TBM掘進模態綜合實驗平臺升級改造研究

楊延棟， 孫振川, *， 李鳳遠， 張 兵， 許華國

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著我國交通、水利、能源等領域基礎設施建設的蓬勃發展，越來越多的山嶺隧道采用全斷面巖石隧道掘進機(full face hard rock tunnel boring machine，簡稱TBM)修建[1]，目前我國已實現了TBM國產化，對于刀盤布置與刀具破巖開展了大量的理論研究和工程實踐，但現有實驗裝置依然無法滿足科學研究與工程應用的需要。

國內外針對TBM掘進實驗裝置開展了大量的研究工作。在國外，美國科羅拉多礦業大學研制了全尺寸單滾刀線性切割試驗機(linear cutting machine)和全尺寸單滾刀旋轉切割試驗機(rotary cutting machine)；韓國施工技術研究所、土耳其伊斯坦布爾理工大學等機構也研制了全尺寸單滾刀線性切割試驗機。旋轉切割試驗機比線性切割試驗機多了回轉裝置，少了推進巖樣水平運動油缸，更符合滾刀真實運動情況。針對多滾刀同時破巖，美國科羅拉多礦業大學研制了縮尺和全尺寸的掘進機試驗機，僅能獲取多把滾刀的整體受力，無法獲取單把滾刀載荷，單把滾刀的載荷僅能通過求平均值進行估算。由于刀盤上滾刀載荷分布的不均勻性，預估載荷值往往與滾刀的實際載荷值存在較大差異，導致滾刀及刀座頻繁過載失效。在國內，盾構及掘進技術國家重點實驗室研制了全尺寸三滾刀回轉式巖機作用綜合實驗平臺[2]，在此基礎上開發了四滾刀回轉式巖機作用綜合實驗平臺[3-4]； 北京工業大學研制了具有線性和旋轉破巖功能的全尺寸滾刀試驗平臺，可開展單滾刀、雙滾刀、雙刃滾刀以及刀具組合破巖試驗[5]； 中南大學研制了縮尺三刀旋轉式實驗臺、全尺寸單刀線性實驗臺[6-7]。上述實驗或試驗平臺主要針對單把滾刀或幾把滾刀，采用了全尺寸或者縮尺的方式，可用于滾刀與圍巖相互作用研究，但無法研究多把滾刀破巖過程中滾刀載荷分布的不均勻性和載荷分布規律，且滾刀數量有限，無法反映多把滾刀協同破巖特性。

TBM掘進現場的復雜工況導致單把滾刀載荷監測很難實施，對于單把滾刀載荷監測目前取得了一些研究成果。文獻[8]在掘進機滾刀刀軸上粘貼應變片，監測到了時長20 min的垂直力數據。文獻[9]在正楔齒滾刀、邊楔齒滾刀刀軸上安裝應變片，得出裂紋深度與受力間成正比關系。文獻[10-11]在固定滾刀的螺栓中裝入應變片，監測螺栓預緊力在滾刀受力時的變化情況計算得到滾刀破巖力。文獻[12]在C型塊中嵌入應變計，采用試驗標定的方法監測滾刀受力，通過滾刀回轉破巖試驗發現滾刀垂直載荷與推進油缸載荷大小稍微有差異，但變化趨勢一致。文獻[13]通過在支撐墊塊側表面粘貼應變片測量滾刀破巖力。上述研究大部分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，但直接在其上粘貼應變片容易破壞；在固定滾刀的螺栓中放入應變片的缺點是應變片引出線難以布置，滾刀更換過程中拆卸螺栓不利于導線的保護。

針對多滾刀協同破巖的問題，研制了直徑2.5 m的TBM掘進模態綜合實驗平臺，刀盤上可同時安裝11把全尺寸滾刀[14-16]。該實驗平臺雖然能夠實現多滾刀同時破巖，但僅能獲取多把滾刀的整體載荷，無法獲取單把滾刀載荷，因此，有必要開發單把滾刀載荷監測系統，提升TBM掘進模態綜合實驗平臺實驗功能，為盾構TBM刀盤刀具優化設計提供理論依據和實驗支撐。

1 改造前TBM掘進模態綜合實驗平臺

TBM掘進模態綜合實驗平臺改造前結構如圖1(a)、(b)所示；實驗平臺可以在豎直和水平2種狀態下掘進破巖，如圖1(c)所示；刀盤上可布置11把滾刀(其中，中心雙聯滾刀3把，單刃滾刀8把)，共14個刀刃，3把中心滾刀6個刀刃的刀刃間距為84 mm，8把單刃滾刀的刀座可沿刀梁滑動，通過螺釘緊固在刀梁上，可以實現刀間距調整，刀盤結構如圖2所示。

