行业要闻

 

【摘　要】盾构机上应用传感器技术,可以为盾构操作、PLC控制、计算机数据采集等提供及时、准确的设备信息和施工信息。结合工程实践,介绍了盾构机传感器的基本配置、设计选型、安装调试、维护保养和现场技术服务的概况,并对其工作原理进行了分析,以供同行参考。

【关键词】盾构;传感器;信息;检测;施工参数

 

      上世纪80年代末,微电子技术的进步促进了盾构机信息检测应用技术的发展,部分发达国家开始利用信息源指导隧道施工,在盾构机上安装各类传感器,从而可通过计算机技术实现盾构设备信息化管理。

      1988年,我国开始研制Φ4. 35 m土压平衡盾构,至1996年,已先后设计制造了4台Φ3. 8 ~6. 34 m、采用传统的继电器逻辑控制技术的土压平衡盾构。上世纪九十年代后,上海轨道交通、越江隧道等工程先后从法国、日本、德国等国家引进了多台土压平衡盾构和泥水平衡盾构。通过消化吸收这些国外盾构的先进技术,结合施工实际,逐步开始在国产盾构机上应用传感器技术,为盾构操作、PLC控制、计算机数据采集等提供及时、准确的设备信息和施工信息,直接提升了国产盾构的总体技术性能。

1、盾构信息检测装置的基本配置

1. 1 按功能分类

      盾构信息检测装置有三种类型:

      (1)检测盾构设备信息:电量信息用于检测供电电压、供电和配电电流;高量程压力信息用于检测液压泵的油压等。

      (2)检测盾构施工信息:姿态信息用于检测盾构的旋转角和倾斜角;低量程压力信息用于检测盾构切口土体压力、螺旋机内土体压力和加泥压力等。

      (3)同时反映设备信息和施工信息:位移信息用于检测推进千斤顶的状态,同时也反映盾构掘进的距离;转速信息反映了刀盘或螺旋机的机械传动状态,同时也反映土压平衡控制的过程信息等。

1. 2 按传感器分类

      盾构检测装置由传感器和变送器两部分组成，传感器的作用是将非电物理量转换为电量,而变送器则是将传感器输出的电量转换成与量程对应的标准电量。目前,盾构采用的传感器类型有:

      (1)压力传感器:高量程的压力传感器用于检测液压系统的压力,常选用电容式或硅固态式传感器,以减少油温变化对传感器线性的影响;低量程的压力传感器具有灵敏度高、性能稳定的特点,用于检测施工对象的压力,常选用电阻应变式传感器。

      (2)位移传感器:主要用于检测推进千斤顶的伸缩长度,采用内置式光栅位移传感器,以适应施工环境可靠性要求。

      (3)转速传感器有两种类型:利用机械传动转速比将接近开关计数脉冲送运算器处理,常用于无法直接测量的工况,如螺旋输送机的转速;绝对式旋转编码器,用于可直接测量的工况。

      (4)姿态传感器:利用重力原理,以检测盾构旋转和倾斜角度。

1. 3 地铁盾构传感器基本配置

      上海隧道工程股份有限公司设计制造的Φ6.34m土压平衡式盾构传感器的基本配置见表1。

1. 4 地铁盾构传感器主要特点

      (1)盾构在掘进中施工环境恶劣,空气湿度高,传感器有可能被油、泥浆、泥水等污染;同时,盾构机的空间狭小,传感器有可能造成机械损伤。

      (2)由于地下土体压力高,土压传感器在掘进过程中难以置换,所以对传感器可靠性的要求较高。

2、盾构土压力检测装置的设计选型

2. 1 土压力传感器基本工作原理

      采用压阻式传感器检测盾构切口的土体压力,压阻式传感器的电阻应变片粘合在产生力学应变的基体上,当基体受外力发生形变时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变(见图1)。

      电阻应变片的电阻值与应变片导体的长度成正比,与应变片导体的截面积成反比

      R =ρL/S                                              (1)

      式中:ρ为金属导体的电阻率;

      S为导体的截面积[(mm)²];

