王少華， 劉泉聲， 黃 興， 張曉波

(1． 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430072； 2. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 湖北 武漢 430071； 3. 長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院， 湖北 武漢 430010)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine，TBM)由于其機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、對外界環(huán)境擾動(dòng)小、開挖洞內(nèi)成形質(zhì)量高等特點(diǎn)，在國內(nèi)外礦山、水利、水電、鐵路及市政隧道工程等領(lǐng)域得到廣泛使用[1]。滾刀是TBM掘進(jìn)時(shí)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(shí)踐表明，在硬巖地質(zhì)條件下的TBM施工過程中，刀具費(fèi)用達(dá)到機(jī)組施工成本的1/3[3-4]。獲取滾刀受力信息有助于在掘進(jìn)過程中及時(shí)對掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)(如推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、貫入度)進(jìn)行調(diào)整，有利于提高破巖效率和加快掘進(jìn)速度，從而延長滾刀壽命； 同時(shí)，根據(jù)不同刀位的滾刀受力情況可以掌握掌子面巖體參數(shù)[5]。此外，獲取滾刀受力信息還可以優(yōu)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(jìn)機(jī)滾刀刀軸上安裝應(yīng)變片，監(jiān)測到約20 min的切削力數(shù)據(jù)。Zhang等[8-9]在正楔齒滾刀和邊楔齒滾刀的刀軸上粘貼應(yīng)變片，對滾刀切削力進(jìn)行了研究。Entacher等[10-11]在固定滾刀的螺栓中埋入應(yīng)變片，通過監(jiān)測這些螺栓預(yù)緊力在滾刀受力時(shí)的變化情況來計(jì)算滾刀破巖力。

目前，國內(nèi)對滾刀破巖力監(jiān)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(yīng)變片來監(jiān)測滾刀受力。陳超等[2]通過在C型墊塊側(cè)表面粘貼應(yīng)變片來測量滾刀破巖力，并采用數(shù)值模擬的方法選擇合適的區(qū)域作為粘貼應(yīng)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(yīng)變片，其優(yōu)點(diǎn)是能較容易地由監(jiān)測結(jié)果得到滾刀受力情況，但是由于掘進(jìn)中滾刀的工作環(huán)境惡劣，直接在其上粘貼應(yīng)變片容易受到破壞，而且在刀軸上埋設(shè)布置導(dǎo)線會(huì)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(dǎo)致應(yīng)變片的破壞，不利于長期監(jiān)測。在固定滾刀的螺栓中放入應(yīng)變片，缺點(diǎn)是應(yīng)變片引出線難以布置，而且滾刀更換過程中會(huì)拆卸螺栓，因而不利于導(dǎo)線的保護(hù)，不適合長期監(jiān)測。陳超等[2]通過在C型墊塊側(cè)表面粘貼應(yīng)變片來測量滾刀破巖力，該方法還處在室內(nèi)研究階段，并沒有真正應(yīng)用到現(xiàn)場監(jiān)測中，而且由于實(shí)際掘進(jìn)中振動(dòng)非常劇烈，在C型墊塊側(cè)表面粘貼應(yīng)變片很容易造成應(yīng)變片失效，不利于現(xiàn)場監(jiān)測。

本文結(jié)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(yīng)變計(jì)的保護(hù)，而且C型墊塊和刀箱直接接觸，應(yīng)變計(jì)引出的導(dǎo)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(jiān)測對象，分別在滾刀的C型墊塊法向力方向和側(cè)向力方向埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，并且考慮滾刀系統(tǒng)的動(dòng)力特性，實(shí)現(xiàn)滾刀受力的長期監(jiān)測。

1 TBM滾刀受力實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

1.1 滾刀受力監(jiān)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(dòng)的特性，使用以往的監(jiān)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(shí)間的切割過程使刀圈發(fā)生磨損，每掘進(jìn)十幾m甚至幾m的長度就要更換一個(gè)刀圈[13]，不利于長時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且導(dǎo)線的布置與保護(hù)也難以實(shí)現(xiàn)。

刀體和圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)特殊，與刀軸配合緊密，難以布線，也不利于長期監(jiān)測。

刀軸是以往國內(nèi)外學(xué)者布置傳感器的一個(gè)位置[7-9]，在其表面粘貼應(yīng)變片。TBM每掘進(jìn)數(shù)環(huán)就要進(jìn)行滾刀磨損檢查，幾乎每天都要進(jìn)行滾刀的更換，不利于長時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且導(dǎo)線的布置與保護(hù)也難以實(shí)現(xiàn)。

