TBM掘進中滾刀受力實時監測方法研究

王少華， 劉泉聲， 黃 興， 張曉波

(1． 武漢大學土木建筑工程學院 巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430072； 2. 中國科學院武漢巖土力學研究所， 湖北 武漢 430071； 3. 長江水利委員會長江科學院， 湖北 武漢 430010)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)由于其機械化程度高、掘進速度快、對外界環境擾動小、開挖洞內成形質量高等特點，在國內外礦山、水利、水電、鐵路及市政隧道工程等領域得到廣泛使用[1]。滾刀是TBM掘進時的主要破巖工具，滾刀受力狀況直接影響刀具的工作效率和壽命[2]。實踐表明，在硬巖地質條件下的TBM施工過程中，刀具費用達到機組施工成本的1/3[3-4]。獲取滾刀受力信息有助于在掘進過程中及時對掘進機的掘進參數(如推力、轉矩、轉速、貫入度)進行調整，有利于提高破巖效率和加快掘進速度，從而延長滾刀壽命； 同時，根據不同刀位的滾刀受力情況可以掌握掌子面巖體參數[5]。此外，獲取滾刀受力信息還可以優化滾刀在刀盤上的布置，使刀盤受力更加均勻[6]。

Samuel等[7]在掘進機滾刀刀軸上安裝應變片，監測到約20 min的切削力數據。Zhang等[8-9]在正楔齒滾刀和邊楔齒滾刀的刀軸上粘貼應變片，對滾刀切削力進行了研究。Entacher等[10-11]在固定滾刀的螺栓中埋入應變片，通過監測這些螺栓預緊力在滾刀受力時的變化情況來計算滾刀破巖力。

目前，國內對滾刀破巖力監測的研究較少。陳永龍[12]選擇刀軸作為傳感元件，將其近似看作一根雙向彎曲梁，在其上粘貼電阻應變片來監測滾刀受力。陳超等[2]通過在C型墊塊側表面粘貼應變片來測量滾刀破巖力，并采用數值模擬的方法選擇合適的區域作為粘貼應變片的位置，從而提高了測試精度。

以上對于滾刀受力測試的研究，大部分都是以滾刀刀軸作為對象，在其上粘貼應變片，其優點是能較容易地由監測結果得到滾刀受力情況，但是由于掘進中滾刀的工作環境惡劣，直接在其上粘貼應變片容易受到破壞，而且在刀軸上埋設布置導線會影響刀軸的剛度，滾刀的更換頻率較高，在更換過程中也容易導致應變片的破壞，不利于長期監測。在固定滾刀的螺栓中放入應變片，缺點是應變片引出線難以布置，而且滾刀更換過程中會拆卸螺栓，因而不利于導線的保護，不適合長期監測。陳超等[2]通過在C型墊塊側表面粘貼應變片來測量滾刀破巖力，該方法還處在室內研究階段，并沒有真正應用到現場監測中，而且由于實際掘進中振動非常劇烈，在C型墊塊側表面粘貼應變片很容易造成應變片失效，不利于現場監測。

本文結合前人的研究，考慮到滾刀在更換過程中對C型墊塊的影響較小，有利于應變計的保護，而且C型墊塊和刀箱直接接觸，應變計引出的導線可以通過在刀箱壁切槽布置。因此，選擇以滾刀C型墊塊為直接監測對象，分別在滾刀的C型墊塊法向力方向和側向力方向埋設應變計，并且考慮滾刀系統的動力特性，實現滾刀受力的長期監測。

1 TBM滾刀受力實時監測技術

1.1 滾刀受力監測部件選擇

由于滾刀直接接觸巖石，而且荷載具有沖擊波動的特性，使用以往的監測方法難以長期有效地測得滾刀受力大小。

刀圈直接接觸巖石，長時間的切割過程使刀圈發生磨損，每掘進十幾m甚至幾m的長度就要更換一個刀圈[13]，不利于長時間的實時監測，而且導線的布置與保護也難以實現。

刀體和圓錐滾子軸承結構特殊，與刀軸配合緊密，難以布線，也不利于長期監測。

刀軸是以往國內外學者布置傳感器的一個位置[7-9]，在其表面粘貼應變片。TBM每掘進數環就要進行滾刀磨損檢查，幾乎每天都要進行滾刀的更換，不利于長時間的實時監測，而且導線的布置與保護也難以實現。