      L为导体的长度(mm)。

      应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,需要组成应变电桥(1个应变电阻、3个定值电阻)检测外力。应变电桥在工作电压(如直流5 V)的条件下,如无外力,四个桥臂电阻相等,应变电桥输出点等电位,应变电桥输出电压为零;如有外力,应变电阻发生变化,应变电桥输出电位发生变化,应变电桥有输出电压。

2. 2 土压力信号变送器

      传感器满量程时输出为毫伏级电压,需要后续电路进行信号放大。信号调理放大的对应值为0~5bar(满量程),所对应的输出电流流量值为4~20mA。

2. 3 传感器选型

      由于土压传感器安装在盾构机正面,一旦盾构机出洞,如遇损坏就难以更换,所以,对其工作可靠性和稳定性要求极高。目前,上海地铁土压平衡盾构选用日本共和KYOWA土压传感器(见图2)。其基本技术指标:工作电压为220 AC;量程范围为0~5 bar;输出信号为4~20mA;防护等级为IP67;测量精度为0. 1%。

3、盾构检测装置的安装调试

3. 1 标定工艺

      传感器虽然有出厂标定,但如果放置时间过长或经长期使用后,物理数据会发生漂移,需要重新进行标定。标定是在专用仪器或校验台上进行,其目的是使实测物理量值与实际物理量值一致。标定工艺与传感器的类型有关,现以盾构土压传感器校正为例:

      (1)先加工一套夹模,夹模连接校验台和土压传感器,并保证传感器表面油腔的液压油不泄漏,然后连接土压传感器和变送器信号线并接通电源。

      (2)标定“增益”和“零点”。在变送器上有“增益”和“零点”微调旋纽,经调整使变送器输出U₂与实际物理量值的满量程和零点值对应,U₂与传感器输出U₁的关系为:

      U₂=AU₁+Z                                      (2)

式中:A为放大器增益;

       Z为零点迁移。

      由式(2)可见,需要反复调整“增益”和“零点”,才能同时满足U₂与实际物理量值的满量程和零点值相对应。

      (3)标定“线性”。标定过程中,作用于土压传感器受力面的作用力以0. 5 bar递增(正程)至满量程或递减(逆程)至零点。如此反复(至少3个周期),以记录实际值与实测值,两值越接近越好。

3. 2 安装工艺

      经过数据校正的传感器,还要有正确的安装方法,才能保证其校正的数据不受影响。例:土压传感器安装于盾构正前方的筋板上,传感器法兰有4只Φ14 mm的孔,用于与盾构筋板连接。在安装过程中必须避免外力造成的传感器误差,安装时应按对角顺序逐步旋紧,予以固定。安装后应对传感器的实际数据进行监控复测,如零点发生偏移应及时进行零点微调。

      其他类型的传感器应按照传感器的工作原理,选择合适的安装位置和固定方法。如对于利用重力原理进行倾斜角和旋转角检测的传感器,就应在安装过程中确保传感器始终处于所要求的水平状态。

      由于盾构机内电气设备较多,互相间存在着电磁干扰。因此,传感器的布线应尽可能与动力电缆分开,或采用穿管保护的形式,传感器的屏蔽层应保持连续,并与盾构机内总接地极连接。

3. 3 现场应用维护

      高品质的传感器需要高质量的维护,除了正常的校验和正确的安装方法,传感器的日常维护也十分重要。安装在施工现场的传感器保护等级为IP65。一般检查内容为:

      (1)传感器的安装支架是否有松动,连接线固定是否可靠,是否及时清除传感器上的污泥。

      (2)传感器是否有受到外力损伤的迹象。

      (3)传感器的供电电压是否有异常波动。

      (4)当前数据或历史数据是否与实际工况相适应。

      检查中如发现异常,宜采取分段检查、缩小范围的方法找出故障原因,采取置换法予以排障解决。

4、结语

      盾构机配置了传感器,就犹如盾构机有了眼睛,在掘进中能及时掌握各种施工和设备信息参数,既可提高施工质量,又能加快施工进度。随着隧道施工技术的提高,传感器的技术性能不断得到完善,其可靠性也在不断提高。传感器技术的发展必将迎来一个盾构机信息化和自动化管理的新时代。