(a) TBM掘進模態綜合實驗平臺平面圖

(b) TBM掘進模態綜合實驗平臺實物圖

(c) TBM掘進模態綜合實驗平臺2種工作模式

圖2 TBM掘進模態綜合實驗平臺刀盤平面圖

TBM掘進模態綜合實驗平臺可以模擬11把滾刀(14個刀刃)聯合破巖工況，但無法實現每把滾刀載荷和轉速的實時監測；雖然刀間距可以調整，但滾刀僅能在同一個平面上布置；推進系統和驅動系統通過旋轉電位計調整，破巖時推進速度、刀盤轉速難以精確控制；另外，該平臺經過多年的使用，主驅動密封漏油嚴重，且破巖過程中揚塵大。上述問題中單把滾刀載荷和轉速監測是本次平臺升級改造的重點。

2 單把滾刀載荷測試方法

TBM掘進模態綜合實驗平臺滾刀安裝方式如圖3所示。單刃滾刀采用了前裝楔塊壓緊的安裝方式，中心雙聯滾刀采用了后裝楔塊拉緊的安裝方式。

(a) 單刃滾刀安裝方式

(b) 中心雙聯滾刀安裝方式

滾刀破巖過程中巖石對滾刀作用力主要包括垂直力、滾動力和側向力。垂直力是反映滾刀破巖的關鍵載荷，由于滾刀安裝空間的限制，TBM掘進模態綜合實驗平臺滾刀載荷測試僅考慮滾刀垂直力。測力傳感器按轉換方法一般分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式和電阻應變式8大類，其中電阻應變式應用最廣。

電阻應變式傳感器是利用電阻應變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作，主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜組成。采用電阻應變式傳感器測力的實現方式有2種： 1)采用滾刀安裝結構已有的零部件作為彈性元件，內嵌電阻應變計； 2)直接采用封裝好的傳感器。前一種方式節約空間，但精度很難保證；后一種準確度高，但需預留足夠的安裝空間。電阻應變計式傳感器測試電路采用惠更斯電橋電路，如圖4(a)所示，傳感器封裝時電阻的布置方法如圖4(b)所示。當F>0時，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被壓縮，阻值減小，則輸出電壓增大。通過獲取輸出電壓信號可獲取載荷F的大小。

(a) 惠更斯電橋測量電路

(b) 應變電阻在彈性元件上的布置方式

對于單刃滾刀，刀座與刀軸之間安裝空間足夠，可通過改變刀座結構來安裝封裝好的電阻應變式測力傳感器，但還需具備安裝43.18 cm(17英寸)刀體(可安裝43.18 cm(17英寸)和45.72 cm(18英寸)刀圈)和48.26 cm(19英寸)刀體(可安裝48.26 cm(19英寸)和50.80 cm(20英寸)刀圈)不同尺寸滾刀的功能；對于中心雙聯滾刀，刀座與刀軸之間沒有足夠空間，若在刀座與刀軸之間安裝傳感器，則需采用自制內嵌式應變計的方式實現。

根據上述思路，設計的單刃滾刀垂直力測試方案如圖5(a)所示，單刃滾刀刀箱尺寸按照48.26 cm(19英寸)刀體設計(可安裝48.26 cm(19英寸)和50.80 cm(20英寸)刀圈)； 通過在43.18 cm(17英寸)滾刀刀軸軸端安裝直角墊片，補償刀軸長度及安裝高度，防止刀具軸向竄動，可實現43.18 cm(17英寸)單刃滾刀(可安裝43.18 cm(17英寸)和45.72 cm(18英寸)刀圈)在48.26 cm(19英寸)刀箱上的匹配安裝，如圖5(b)所示。

(a) 19英寸刀體與刀座安裝結構

(b) 17英寸刀體與刀座安裝結構

中心雙聯滾刀空間受限，滾刀載荷測試方法有2種方案： 一種是采用內置應變片方式，另一種是與單刃滾刀測試方法相同原理--采用封裝好的傳感器。前一種方法如圖6(a)所示，在墊塊內置應變片、標定墊塊變形，通過力分解得到滾刀破巖過程中所受垂直力；后一種方法如圖6(b)所示，刀軸與刀座之間空間有限，在刀座與刀梁之間安裝封裝好的傳感器?？紤]到載荷測試的可靠性，實際實施時采用了第2種方式。