C型墊塊在滾刀兩端各有1個(gè)，它的作用是當(dāng)C型墊塊發(fā)生破壞時(shí)可以及時(shí)更換，減小刀盤的破壞程度，與其他部件相比，它的更換次數(shù)相對較少。因此，C型墊塊是一個(gè)布置傳感器的極佳位置，能夠方便布線，而且能夠?qū)崿F(xiàn)長期監(jiān)測。

1.2 滾刀受力監(jiān)測方法

TBM滾刀系統(tǒng)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(jù)滾刀的破巖機(jī)制，滾刀在破巖時(shí)受到3個(gè)力(見圖2)，分別為法向力Fn、滾動(dòng)力Fr和側(cè)向力Fs[14-15]。本文僅考慮了對法向力Fn和側(cè)向力Fs的監(jiān)測，對于滾動(dòng)力Fr的監(jiān)測還需要進(jìn)一步研究。

圖1 TBM滾刀系統(tǒng)

圖2 滾刀結(jié)構(gòu)及受力示意圖

當(dāng)滾刀切割巖石時(shí)，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(jiān)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(tǒng)動(dòng)力學(xué)等效模型

Fig. 5 Mechanical equivalent model of TBM disc cutter system

目前，此模型只能計(jì)算滾刀系統(tǒng)的法向力、側(cè)向力，而沒有考慮滾動(dòng)力。該方法能適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，防止應(yīng)變計(jì)受到巖渣碰撞，實(shí)現(xiàn)反復(fù)利用，并考慮滾刀系統(tǒng)的振動(dòng)特性，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)原理得到刀具真實(shí)受力。

1.3 滾刀受力實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

搭載系統(tǒng)的主要組成部分有無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)傳感器、無線網(wǎng)關(guān)、USB2.0延長器、電腦PC端以及數(shù)據(jù)采集軟件。搭載系統(tǒng)安裝示意圖見圖6。

圖6 搭載系統(tǒng)現(xiàn)場安裝示意圖

無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)傳感器型號(hào)為SG404EX，主要由應(yīng)變測量電路(轉(zhuǎn)換電路)、采集處理模塊、無線收發(fā)模塊和電源模塊組成。該型傳感器有4個(gè)通道，可以方便地由數(shù)據(jù)采集控制軟件自動(dòng)切換選擇1/4橋、半橋、全橋測量方式，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)無線傳輸至計(jì)算機(jī)，也可以存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的1 GB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有專門的電源管理軟硬件，節(jié)點(diǎn)功耗為48 mA，使用內(nèi)置可充電電池，電池充電電壓為(5± 0.1) V，可連續(xù)測量10 h以上，節(jié)點(diǎn)帶有USB接口，用戶可以通過USB接口對節(jié)點(diǎn)充電。由于TBM刀盤是旋轉(zhuǎn)的，而刀盤之后的部分是不旋轉(zhuǎn)的，如果用電線直接充電，會(huì)導(dǎo)致電線的扭斷，這就需要在刀盤背部布置一個(gè)可以給無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(hù)罩對其進(jìn)行保護(hù)，充電器每3 d充電一次，充放電循環(huán)次數(shù)≥300次。

無線網(wǎng)關(guān)型號(hào)為BS951，由無線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn) ModBus 協(xié)議通信等模塊組成。BS951無線網(wǎng)關(guān)采用BeeLPW無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，支持點(diǎn)對多等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對不同位置滾刀受力情況的監(jiān)測。

數(shù)據(jù)采集軟件為BeeData，安裝該軟件的電腦PC端與無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，可以對網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及分析。

2 滾刀C型墊塊受力標(biāo)定

2.1 標(biāo)定試驗(yàn)裝置及流程

傳感器安裝在C型墊塊上來監(jiān)測其受力變化，因此，需要對其應(yīng)變和受力大小之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。由于滾刀內(nèi)部有軸承，在對滾刀的刀圈施加荷載的時(shí)候軸承可能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，不容易保持穩(wěn)定，使得標(biāo)定過程比較難以實(shí)現(xiàn)。針對這種情況，設(shè)計(jì)了專門的標(biāo)定裝置，如圖7所示。實(shí)際刀軸為圓柱體，而圖中刀軸為棱柱體，這樣設(shè)計(jì)的目的是： 1)試驗(yàn)機(jī)的壓頭是一個(gè)平面，將刀軸設(shè)計(jì)為棱柱體后更容易與試驗(yàn)機(jī)壓頭穩(wěn)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(shí)際完全相同，從而最大程度地保證C型墊塊與實(shí)際受力狀態(tài)相同。此外，為了使C型墊塊在受力過程中保持穩(wěn)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(biāo)定裝置

