新型盾构机刀具磨损检测技术研究.pdf

中国建筑2013年技术交流会论文集 新型盾构机刀具磨损检测技术研究 朱英伟 张洪涛 郝本峰 郑国良 （中建交通建设集团有限公司，北京， 100142） 摘要： 盾构机刀具磨损检测系统是目前主要品牌盾构机上的标准配置，然而该系统的工作原理及结构组成 却不尽相同，所以其检测结果的准确性、系统的可靠性等都有所不同。通过分析研究不同刀具磨损检测系 统的技术原理、应用效果，总结其各自的优缺点，从而为新产品、新技术的开发和创新提供重要依据。 关键词： 刀具磨损；检测系统；研究；创新。 1 前言 在城市地下工程不断发展的今天，采用世界上比较先进的地铁施工技术 -盾构法施工进 行隧道建设越来越广泛，这主要是它具有隧道结构施工质量高、防水性能好、适用地层广和 对周围环境影响小、安全性高、施工效率高等优点。在盾构施工过程中，特别是在复杂地层 环境下或者长距离施工中刀具磨损比较严重，经常需要更换刀具，更换刀具是盾构施工中一 个极为重要和危险的过程，及时、高效的更换刀具是确保盾构施工连续性的关键。特别是在 特殊的地层（如江河湖底、高危建筑物下、繁忙路段等）施工过程中，如果能及时掌握刀具 的磨损量，可以预先判断刀具的更换时间，实现有计划的预换刀，相比临时仓促加压换刀， 不仅可为施工单位节约大量的资金和时间，将产生巨大的经济价值。另外，根据不同地层盾 构刀具的磨损程度，可以优化掘进参数，为以后同类地层的掘进建立了丰富的掘进参考数据 库。 2 几种盾构机刀具磨损检测系统的综合研究 2.1 国内外刀具磨损检测系统研究情况分析 刀具磨损检测在盾构施工过程中是一个难点也是一个重点。 国内外的盾构行业者在刀具 磨损检测方面的研究从来没有间断过，盾构刀具磨损检测按照检测方式分为电气检测、液压 检测、气体检测三种方式，按照检测特点分为极限式和连续式两种。极限式检测即刀具磨损 到某一定值时，产生一个报警信号，目前电气检测、液压检测、气体检测三种方式均可作为 极限式检测刀。连续式检测目前只有电气检测的方式可作为连续式检测刀。以上几种磨损检 测技术无法兼顾多点检测和准确可靠性两个方面。 2.1.1 电气磨损检测技术研究 日本盾构厂家如三菱、石川岛、小松等一直使用电气磨损检测技术，而电气磨损检测技 术又以超声波检测和金属检测为主（如下图 1、图 2）。金属检测属于极限式检测方式，可靠 性不高，易产生误报；目前超声波磨损检测是唯一可以提供实时数据的一种检测方式。但因 磨损检测刀具受刀具装配形式和检测探头精度的影响， 在实际盾构施工过程中提供数据有一 定的偏差。 图 1 超声波磨损检测实物图 806 中国建筑2013年技术交流会论文集 图 2 金属探测磨损实物图 2.1.2 液压磨损检测技术 德国海瑞克、美国罗宾斯在盾构刀盘上一直使用液压磨损检测刀，通过 1-2个点的压力 检测，简单的判断 1-2把刀具的磨损量。该液压磨损检测刀为极限式检测刀，即当刀具磨损 到一定高度时，造成检测刀内腔压力无法保持、由此判断刀具的磨损量。但受中心回转尺寸 和内部管路数量的影响，无法在较多位置安装不同高度的磨损检测刀，造成磨损检测刀不能 有效反映整个刀盘的磨损状况，并且不能反映具体是哪一把刀具发生了磨损。 图3 液压极限式检测示意图 2.1.3 气体磨损检测技术 法国 NFM 公司， 在其TBM 机器使用化学气体检测， 气体检测主要应用在TBM机器中， 通过在刀具空腔内压缩一定量的异味惰性气体或易于检测反映的化学气体。 一旦磨损量达到 一定预先设定的刀具磨损度， 则泄露出刺鼻的异味或通过气体检测装置发现刀具里预先压缩 的化学气体，能很敏感地报告刀具损坏消息。这种方法在土压平衡式盾构和泥水盾构中效