大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统设计与应用——以杭州望江路过江隧道工程为例

房中玉

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司， 江苏 南京 211800)

0 引言

盾构法因其施工速度快、安全性高、施工环境好等优点，被广泛地应用在城市地下隧道施工中[1]。在掘进过程中，随着盾构刀盘转动与推进，刀具会与开挖面的土体相互作用并产生大量的热量，再以热传导的形式将这些热量传递给刀盘。刀盘温度的异常升高会加剧刀盘磨损，减少刀盘的使用寿命并影响开挖效率；严重时还会在刀盘局部区域引起较大的应力集中，造成疲劳破坏[2]。正常工作情况下，盾构刀盘上的最高温度在40 ℃左右[3]；但在掘进过程中，前方地质的突变会导致刀盘温度的异常升高，从而加快渣土的干结速度，造成泥饼的形成[4]。随着泥饼的增大，又会加剧刀盘热量积累，使得刀盘温度进一步升高。刀盘温度的升高，容易产生局部烧伤、刀盘材料属性的变化等现象[5-6]。当刀盘温度高于50 ℃时，刀盘边缘局部将出现较大的应力集中[4]。随着刀盘温度的急剧升高，温度最高的刀盘中心位置会出现翘曲现象[7]。因此，实时监测刀盘温度的变化情况十分重要。

当前，关于刀盘状态监测的研究，主要集中在刀具状态监测与刀盘振动监测上。Lan等[8-9]利用涡流传感器建立了一套滚刀转速监测系统。任德志等[10]和李东利等[11]将电涡流传感器应用于盾构滚刀磨损监测系统。王少华等[12]利用应变计设计了一种滚刀受力实时监测方法。张晓波等[13]将滚刀磨损监测、刮刀磨损监测和刀盘振动监测结合在一起，建立了一套刀具磨损与刀盘振动监测系统。经过调研，目前还鲜有关于刀盘温度监测的研究。

本文依托杭州市跨江隧道工程，建立了一套大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统，通过分析采集的刀盘温度数据，研究刀盘温度的变化规律，以期对刀盘温度异常变化做出判断，从而对刀盘异常情况和地质变化做出预警。

1 系统设计

大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统共包括3个部分，分别是集成传感器模块、无线接收模块和带有在线温度监控软件平台的笔记本电脑，如图1所示。

其中，集成传感器模块由无线传输模块和数字式温度传感器组成。利用数字式温度传感器测量刀盘温度时，需要将传感器安装在旋转的刀盘背面，这使得传感器的数据无法通过数据线传送到后方的主机上。若使用旋转接头传输数据，信号容易受到干扰，传输也不稳定，且需定制旋转接头，实施难度大。目前，选用无线传输是解决这个问题的最好方法。ZigBee无线传输技术具有较好的抗干扰能力[14]。它提供基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查，以确保数据的准确性，这使得ZigBee在许多隧道工程中得到应用[15-16]。本文选用基于MSP430处理器的433-LORA无线通信模组作为无线传输模块。在发送信号时，每个集成传感器模块都有一个特定的地址，但所有的集成传感器共用一个无线接收模块。根据对杭州望江路过江隧道的初步调查，在掘进过程中，刀盘温度一般在20～30 ℃。因此，选用了测温范围为-55～120 ℃的DS18B20数字式温度传感器。为了提高测量结果的准确性，每个集成传感器模块包含有5个数字式温度传感器，并以这5个数字式温度传感器监测数据的平均值作为该模块的刀盘温度监测结果。

图1 大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统构成

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

每个集成传感器模块包括5个数字式温度传感器、1个3.8 V电池和1个无线传输模块。集成传感器模块预先安装在设计好的铝合金板上，如图2(a)所示。底座上的凸台不仅易于传感器的定位，而且能让传感器更近地接触刀盘，获得更精确的温度数据。为防止传感器在潮湿环境下发生故障，在安装过程中用密封胶将各元件密封。焊接在刀盘背面的铝合金底座如图2(b)所示。传感器安装完成后，通过螺栓安装到铝合金底座上。在传感器与铝合金底座的接触面上涂抹热硅用于热传导，提高温度测量的准确性。

2 现场安装

2.1 工程介绍

浙江省杭州市望江路过江隧道工程由北岸秋涛路起，沿望江路，穿越钱塘江，至南岸江晖路，止于江南大道，全长1 835.84 m，如图3所示。施工地层主要包括粉质黏土和粉砂层。采用1台大直径泥水盾构，配备有直径11.64 m常压刀盘。刀盘由1个中心块和5个刀盘主臂组成。中心块和刀盘主臂内部为中空的换刀室，由门隔开。只有中心块的换刀室可以实现常压下换刀。

(a) 传感器

(b) 铝合金底座

图3 望江路过江隧道位置示意图

2.2 监测系统的安装

集成传感器模块需要紧贴刀盘安装，将采集的数据通过无线方式传输到后方。由于盾构作业时，刀盘主臂换刀室的门必须关闭，信号会被屏蔽，只有中心块换刀室的门可以打开，因此将集成传感器模块安装在中心块的背面，紧贴刀盘的空余位置，如图4所示。监测过程中，将换刀室内的检修孔打开，避免传输数据受到屏蔽影响。无线接收装置安装在台架上，并通过电缆连接到放置在主控制室中的笔记本电脑上。通过这种方法，确保刀盘的旋转不会影响到信号传输。电脑上的软件平台可以实时显示集成传感器模块的7个参数(包括序列号、5个温度值和设备电压值)。为了提高信噪比水平，以每个集成传感器模块中的5个数字式温度传感器数据的平均值作为该模块测量的最终温度值。除了测量刀盘温度外，该系统还可以监测每个传感器模块的电池电量，以避免其耗尽。

