大直径市域快轨隧道盾构机刀具的磨损监测点布置方法及磨损监测方法与流程

本发明涉及盾构机刀盘上的刀具磨损监测，尤其是针对大直径市域快轨隧道盾构机刀具的磨损监测点布置方法及磨损监测方法。

背景技术：

随着轨道交通建设的不断进行，盾构施工因其施工的快速、安全迅速在城市轨道交通建设中占据了一席之地。而目前考虑到盾构单圆隧道空间利用率较低，后续隧道建设在向更大直径盾构方向发展，其中市域快轨更是应用直径为9.0m级盾构进行相应施工。随着盾构直径的增大，长距离掘进对盾构刀盘刀具磨损是一个不可忽视的问题，尤其在北京地区砂卵石地层中进行盾构施工，刀盘刀具磨损严重，换刀对施工安全、施工工期以及施工质量都会带来一定影响，需要对刀盘刀具磨损进行不断的跟踪监测，因此有人提出了对刀盘刀具进行磨损监测以及时进行换刀，保证盾构施工的安全。现有对刀盘刀具的磨损监测大致分为两种，一种是基于液压系统对刀具磨损进行监测；另一种是基于电阻电信号传递来监测刀具磨损情况。二者均为盾构刀盘刀具磨损监测手段，但是目前缺乏对市域快轨类盾构刀具磨损监测点布置的设计，尤其是缺乏对9.0m级别市域快轨盾构的相关研究，上述监测手段不适用市域快轨类盾构刀具的磨损监测，这对实际工程中对盾构刀盘刀具磨损监测是不利的，易出现偏差值，无法为后续施工积累有效经验。

技术实现要素：

为解决上述问题，针对大直径市域快轨隧道盾构机刀具的磨损特点，尤其是针对长距离砂卵石地层的9.0m级市域快轨盾构刀具，本发明创新的提出了一种磨损监测点布置方法，利用本设计可有效地监测市域快轨盾构刀盘刀具的磨损情况，并类比出尚未布置监测点处盾构刀具磨损情况，对盾构换刀起到指导作用。

本发明首先提供一种大直径市域快轨隧道盾构机刀具的磨损监测点布置方法，包括如下步骤：

(1)确定盾构机刀盘上的待监测刀具类型：根据刀具的功能、长度、刀盘圆心距，确定盾构刀具的长度较高的撕裂刀、长度较低的撕裂刀以及刮刀为待监测刀具；

(2)确定各类型的待监测刀具磨损监测点数目：根据不同类型待监测刀具的数量和磨损特点，确定各类型刀具磨损监测点数目；

(3)确定待监测刀具磨损监测点布置密度与圆心距的关系：待监测刀具磨损监测点布置密度随圆心距增大而增大，即外圈布置较多监测点，随着圆心距减小，监测点数目随之减小；

(4)确定同类型待监测刀具磨损监测点在刀盘上的位置分布：

撕裂刀：刀盘最外侧两种长度的撕裂刀，以及由外向内，不同长度的正面撕裂刀，均设置磨损监测点；

刮刀：最外侧刮刀，以及内部刮刀，均设置磨损监测点。

优选地，步骤(2)中，长度较高的撕裂刀布置4个监测点，长度较低的撕裂刀布置4个监测点，刮刀布置4个监测点。

优选地，步骤(3)中，刀盘最外层4个监测点，由外向内第二层4个监测点，第三层2个监测点，第四层2个监测点。

优选地，步骤(4)中，刀盘最外侧两种长度的2把撕裂刀各设置1个监测点，由外向内，不同长度的6把正面撕裂刀各设置1个监测点；最外侧正、反向各1把刮刀各设置1个监测点，内部正、反向各1把刮刀各设置1个监测点。

优选地，刀盘最外侧两种长度的2把撕裂刀呈180°镜像布置；由外向内，不同长度的6把正面撕裂刀呈60°全圆交错均布。

优选地，不同长度的6把正面撕裂刀具体布置方式为：较高长度撕裂刀外圈1把，内圆环1把，内圈1把，120°全圆均布，较低长度撕裂刀与其布置方法相同。

优选地，最外侧正、反向各1把刮刀同轨迹，180°分布，内部正、反向各1把刮刀位于刀盘外圈，同轨迹，180°分布，内部刮刀点位与最外侧刮刀点位90°交错分布。

优选地，所述大直径市域快轨隧道盾构机刀具为用于长距离砂卵石地层的9.0m直径市域快轨隧道盾构机刀具，刀具在刀盘上分布如下：撕裂刀切削轨迹共计26条，b1～b26，刮刀切削轨迹共计17条，1#～17#，其序号越大代表距离盾构中心越远，其磨损监测点布置为：最外层4个测点分别布置在轨迹b24、b25、b26×2，第二层4个测点分别布置在轨迹11#、12#、b18、b19上，第三层2个测点分别布置在轨迹b14、b15上，第四层2个测点布置与轨迹b7、b8上。