Fig. 7 Calibration device

在C型墊塊受力(法向力和側(cè)向力)面的內(nèi)部鉆有圓柱小孔，如圖8(a)所示。圓柱電阻應(yīng)變計(jì)通過專用膠水固定于孔中，固定后應(yīng)變計(jì)需通過延長線與應(yīng)變計(jì)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(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)。

(a) 鉆孔和切槽

(b) 應(yīng)變計(jì)安裝完成

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

其中，圓柱電阻應(yīng)變計(jì)(見圖9)使用的是箔式應(yīng)變計(jì)(可測單向應(yīng)變)，型號(hào)為KGG-3-120-C20-11，其具有自補(bǔ)償功能，不需要使用補(bǔ)償片，自身能夠抑制應(yīng)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(shù)如表1所示。

圖9 圓柱電阻應(yīng)變計(jì)

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

該標(biāo)定試驗(yàn)在自行研制的RMT301巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖10(a)所示。

由于實(shí)際有2個(gè)C型墊塊共同承受滾刀荷載，而各自應(yīng)變計(jì)的安裝情況不可能完全一樣，因此對它們同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定試驗(yàn)如圖10(b)所示，刀軸的受力點(diǎn)為中部位置，2個(gè)墊塊各承擔(dān)一半的荷載。試驗(yàn)采用力-行程控制方式，在對底面進(jìn)行加載時(shí)，按每級荷載為40 kN逐級加載，每級荷載分別穩(wěn)壓1 min，直至達(dá)到200 kN的額定荷載；在對側(cè)面進(jìn)行加載時(shí)，按每級荷載為20 kN逐級加載，每級荷載分別穩(wěn)壓1 min，直至達(dá)到100 kN的額定荷載。

(a) 試驗(yàn)機(jī)

(b) 標(biāo)定試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2個(gè)墊塊的應(yīng)變與外荷載的關(guān)系(標(biāo)定結(jié)果)如圖11所示。從圖中可以看出，隨著外荷載的增大，應(yīng)變幾乎呈線性增大。但是，2個(gè)C型墊塊在相同的受力情況下應(yīng)變值卻稍有不同，導(dǎo)致2條曲線的斜率不同。這可能是因孔徑較小，較常規(guī)應(yīng)變計(jì)的粘貼難度大，2個(gè)應(yīng)變計(jì)的粘貼情況不完全一致所造成的。這種情況不會(huì)影響計(jì)算受力的準(zhǔn)確性，只需使用各自的標(biāo)定曲線即可。

某些檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)雖然根據(jù)國家和地方法律法規(guī)制定了本單位的實(shí)驗(yàn)室安全管理規(guī)章制度，但是，不重視與實(shí)驗(yàn)室安全相關(guān)的法律法規(guī)和規(guī)章制度，依法守規(guī)意識(shí)不強(qiáng)。對實(shí)驗(yàn)室安全責(zé)任意識(shí)淡薄，表現(xiàn)在個(gè)別責(zé)任人誤認(rèn)為涉及實(shí)驗(yàn)室安全第一責(zé)任人是單位法人或主要領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)生事故處理最重的是單位法人或主要領(lǐng)導(dǎo)，其實(shí)從事具體工作的部門（部門責(zé)任人和當(dāng)事人）是事故的第一直接責(zé)任人，對事故承擔(dān)直接民事或刑事責(zé)任。

(a) 1號(hào)墊塊法向方向外荷載與應(yīng)變關(guān)系

(b) 1號(hào)墊塊側(cè)向方向外荷載與應(yīng)變關(guān)系

(c) 2號(hào)墊塊法向方向外荷載與應(yīng)變關(guān)系

(d) 2號(hào)墊塊側(cè)向方向外荷載與應(yīng)變關(guān)系

3 滾刀破巖過程受力監(jiān)測及驗(yàn)證

3.1 破巖試驗(yàn)裝置及流程

為了驗(yàn)證受力測試方法的可行性和有效性，有必要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展?jié)L刀破巖物理試驗(yàn)。本文在滾刀巖機(jī)作用綜合試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行回轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)，如圖12(a)所示。