C型墊塊在滾刀兩端各有1個，它的作用是當C型墊塊發生破壞時可以及時更換，減小刀盤的破壞程度，與其他部件相比，它的更換次數相對較少。因此，C型墊塊是一個布置傳感器的極佳位置，能夠方便布線，而且能夠實現長期監測。

1.2 滾刀受力監測方法

TBM滾刀系統主要由滾刀及為其提供支撐的刀箱組成，如圖1所示。其中，滾刀由刀圈、刀體、2列圓錐滾子軸承、刀軸和密封等組成，如圖2所示。根據滾刀的破巖機制，滾刀在破巖時受到3個力(見圖2)，分別為法向力Fn、滾動力Fr和側向力Fs[14-15]。本文僅考慮了對法向力Fn和側向力Fs的監測，對于滾動力Fr的監測還需要進一步研究。

圖1 TBM滾刀系統

圖2 滾刀結構及受力示意圖

當滾刀切割巖石時，刀圈直接接觸巖石，它所受到的荷載依次通過刀體、軸承和刀軸，最后通過C型墊塊傳遞到刀箱和刀盤上，具體的荷載傳遞路徑如圖3所示。

圖3 荷載傳遞路徑

圖4 滾刀受力監測方法

m為滾刀，m1、m2為楔形壓緊塊，m3、m4為C型墊塊。

圖5 TBM滾刀系統動力學等效模型

Fig. 5 Mechanical equivalent model of TBM disc cutter system

目前，此模型只能計算滾刀系統的法向力、側向力，而沒有考慮滾動力。該方法能適應現場惡劣的環境，防止應變計受到巖渣碰撞，實現反復利用，并考慮滾刀系統的振動特性，運用動力學原理得到刀具真實受力。

1.3 滾刀受力實時監測系統

搭載系統的主要組成部分有無線應變節點傳感器、無線網關、USB2.0延長器、電腦PC端以及數據采集軟件。搭載系統安裝示意圖見圖6。

圖6 搭載系統現場安裝示意圖

無線應變節點傳感器型號為SG404EX，主要由應變測量電路(轉換電路)、采集處理模塊、無線收發模塊和電源模塊組成。該型傳感器有4個通道，可以方便地由數據采集控制軟件自動切換選擇1/4橋、半橋、全橋測量方式，監測到的數據既可以實時無線傳輸至計算機，也可以存儲在節點內置的1 GB數據存儲器中。

無線應變節點設計有專門的電源管理軟硬件，節點功耗為48 mA，使用內置可充電電池，電池充電電壓為(5± 0.1) V，可連續測量10 h以上，節點帶有USB接口，用戶可以通過USB接口對節點充電。由于TBM刀盤是旋轉的，而刀盤之后的部分是不旋轉的，如果用電線直接充電，會導致電線的扭斷，這就需要在刀盤背部布置一個可以給無線應變節點充電的裝置，滿足對其充電電池的充電要求即可。本文采用的是具有一定防水防塵防震動功能的充電器，充電器容量為25 000 mA，尺寸為2.5 cm×6.9 cm×11.9 cm，輸入5 V/1.5 A， USB1輸出5 V/1 A，USB2輸出5 V/2.1 A，并利用焊接的防護罩對其進行保護，充電器每3 d充電一次，充放電循環次數≥300次。

無線網關型號為BS951，由無線數據收發節點控制、協議轉換、標準 ModBus 協議通信等模塊組成。BS951無線網關采用BeeLPW無線網絡監測系統，支持點對多等網絡拓撲結構，可以實現對不同位置滾刀受力情況的監測。

數據采集軟件為BeeData，安裝該軟件的電腦PC端與無線網關進行連接，可以對網關采集的數據信號進行顯示、存儲及分析。

2 滾刀C型墊塊受力標定

2.1 標定試驗裝置及流程

傳感器安裝在C型墊塊上來監測其受力變化，因此，需要對其應變和受力大小之間的關系進行標定。由于滾刀內部有軸承，在對滾刀的刀圈施加荷載的時候軸承可能發生轉動，不容易保持穩定，使得標定過程比較難以實現。針對這種情況，設計了專門的標定裝置，如圖7所示。實際刀軸為圓柱體，而圖中刀軸為棱柱體，這樣設計的目的是： 1)試驗機的壓頭是一個平面，將刀軸設計為棱柱體后更容易與試驗機壓頭穩定接觸，然后對刀軸施加荷載； 2)刀軸與C型墊塊的接觸面積與實際完全相同，從而最大程度地保證C型墊塊與實際受力狀態相同。此外，為了使C型墊塊在受力過程中保持穩定，用螺栓將它們固定于墊板上。

