盾构机在线监测技术综述

姚国帅

摘要：随着盾构机制造技术水平的不断提高，以及施工领域的应用越来越多，盾构机行业的竞争也越来越激烈，国内外的盾构机企业都在不断加大资本投入，提高盾构机的安全性、可靠性以及智能化。盾构机结构复杂，一旦发生故障，施工维修难度较大，为及时发现设备存在的问题甚至能够提前预测到设备可能出现的问题，有必要建设基于PHM的盾构机智能运维服务平台，实时监测盾构机的实际运行状态，对异常状态及时报警，合理安排施工计划，以“智能硬核”装备助力“交通强国”建设。

关键词：盾构机；在线监测技术；综述；工作原理

1 盾构机的工作特性分析

以中交天和170#盾构机为例，该型盾构机以土压平衡盾构为基础，结合硬岩开挖技术，当盾构机在软土层进行施工时，可按照软土模式进行施工，当遇到硬岩地层施工时，在刀盘上安装不同的硬岩切削刀具，按照硬岩模式进行掘进。

本项目盾构机按照岩层的条件选用刀具，对于含有黏土、肥土或者淤泥的混合土质在刀盘进土槽两侧安装割刀，当遇到硬岩地层施工时，替换为盘式滚刀。盾构机的基本原理是刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口被压进土舱，泥土落到土舱底部，通过螺旋输送机运到皮带输送机上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进，盾壳对挖掘出的未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面，使得掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。

被管理的盾构机，其主驱动是由7台相同型号和功率的驱动电机，经过一个行星齿轮减速箱，驱动前端的小齿轮转动，然后再带动与小齿轮相啮合的大齿圈，以及与大齿圈固接的盾构机工作头，以3～4r/min的极低转速旋转，进而带动工作头上面的刀具完成掘进任务。

除了主驱动外，盾构机的动态工作零部件还包含数量较多的、担当不同作用的轴向柱塞变量泵和叶片泵构成的液压泵组群。

油液分析是盾构机状态监测的手段之一，能够有效地反映盾构的润滑和运行状态。油液分析的主要监测参数有评价润滑油性能的理化污染指标（包括运动黏度、水分和总酸值等）和评价设备磨损状态的指标（光谱分析、铁谱分析等）。

2 盾构机PHM系统架构

依据监测对象盾构机组的构成和运行特点，在有效布置传感器和数据采集系统的基础上，建立盾构机的智能化PHM平台（含状态监测与故障诊断，并可以同远程数据中心交互），并借助连续稳定的数据采集、分析和诊断，及时监测和反馈盾构机的健康状态，实时发出盾构机故障的报警信息，并进一步给出故障的发生部位和严重程度，最终提供合理的维修建议方案。

项目专门设计了一套完整的盾构机PHM智能健康管理与预测维护系统，能够全面监测和管理盾构机主驱动系统、泵组群系统、润滑系统等各种动态设备的运行状态，进行健康程度分析，并给出维护建议，进而确保盾构机能够安全、稳定、高效地作业，最终实现在高质量生产的前提下，达成降本增效的目标。

盾构机PHM系统由传感器、数据采集器、服务器和软件系统所组成，可以分成状态感知、故障分类、故障报警和健康管理等四大部分。其中，传感器安装于动态设备或零部件的相关部位，实时采集振动、应变、温度、压力等数据，上传至数据采集器；数据采集器在接收到从传感器端发来的信号后，即刻实时处理（滤波、放大等信号调理、A/D，初步分析和特征提取），然后以数字信号形式输出，最终通过以太网传送至服务器，进行存储和分析、诊断、决策等处理。

盾构机PHM系统的整体架构也可以划分为以下两大子系统，即由传感器、数据采集器等硬件设备为核心的感知子系统，由智能化数据处理、大数据分析为核心的软件子系统。

感知平台属于盾构机PHM系统中感知系统的硬件支撑。由各类传感器、数据采集器、交换机、服务器等硬件设备组成。

3 感知系统设计

盾构机主要监测对象为主驱动系统、机泵群以及润滑系统，根据各部件可能出现的故障类型，建立故障信息列表。

同时，对盾构机需要监测动态设备进行统计，总共有需监测的设备和零部件45台（套）。

针对主驱动系统的特点，拟划分成传动和驱动两大部分来实施监测与信号感知。其中，传动部分包含大齿轮、主轴承、驱动小齿轮，驱动部分包括电机和减速箱。监测信号涵盖振动（加速度）、动态应变、温度等范围。

盾构机的工作刀盘属于典型的低速重载设备，转速一般小于3～4r/min，因此，针对传动部分（大齿轮、主轴承、驱动小齿轮）的感知（信号监测），拟在轴承座附近的大齿轮外侧非转动位置处安装振动传感器，进而间接监测轴承、大齿轮和小齿轮的振动信号。

1#～4#测点布置于大齿轮的0点、3点、6点和9点的位置处，监测其单向振动加速度，使用1C130ET振动加速度传感器；5#和6#测点布置于大齿轮的2点和10点（或者根据转向确定），监测其应变，使用DH1102应力应变计；7#测点布置于齿圈内齿，监测其扭振和转速，使用电涡流传感器。

本项目的盾构机采用7台电机联合驱动刀盘的掘进，因此，需要对驱动部分的每一台电机和减速箱配置相应的感知设备。

每套驱动装置都配置3个测点：1#测点布置在驱动电机的右侧轴承处，监测其垂向振动加速，采用1C130ET振动加速度传感器；2#测点布置在驱动电机的左侧轴承处，监测其垂向振动加速度，采用1C130ET振动加速度传感器；3#测点布置在减速箱上，监测其三向振动，采用1C330ET振动加速度传感器。

推进系统中包含推进泵和控制泵，都属于轴向柱塞变量泵。推进泵是轴向柱塞变量泵，型号为A11VO130。控制泵是斜盘式轴向柱塞泵，型号为HP5V45。

1#测点布置于驱动电机动力输入端轴承位置处，监测垂向振动加速度，使用1C130ET振动加速度传感器；2#测点布置于驱动电机动力输出端轴承位置处，监测垂向振动加速度，使用1C130ET振动加速度传感器；3#测点布置于柱塞泵的柱塞处，监测三向振动加速度，使用1C330ET振动加速度传感器。

根据不同型号的柱塞泵和叶片泵的设备结构，针对性地布置测点，从而构建机泵群组的感知系统。

油液品质传感器通过对油液总体品质进行监测，在油液品质发生变化、下降到一定程度时给出预警、报警信号，提醒用户对油液品质进行进一步的化验和评价，以做出脱水、过滤或更换的决策。

4 结语

盾构机对于隧道等工程的作用是不言而喻的，盾构机出现故障时，会对整个工程造成较大的危害，因此，项目对盾构机核心、重点部件运行机理进行研究，分析、总结其潜在故障特征，进而构建一套完备的在线监测系统。

参考文献

[1] 刘宏志.TBM及盾构机设备状态监测与故障诊断实用技术综述[J].隧道建设,2007,27(6):86~88.

[2] 盛兆顺，尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用[M].北京.化学工业出版社,2013.