由于與試驗(yàn)臺(tái)配套的巖箱是圓柱體，那么使用巖石作為試驗(yàn)材料時(shí)，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(huì)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(yàn)臺(tái)最初是為研究滾刀破巖機(jī)制而設(shè)計(jì)的，刀座與實(shí)際有區(qū)別，因此，重新加工了一個(gè)新的刀座，特意設(shè)計(jì)了C型墊塊，墊塊如圖7中序號(hào)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(yàn)如圖14所示。

本次試驗(yàn)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(shí)澆筑了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣(高100 mm，直徑50 mm)，并同時(shí)養(yǎng)護(hù)。在試樣養(yǎng)護(hù)完成后，對試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，得到試樣的力學(xué)參數(shù)為抗壓強(qiáng)度45.4 MPa、彈性模量6.42 MPa、抗拉強(qiáng)度2.56 MPa。

破巖試驗(yàn)時(shí)，在設(shè)定貫入度下可切割4刀(貫入度可設(shè)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(zhuǎn)破巖試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度均設(shè)為1 r/min，每一刀的切割時(shí)間均為2 min。

3.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

每種貫入度進(jìn)行4次貫入破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，為了檢驗(yàn)受力測試方法的可行性及準(zhǔn)確性，每種貫入度僅選取滾刀切割半徑為430 mm的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算方法如下。

首先，根據(jù)圖11所示的標(biāo)定曲線由應(yīng)變測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到墊塊受到的接觸力； 然后，利用前文滾刀監(jiān)測方法計(jì)算得到法向力和側(cè)向力。

(a) 試驗(yàn)臺(tái)

(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(yàn)

(a) 法向力

(b) 側(cè)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(shí)，計(jì)算得到的法向力、側(cè)向力分別如圖16(a)、(b)所示。

(a) 法向力

(b) 側(cè)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(shí)，計(jì)算得到的法向力、側(cè)向力分別如圖17(a)、(b)所示。

分析圖15—17可得出如下結(jié)論： 1)在不同貫入度下，根據(jù)振動(dòng)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(dòng)的，造成滾刀以及試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)； 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(jì)算的側(cè)向力的可靠性。2)隨著貫入度的增大，滾刀所受法向力和側(cè)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(yàn)證結(jié)論。

(a) 法向力

(b) 側(cè)向力

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

4 結(jié)論與討論

針對TBM滾刀受力實(shí)時(shí)監(jiān)測難題，本文選取C型墊塊作為直接監(jiān)測部位，采用可嵌入式應(yīng)變計(jì)，并且考慮滾刀系統(tǒng)的動(dòng)力特性，提出一套完整的滾刀受力監(jiān)測方法(分析論證了部件的選擇、建立了滾刀系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等效模型和振動(dòng)微分方程)。該監(jiān)測系統(tǒng)所選擇的部位不僅方便布線，而且能夠?qū)崿F(xiàn)長期監(jiān)測，一般隧道施工環(huán)境對其幾乎沒有影響。通過破巖試驗(yàn)，驗(yàn)證該監(jiān)測方法的可行性和有效性，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)在不同貫入度下，根據(jù)受力監(jiān)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(cè)向力也在增大。

下一步，將采用該監(jiān)測方法開展現(xiàn)場監(jiān)測研究，主要包括：

1)監(jiān)測系統(tǒng)搭載的完善。如在TBM出廠組裝時(shí)就通過刀盤處的旋轉(zhuǎn)接頭布置電滑環(huán)，為無線應(yīng)變儀持續(xù)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(jiān)測點(diǎn)，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(guī)律。

3)同樣，在邊緣滾刀處布置監(jiān)測點(diǎn)，可以比較面板滾刀和邊緣滾刀受力的不同。通過現(xiàn)場監(jiān)測完善本監(jiān)測方法，并根據(jù)滾刀受力監(jiān)測結(jié)果為刀盤滾刀的設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步的設(shè)計(jì)依據(jù)，有助于在掘進(jìn)過程中及時(shí)對掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，有利于提高破巖效率和延長滾刀壽命。

4)進(jìn)一步完善監(jiān)測方法、系統(tǒng)等效模型，使得監(jiān)測系統(tǒng)更能夠適應(yīng)TBM惡劣的施工環(huán)境。