1—刀軸； 2、3—C型墊塊； 4—墊板。

圖7標定裝置

Fig. 7 Calibration device

在C型墊塊受力(法向力和側向力)面的內部鉆有圓柱小孔，如圖8(a)所示。圓柱電阻應變計通過專用膠水固定于孔中，固定后應變計需通過延長線與應變計連接。為了使延長線順利引出來，特意留有切槽，如圖8(a)所示。安裝好后的C型墊塊如圖8(b)所示，利用硅橡膠填充切槽對導線進行保護。

(a) 鉆孔和切槽

(b) 應變計安裝完成

Fig. 8 Drilling, grooving and strain gauge installation in c-shaped cushion block

其中，圓柱電阻應變計(見圖9)使用的是箔式應變計(可測單向應變)，型號為KGG-3-120-C20-11，其具有自補償功能，不需要使用補償片，自身能夠抑制應變的溫度漂移，因此，適用于1/4電橋測量電路中。其具體參數如表1所示。

圖9 圓柱電阻應變計

柵長/mm電阻值/Ω靈敏系數靈敏度溫度系數/(%/℃)熱膨脹系數/(×10-6/℃)3119.6±0.42.01±0.01+0.00811.7

該標定試驗在自行研制的RMT301巖石力學試驗機上進行，如圖10(a)所示。

由于實際有2個C型墊塊共同承受滾刀荷載，而各自應變計的安裝情況不可能完全一樣，因此對它們同時進行標定。標定試驗如圖10(b)所示，刀軸的受力點為中部位置，2個墊塊各承擔一半的荷載。試驗采用力-行程控制方式，在對底面進行加載時，按每級荷載為40 kN逐級加載，每級荷載分別穩壓1 min，直至達到200 kN的額定荷載；在對側面進行加載時，按每級荷載為20 kN逐級加載，每級荷載分別穩壓1 min，直至達到100 kN的額定荷載。

(a) 試驗機

(b) 標定試驗

2.2 試驗結果與分析

2個墊塊的應變與外荷載的關系(標定結果)如圖11所示。從圖中可以看出，隨著外荷載的增大，應變幾乎呈線性增大。但是，2個C型墊塊在相同的受力情況下應變值卻稍有不同，導致2條曲線的斜率不同。這可能是因孔徑較小，較常規應變計的粘貼難度大，2個應變計的粘貼情況不完全一致所造成的。這種情況不會影響計算受力的準確性，只需使用各自的標定曲線即可。

某些檢驗機構雖然根據國家和地方法律法規制定了本單位的實驗室安全管理規章制度，但是，不重視與實驗室安全相關的法律法規和規章制度，依法守規意識不強。對實驗室安全責任意識淡薄，表現在個別責任人誤認為涉及實驗室安全第一責任人是單位法人或主要領導，發生事故處理最重的是單位法人或主要領導，其實從事具體工作的部門（部門責任人和當事人）是事故的第一直接責任人，對事故承擔直接民事或刑事責任。

(a) 1號墊塊法向方向外荷載與應變關系

(b) 1號墊塊側向方向外荷載與應變關系

(c) 2號墊塊法向方向外荷載與應變關系

(d) 2號墊塊側向方向外荷載與應變關系

3 滾刀破巖過程受力監測及驗證

3.1 破巖試驗裝置及流程

為了驗證受力測試方法的可行性和有效性，有必要在實驗室內開展滾刀破巖物理試驗。本文在滾刀巖機作用綜合試驗臺上進行回轉破巖試驗，如圖12(a)所示。

由于與試驗臺配套的巖箱是圓柱體，那么使用巖石作為試驗材料時，必須將巖石切割成幾部分，然后在巖箱中拼接起來，而這樣就破壞了巖石的完整性。如果不采用拼接的方法而使用完整的巖石，則會大大增加成本。綜合考慮，本文采用人工材料澆筑巖箱。此外，已有的綜合試驗臺最初是為研究滾刀破巖機制而設計的，刀座與實際有區別，因此，重新加工了一個新的刀座，特意設計了C型墊塊，墊塊如圖7中序號2和3所示。刀座如圖12(b)所示。試樣澆筑過程如圖13所示，滾刀破巖試驗如圖14所示。