本发明进一步提供一种应用所述磨损监测点布置方法的磨损监测方法，进一步包括如下步骤(5)：

进行磨损监测：将测量传感器镶嵌于待监测刀具内，在测量传感器与刀具接触的部位填充环氧树脂使得测量传感器与刀具保持绝缘，在测量传感器基座与刀具接触的部位加橡胶垫进行密封，当刀具被磨损时，通过测量传感器即可得到刀具的磨损量。

优选地，步骤(5)中，所述测量传感器为多个电阻并列连接形成的电阻排，电阻排顶端与刀具的刀刃平齐，通过测量总电阻的变化后进行换算得到刀具的磨损量。

有益效果：本发明研究大直径市域快轨隧道盾构机刀具磨损的特点，对刀盘刀具磨损监测点布置进行了细化剖分，从刀具类型、刀具高度、刀具圆心距等方面进行分析，创新性地提出了市域快轨盾构刀具磨损监测点布置原则，该布置方法能够有效地监测大直径市域快轨盾构刀盘各刀具的磨损情况，最大程度的真实反映大直径市域快轨盾构刀具的磨损程度，以便在需要时及时更换，同时能够为今后类似工程监测盾构刀盘刀具磨损情况提供理论依据，从而可依托该原则有针对性地对刀盘刀具进行磨损监测，降低工程类比法布置刀盘磨损监测点带来的误差，为后续刀具磨损研究积累宝贵经验。

附图说明

图1是盾构刀盘刀具磨损监测点布置示意图；

图2是刀盘刀具磨损监测点轨迹分布图；

图3是刀具及监测点排列示意图；

图4是刀盘磨损检测装置安装示意图；

图5是监测装置信号传递示意图。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

如图1、图2所示，在本发明的一个具体实施方式，首先阐述了一种大直径市域快轨盾构刀具的磨损监测点布置方法，可应用于大直径市域快轨级别盾构刀具磨损监测。根据空气动力学原理，车辆运行速度越快，受到的空气阻力越大，车辆周围气压越低，市域快轨由于运行速度快，受到的空气阻力大，快轨周围气压低，隧道壁由于压强差值变大，受到的“吸力”更大，故快轨需要更大的隧道半径，已有达到直径9m级甚至更大。由于盾构直径较大，且刀具间存在高差，因此大直径市域快轨隧道盾构刀具磨损测点布设遵循如下原则：

1：首先确定不同类型刀具磨损监测点数目

将刀具根据其功能、刀具长度、刀盘圆心距进行分类。土质地层中盾构刀盘撕裂刀最高，刮刀次之，一般不布设滚刀，因此主要对这两类刀具进行磨损监测。而撕裂刀由于其高度大于刮刀，因此是磨损最为严重的刀具，故若盾构到盘上主要刀具为撕裂刀和刮刀，则应将刀具磨损监测点较多地布置在撕裂刀上，根据地层条件的不同，两者布置比例可进行一定范围内的微调。在设计上为了使刀盘使用寿命更长，通常情况会设置不同高度的撕裂刀，这样即便较高长度撕裂刀磨损严重，仍可由第二层较短的撕裂刀继续完成撕裂土层的任务，从而保证盾构持续掘进。而这两种不同长度的撕裂刀在设计上的表现形式为间隔布置，即一层长度较高撕裂刀，其相邻切削轨迹则为长度较低的撕裂刀，这种设计方式可以有效对地层中土体进行切削。因此，考虑到不同高差撕裂刀布置情况，两种高度撕裂刀均对土体切削起到重要作用，因此应对这两种高度撕裂刀的磨损监测权重相同，即二者各分摊撕裂刀磨损测点数目的一半，剩余磨损监测点布置在刮刀上。

本发明中，根据大直径市域快轨盾构刀具的使用地层情况和磨损特点，由于盾构刀盘直径较大，因此共设置12个刀具磨损监测点1，如图1所示，长度较高的撕裂刀布置4个监测点，长度较低的撕裂刀布置4个监测点，刮刀布置4个监测点。