(a) 墊塊內置應變計方案

(b) 刀座與刀盤間布置封裝好的傳感器方案

3 滾刀轉速測試方法

單把滾刀轉速測量采用霍爾開關原理，霍爾開關屬于有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可方便地把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號；霍爾效應是當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產生電位差的現象。利用上述原理，在滾刀刀轂上鉆孔安裝磁鋼。為了提高轉速測試的準確性，在刀轂上180°對稱安裝2個磁鋼；在刀座上安裝霍爾電壓發生器，霍爾元件與滾刀刀轂非接觸感應，滾刀轉動1周能檢測到2個脈沖信號，根據脈沖信號的周期計算滾刀實際轉速。滾刀轉速測試方案如圖7所示。

圖7 滾刀轉速測試方案

4 滾刀載荷和轉速監測系統開發

滾刀載荷是反映滾刀工作狀態的重要指標，另外，滾刀的轉速也能反映滾刀是否正常工作，因此，開發滾刀載荷監測系統時，也考慮了滾刀轉速監測功能。

對于TBM掘進模態綜合實驗平臺滾刀載荷和轉速數據監測系統，8把單刃滾刀設計了每把滾刀2路載荷測量和1路轉速測量；3把中心刀設計了6路載荷測量。設計了終端節點對傳感器測量信號進行采集和打包處理并集中發送；研發了多節點對單一主節點的無線數據收發機制，開發了滾刀載荷和轉速數據監控軟件。滾刀載荷和轉速監測通過無線Profibus通訊實現，刀盤背面安裝滾刀載荷和轉速數據終端節點，滾刀傳感器的信號通過有線方式傳輸給終端節點的數據采集模塊，再由終端節點的數據收發模塊通過無線方式將滾刀傳感器數據傳送給主節點，主節點收取的數據在滾刀載荷和轉速監測軟件上顯示和存儲。滾刀載荷和轉速監測系統主要由終端節點、主節點、室內采集單元和上位機軟件系統組成，如圖8所示。

(a) 滾刀載荷和轉速監測系統組成

(b) 滾刀載荷和轉速監測系統方案框圖

滾刀載荷傳感器測試電路采用惠斯登電橋，輸入信號為24 V電壓，輸出信號也為電壓信號，變送器將滾刀載荷傳感器輸出的電壓信號轉換為電流信號，并通過鉗位電路將輸出的電流信號調整到4～20 mA，4 mA對應的滾刀載荷為0，20 mA對應的滾刀載荷傳感器的最大量程值為單刃滾刀500 kN，中心雙聯滾刀800 kN。轉速傳感器供電電壓3 V，信號輸出開關量為0 V或3 V。

滾刀數據傳輸終端節點的功能包括數據采集、處理和傳輸，開發的滾刀數據傳輸終端節點有2種： 一種包括滾刀載荷和轉速數據傳輸2種功能，如圖9(a)所示； 另一種是僅滾刀載荷數據傳輸功能，如圖9(b)所示。終端節點用在不同尺寸滾刀監測時，通過加裝墊塊調整安裝支架位置來滿足不同尺寸滾刀的測量需求。在終端節點頂面留有連接載荷傳感器的接口，方便滾刀載荷傳感器和終端節點連接，同時更換滾刀時方便節點拆裝； 另外，在頂面留有用于電池充電的充電口，便于在終端節點需要充電時直接充電而無需拆裝電池。主節點無需安裝在旋轉的刀盤上，直接通過USB接口連接上位機，主節點通過無線方式接收終端節點的數據，如圖9(c)所示。

(a) 具備載荷和轉速監測功能的數據采集終端

(b) 僅監測滾刀載荷的數據采集終端

(c) 滾刀載荷和轉速監測系統主節點實物

開發的滾刀載荷和轉速監測系統軟件主界面如圖10所示，主要包括系統設置、在線檢測、刀盤設置、自動采集和手動采集等功能。系統設置主要進行主節點、終端節點、通訊方式、采樣頻率以及刀轂上安裝的用于轉速測試的磁鋼數量等參數設置；在線檢測主要對主節點是否已正常工作進行檢測；手動采集和自動采集用于滾刀載荷和轉速的數據采集。

圖10 滾刀載荷和轉速監測系統軟件界面

5 刀盤新制及監測系統安裝

原刀盤僅能安裝43.18 cm(17英寸)滾刀，無法滿足安裝大尺寸滾刀的需求； 滾刀刀軸與刀座之間需要安裝載荷傳感器，也需要加工新的刀座。新制刀盤主要由米字梁、圈梁、牛腿和安裝法蘭焊接而成。米字梁安裝刀座位置精加工，法蘭需要與刀盤驅動連接，接觸面精加工，并且加工安裝螺栓孔。為了防止刀盤米字梁焊接過程中變形而導致刀箱無法安裝，刀盤米字梁下料后采用了特殊工裝連接，采用工字鋼替代后期要安裝的刀箱，并通過螺栓與米字梁連接，既起到防止米字梁變形的目的，又可以保護已經加工好的螺栓孔，如圖11(a)所示。刀盤圈梁采用2個半圓拼接成環方式，環形圈梁與米字梁套裝，通過焊接形成新制刀盤盤體，再通過牛腿將盤體與安裝法蘭連接，完成新制刀盤制造，如圖11(b)所示。

