試驗研究[J].隧道建設，2015，35(10)：1089-1096.

[5]李 莉.無線地下傳感器網絡關鍵技術的研究[D].北京:北京郵電大學，2008.

[6]郁曉慶.無線地下傳感器網絡電磁波在土壤介質中的傳輸研究[D].咸陽:西北農林科技大學，2013.