本次試驗使用的水泥為42.5等級的普通硅酸鹽水泥，在澆筑巖箱的同時澆筑了3個標準圓柱體試樣(高100 mm，直徑50 mm)，并同時養護。在試樣養護完成后，對試件進行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到試樣的力學參數為抗壓強度45.4 MPa、彈性模量6.42 MPa、抗拉強度2.56 MPa。

破巖試驗時，在設定貫入度下可切割4刀(貫入度可設為3 mm、5 mm和7 mm等)，切割半徑分別為360 mm、430 mm、500 mm和570 mm，旋轉破巖試驗機的旋轉速度均設為1 r/min，每一刀的切割時間均為2 min。

3.2 監測結果與分析

每種貫入度進行4次貫入破巖試驗，試驗數據較多，為了檢驗受力測試方法的可行性及準確性，每種貫入度僅選取滾刀切割半徑為430 mm的一組數據進行分析，計算方法如下。

首先，根據圖11所示的標定曲線由應變測試數據計算得到墊塊受到的接觸力； 然后，利用前文滾刀監測方法計算得到法向力和側向力。

(a) 試驗臺

(b) 刀座

Fig. 12 Comprehensive experimental platform for disc cutter and cutter holder

圖13 試樣澆筑過程

圖14 滾刀破巖試驗

(a) 法向力

(b) 側向力

Fig. 15 Calculated values of normal force and lateral force when penetration degree is 3 mm

2)貫入度為5 mm時，計算得到的法向力、側向力分別如圖16(a)、(b)所示。

(a) 法向力

(b) 側向力

Fig. 16 Calculated values of normal force and lateral force when penetration degree is 5 mm

3)貫入度為7 mm時，計算得到的法向力、側向力分別如圖17(a)、(b)所示。

分析圖15—17可得出如下結論： 1)在不同貫入度下，根據振動方程求解得到的垂向荷載與油缸荷載大小有所差別，這是由于切割巖石的過程中，荷載是波動的，造成滾刀以及試驗臺的振動； 但是，兩者的變化趨勢幾乎是一致的，在一定程度上說明了受力測試方法的可行性和有效性，而且間接說明了所計算的側向力的可靠性。2)隨著貫入度的增大，滾刀所受法向力和側向力也在增大。這是由于貫入度增大以后，滾刀的破巖量增大，造成切削荷載隨之增大。其他貫入度情況下亦得到相似驗證結論。

(a) 法向力

(b) 側向力

Fig. 17 Calculated values of normal force and lateral force when penetration degree is 7 mm

4 結論與討論

針對TBM滾刀受力實時監測難題，本文選取C型墊塊作為直接監測部位，采用可嵌入式應變計，并且考慮滾刀系統的動力特性，提出一套完整的滾刀受力監測方法(分析論證了部件的選擇、建立了滾刀系統動力學等效模型和振動微分方程)。該監測系統所選擇的部位不僅方便布線，而且能夠實現長期監測，一般隧道施工環境對其幾乎沒有影響。通過破巖試驗，驗證該監測方法的可行性和有效性，試驗結果表明：

1)在不同貫入度下，根據受力監測方法得到的垂向荷載與油缸荷載大小稍所差別，但是兩者的變化趨勢幾乎是一致的，在一定程度上說明了受力測試方法的可行性和有效性；

2)隨著貫入度的增大，滾刀所受法向力和側向力也在增大。

下一步，將采用該監測方法開展現場監測研究，主要包括：

1)監測系統搭載的完善。如在TBM出廠組裝時就通過刀盤處的旋轉接頭布置電滑環，為無線應變儀持續供電，以求解決充電困難問題。

2)在TBM刀盤的同一徑向、不同半徑上布置監測點，可以更好地反映面板滾刀的受力情況，以及面板滾刀隨刀盤半徑變化的規律。

3)同樣，在邊緣滾刀處布置監測點，可以比較面板滾刀和邊緣滾刀受力的不同。通過現場監測完善本監測方法，并根據滾刀受力監測結果為刀盤滾刀的設計提供進一步的設計依據，有助于在掘進過程中及時對掘進機的掘進參數進行調整，有利于提高破巖效率和延長滾刀壽命。

4)進一步完善監測方法、系統等效模型，使得監測系統更能夠適應TBM惡劣的施工環境。