2：确定刀具磨损监测点布置密度与圆心距变化的关系

由于盾构刀盘直径较大，因此在刀盘外圈，其线速度最大，切削土体及卵砾石对刀具磨损最严重，因此刀具磨损监测点布置密度应随圆心距增大而增大，即外圈布置较多监测点，随着圆心距减小，监测点数目也随之减小，以本次北京地铁新机场线06标隧道市域快轨为例，刀盘直径达到9.0m级，这种直径级别的刀盘磨损监测在现有技术中尚未有行之有效的手段报导。本发明针对此，进行充分研究和分析磨损特点，对于撕裂刀，将刀盘切削轨迹共计划分26条，b1～b26，对于刮刀，将刀盘切削轨迹共计划分17条，1#～17#，其序号越大代表距离盾构中心越远，参见附图2。根据9.0m级刀盘刀具的磨损特点，最外层共计布置4个测点，分别布置在轨迹b24、b25、b26×2。由外向内第二层共计4个测点，分别布置在轨迹11#、12#、b18、b19上。由外向内第三层共计2个测点，分别布置在轨迹b14、b15上，第四层2个测点，布置与轨迹b7、b8上。由于小于b7轨迹，其线速度相对较低，刀具磨损相对较小，且靠近中心鱼尾刀，因此通常不对更小轨迹标号上的刀具进行磨损监测点位的布置。

3：同种类型刀具磨损监测点在刀盘上的位置分布情况

(1)撕裂刀2：刀盘最外侧撕裂刀，两种长度的2把撕裂刀各设置1个监测点，确保盾构开挖直径，为较全面收集盾构磨损数据，由外向内，不同长度的6把正面撕裂刀各设置1个监测点；最外侧正、反向各1把刮刀各设置1个监测点，内部正、反向各1把刮刀各设置1个监测点。

进一步地，刀盘最外侧撕裂刀布置的两个测点为180°镜像布置；随着盾构轨迹编号的下降，不同高度的6把正面撕裂刀按60°全圆交错均布，具体布置方式为较高长度撕裂刀外圈1把，内圆环1把，内圈1把，120°全圆均布，较低长度撕裂刀于其布置方法相同。

(2)刮刀3：刮刀分布于撕裂刀两侧，其受磨损程度较小，因此布置措施为最外侧刮刀正、反向各1把，同轨迹，180°分布，内部刮刀正、反向各1把，刀盘外圈，同轨迹，180°分布，内侧刮刀点位与边刮刀点位90°交错分布。

本发明以北京地铁新机场线06标市域快轨为例，两种长度的撕裂刀分别为190mm撕裂刀和155mm撕裂刀，详细刀具磨损监测点布置如下(盾构过程中，刀具的高度越低越危险，一旦刀高全部磨损就开始磨损刀盘，因此本例中，长度最高的220mm撕裂刀由于高度大，基本磨不坏，不需要监测，不设置监测点)：

再参见图4、图5，本发明的另一个具体实施方式，阐述了一种市域快轨盾构刀具的磨损监测方法，进一步包括如下步骤：进行磨损监测：将测量传感器4镶嵌于待监测刀具内，包括撕裂刀2和刮刀3，在测量传感器与刀具接触的部位填充环氧树脂使得测量传感器与刀具保持绝缘，在测量传感器基座与刀具接触的部位加橡胶垫进行密封，当刀具被磨损时，通过测量传感器即可得到刀具的磨损量。

具体是，通过多个电阻并列连接形成电阻排作为测量传感器主要部件，将传感器镶嵌于盾构机的刀具内，且传感器(电阻排)顶端与刀具的刀刃平齐。由于刀盘导电性很好，一旦接触电阻排可能会形成并联电阻，为防止刀具对电阻值产生影响，进一步在电阻排与刀具接触的部位填充环氧树脂使得电阻排与刀具保持绝缘。同时，电阻排基座是在刀具后面不参与磨损，但是里面的传感器必须隔水，为防止刀具产生裂纹进水对电阻排基座造成破坏，在电阻排基座与刀具接触的部位加橡胶垫进行密封。

对电阻排提供恒流源供电，当刀具被磨损时，绝缘衬底以及单电阻自身也同时磨损，导致传感器自身输出的总电阻发生变化，设计总电阻与刀具磨损量之间为线性关系，通过测出此总电阻的变化后进行换算即可得到刀具的磨损量。针对不同电阻值下的电信号经过信号放大器放大后通过内置通讯传输传送给接收模块，接收模块接收后再输出给plc，最后数据传输至上位机。

本发明针对刀盘刀具磨损监测测点布置进行了细化剖分，从刀具类型、刀具高度、刀具圆心距等方面进行分析，创新性地提出了市域快轨盾构刀具磨损监测点布置原则，能够有效地监测市域快轨盾构刀盘各刀具的磨损情况，最大程度的真实反映市域快轨盾构刀具的磨损程度，以便在需要时及时更换，同时能够为今后类似工程监测盾构刀盘刀具磨损情况提供理论依据，从而可依托该原则有针对性地对刀盘刀具进行磨损监测，降低工程类比法布置刀盘磨损监测点带来的误差，为后续刀具磨损研究积累宝贵经验。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。