(a) 特殊工裝固定米字梁

(b) 牛腿連接盤體與法蘭

刀座在刀盤上的安裝采用了立體布置的思路，即在刀盤徑向刀間距可調，刀盤軸向刀高差可調。

滾刀刀座可在刀盤米字梁滑槽內沿刀盤徑向移動，實現滾刀間距調整，刀座調整到位后通過螺釘與刀盤固定，可實現開展不同刀間距滾刀破巖實驗；滾刀在刀座上安裝時通過增加或減少墊塊，可實現滾刀分層布置，如圖12所示。

圖12 滾刀分層布置示意圖

單刃滾刀載荷傳感器安裝在刀軸與刀座之間，每把滾刀安裝2個量程500 kN的電阻應變式測力傳感器，如圖13(a)所示；中心雙聯滾刀載荷傳感器安裝在刀座與米字梁之間，3把雙聯滾刀安裝在一個整體可移動刀座上，刀座與刀梁之間安裝6個量程800 kN的電阻應變式測力傳感器，如圖13(b)所示；中心雙聯滾刀僅測載荷，單刃滾刀既測載荷又測轉速，轉速傳感器與終端節點集成。終端節點通過螺栓固定在刀座背面，轉速傳感器伸出探頭監測刀轂上的磁鋼實現轉速測試；載荷傳感器通過變送器與終端節點有線連接。

(a) 單刃滾刀傳感器及終端節點安裝照片

(b) 中心雙聯滾刀傳感器及終端節點安裝照片

TBM掘進模態綜合實驗平臺滾刀載荷和轉速監測系統通過主節點與終端節點無線通訊實現數據交互，并將滾刀載荷和轉速實時數據顯示在監測系統軟件界面上。TBM掘進模態綜合實驗平臺控制系統進行了閉環控制優化，控制系統可以在閉環控制和開環控制2種模式下工作。閉環控制模式下，推進速度和刀盤轉速的大小通過上位機觸摸屏直接輸入控制參數；開環控制模式下，推進速度和刀盤轉速通過控制面板上的電位計調節，如圖14所示。另外，主驅動密封系統增加油脂注入孔，加裝了油脂泵，實現了密封集中自動潤滑，解決了主驅動密封漏油問題；加裝了噴霧除塵系統，有效改善了實驗平臺作業環境。

圖14 控制系統和監測系統照片

6 結論與討論

通過TBM掘進模態綜合實驗平臺升級改造，研發了單把滾刀載荷測試方法，開發了滾刀載荷和轉速監測系統，制造了可立體布置的多功能刀盤，為TBM刀盤不同位置滾刀載荷分布規律的研究提供了實驗工具。

1)研發的單把滾刀載荷測試方法實現了單刃滾刀、中心雙聯滾刀及不同規格滾刀載荷直接獲取。單刃滾刀刀軸與特殊加工的刀座之間安裝電阻應變式測力傳感器，3把中心雙聯滾刀安裝在一個整體刀座上，整體刀座與刀盤米字梁之間安裝6個電阻應變式測力傳感器；刀座結構按照大尺寸滾刀設計，需要安裝小尺寸滾刀時，軸端安裝直角墊片，補償刀軸長度及安裝高度。

2)開發的滾刀載荷和轉速監測系統實現了滾刀載荷和轉速數據的實時采集和無線傳輸。滾刀轉速通過霍爾磁敏開關傳感器感應刀轂上的磁鋼實現，載荷傳感器通過變送器與終端節點有線連接，終端節點與主節點無線通訊。

3)制造的可立體布置的多功能刀盤實現了刀盤刀具多種布置方式，刀座不僅可沿刀盤徑向移動實現滾刀刀間距的調整，還可以通過增加或減少墊塊實現刀盤軸向不同刀高差的調整。

TBM掘進模態綜合實驗平臺的升級改造為多滾刀協同破巖研究提供了實驗工具，下一步將利用升級改造后的實驗平臺開展不同工況下的滾刀破巖實驗，建立刀盤不同位置滾刀載荷分布規律；另外，實驗平臺的升級改造實現了室內滾刀載荷的監測，但要應用于施工現場，還需要進一步研究和優化。