图4 传感器模块在刀盘上的安装位置

3 测试结果

2018年4—6月，在施工现场对刀盘温度在线监测系统进行了测试。整个监测系统安装完毕后，对刀盘温度进行了持续2个月的监测。结果表明，该监测系统能够长期实时监测刀盘温度变化，稳定性好。

3.1 短时间温度数据分析

4月10日，泥水盾构向前掘进了2环，平均掘进速度为24 mm/min。为了分析刀盘温度在线监测系统的信号稳定性和数据有效性，用3个传感器模块以1 min为时间间隔测量刀盘温度。

如图5所示，3个探测点的温度在23～26 ℃，接近隧道温度。刀盘温度变化在3 ℃以内，说明刀盘温度监测系统稳定性良好。随着泥水盾构开始掘进，测量点P1、P2和P3的温度迅速上升。大约50 min后，第1环和第2环的温度分别达到25.26 ℃和25.9 ℃。当掘进停止、开始拼装管片时，3个探测点的温度又逐渐降低。

图5 2018年4月10日测量刀盘温度

掘进过程中，P1、P2和P3处的温度快速升高，这是刀盘旋转时刀具与土壤摩擦产生热量造成的。掘进停止后，P1、P2和P3处的温度缓慢下降，这是由于泥水循环系统进浆管道将新调制的泥浆送入刀盘舱，而排浆管道将开挖产生的淤泥排出刀盘舱，造成刀盘舱热量损失。通过进、排浆管道循环，使得刀盘温度逐渐降低。由此可见，盾构正常工作时，刀盘温度呈周期变化，并且与盾构工作流程相匹配。

3.2 长时间温度数据分析

4月9—19日，泥水盾构的掘进地层为松散的粉土和砂层，平均掘进速度为26 mm/min。掘进期间，地质参数没有明显变化。

为简化数据，每隔15 min记录一次温度值，记作1个时间步，如图6所示。从图中可以看出，P1、P2和P3的温度在每个开挖环上都有显著变化，而空转时的温度几乎是稳定的。在长时间连续试验中，每个明显的温度峰值都对应着盾构掘进的1个周期。在盾构连续掘进时，刀盘最高温度逐渐升高，最大值达到26 ℃。从图中时间步800～1 100段可以看出，温度持续升高是连续掘进的热量累积引起的。相邻温度峰值之差保持在0.5 ℃左右，说明温度在刀盘上的积累效果是稳定均匀的。

在此期间，温度数据传输连续稳定，表明该系统能够不受周围环境影响，稳定可靠地监测刀盘温度。

图6 2018年4月9—19日测量刀盘温度

3.3 异常温度数据分析

在测试过程中，出现了2次刀盘温度异常升高。异常情况下每环最高温度变化情况如图7所示。第1次刀盘温度异常升高出现在496环处，并在499环处达到最高温度；随后刀盘温度急速下降，在500环处恢复到正常水平。第2次刀盘温度异常升高出现在516环处，并在519环处达到最高温度；随后刀盘温度缓慢下降。在这2次异常情况中，刀盘最高温度都超过了70 ℃，是正常掘进温度的2倍以上。

第1次出现温度异常升高时，进入盾构刀盘内检查，确认刀盘有泥饼形成。为了消除泥饼，向刀盘内注入1 t分散剂，并转动刀盘。在499环之后盾构掘进中，刀盘温度急速下降并恢复到正常掘进温度，盾构正常工作。

(a) 第1次

(b) 第2次

图7 2次刀盘温度异常升高

Fig. 7 Twice abnormal rise of cutterhead temperature

第2次出现温度异常升高时，同样进入盾构刀盘内检查，没有发现泥饼形成，但前方地质条件发生了变化。由此可见，这次温度异常升高是岩层变硬使刀具产热增加，但盾构没有及时调整掘进参数应对地质变化造成的。在对盾构掘进参数进行调节后，刀盘温度略有下降。

结果表明，该大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统能够准确地监测刀盘温度，可以有效地反映刀盘情况，实现对刀盘温度异常的预警。

4 结论与讨论

本文建立了一套大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统，分析了短时间温度数据、长时间温度数据和异常温度数据的变化规律。结论如下：

1)该系统能够不受信号屏蔽和泥水盾构掘进的干扰采集刀盘温度数据，实现了对刀盘温度的实时监测。通过工程现场试验，验证了该系统长时间监测的可行性、可靠性和耐久性。

2)盾构单环掘进时，刀盘温度呈周期性变化，并且与盾构的工作流程相匹配。正常情况下，盾构单环掘进的刀盘温度变化范围在3 ℃以内。

3)盾构连续掘进时，掘进产生的热量会在刀盘上积累，使得刀盘温度曲线的峰值持续升高。这种热量积累是稳定均匀的，相邻温度峰值之差保持在0.5 ℃左右。

4)盾构正常掘进时，刀盘温度在30 ℃上下波动。当刀盘形成泥饼和前方地质突变时，刀盘温度会异常升高。可以通过监测刀盘温度，预知泥饼形成或地质参数变化。通过向刀盘注入分散剂，并观察刀盘温度变化，可以区分出刀盘形成泥饼和前方地质突变2种情况。

本文所述刀盘温度监测系统只在盾构中心块区域安装了集成传感器模块，关于刀盘温度数据的分析也只集中在温度随时间的变化规律上。因此，后续研究将考虑在刀盘主臂换刀室内安装集成传感器模块，监测整个刀盘的温度变化，并分析刀盘温度沿刀盘径向的变化规律。同时，该系统只在常压刀盘上进行了设计安装，下一步将考虑运用在其他形式的刀盘上。