全断面岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)是集掘进、出渣、换
步、初期支护、通风除尘等诸多功能于一体的技术密集型的隧道施工机械。它将隧道
通风、供排水技术、电子信息、通信工程、遥测传感及激光导向等多种学科前沿技术
应用到实际隧道成型的工程施工中，使得TBM隧道施工具有作业连续、掘进速率高、
地层扰动小、通风条件好、超挖量小、衬砌质量好等诸多优势，被广泛应用于国内的
铁路、水利工程、城市轨道交通等工程的建设中[fl,zl，图1-1中所示为兰渝铁路西秦岭
隧道工程所使用的直径为10.2m的Robbins 332-336型TBM主机系统结构示意图。
刀盘寸邹动土皮带杭
图1-1 Robbins TBM主机系统集成
TBM一般可分为撑靴式(也称敞开式)TBM与护盾式TBM两大类，护盾式TBM
又有双护盾和单护盾之分[[3l。其中撑靴式TBM适用于掌子面稳定的硬岩地层，它依
靠撑靴紧撑在隧洞壁上提供的反作用力与反扭矩前进。护盾式TBM则适用于破碎岩
层，其中单护盾TBM依靠推进油缸作用在混凝土洞壁上来支持稳定TBM并提供推
进动力，而双护盾TBM则兼有敞开式和单护盾TBM的推进方式，在稳定岩层使用撑
靴稳定TBM掘进，在不稳定、破碎岩层依靠TBM之后洞壁来稳定TBM掘进，下图
1-2所示的为这常见的三种基本类型TBM掘进机的主机实物图形。
最近几十年来，随着我国城市化进程的步伐正不断加快，与此密切相关的隧道类
基础设施的建设亦急剧扩张，预计截止至2020年时，全国铁路营总运里程数将达12
万公里[[al，其中目前正在施工与待开工的隧道总长累计1万公里，公路基建方面，城
市轨道交通总规模将超4000公里[[5l，由中心城市向外放射的高速公路总里程预计达到
8.5万公里[6]。除了上述铁路与公路工程中的隧道建设项目将会使TBM隧道掘进机在
近几年内产生巨大的市场需求，在水利水电工程方面，除了已投资的2000亿元外，
我国还将继续进行总额超过2万亿元的投资用于相关基础设施建设[[}]，其中就包括用
于十三大水电基地梯级电站引水隧道建设。
图1-2 TBM主机实物图
(a)撑靴式TBM; (b)单护盾TBM; (c)双护盾TBM
TBM隧道施工的高效性使其在我国的隧道工程应用十分广泛且其数量也持续增
长，但真正全面掌握TBM核心技术的仍然是美国Robbins、德国海瑞克和德国维尔
特、日本的三菱和川崎重工[8-13j等国外为数不多的几家公司。目前国内隧道工程建设
中，德、美两国生产制造的TBM仍是市场主导机型，其占有率高达95%[l0]，长此以
往会使我国隧道工程建设面临高
额施工成本和技术上受制于外的境地。现下是发展
TBM的关键时期，我国在国务院印发的文件《国家中长期科技发展规划纲要buchi
(20062020)》中指出重点领域交通运输业优先主题为交通运输基础设施建设与养护技
术及装备[[lo]，因此加速发展我国TBM的研发及产业化拥有现实的工程应用价值及商
业意义。
图1-3 TBM滚刀
(a)单刃滚刀；伪)双刃滚刀;(c)双刃球齿滚刀
例显示，刀具的消耗占TBM整机造价的30%左右[[14]，而滚刀作为TBM的主要破岩
工具，其设计制造水平和在刀盘上的安装布置，对破岩效果、掘进速度和刀具消耗至
关重要[[3]。常见的几种TBM滚刀结构如上图1-3所示。
我国国土面积辽阔，地形地貌复杂，各地地质水文条件的多变性导致了TBM在
实际掘进中出现软硬地层交替的状况，不同岩层的岩石抗压强度、裂隙状况、石英含
量皆不一样[[1s]。目前工程中滚刀磨损状况的预测大多基于滚刀的岩石磨耗性实验得到
的数据，这种岩层的多变性会给刀具磨损的预测造成许多不确定因素，尤其是当TBM
掘进施工遇到高磨耗性的岩体条件时，刀盘刀具的磨损就会加剧。
除了掘进中地层岩石种类的影响，滚刀的磨损还和滚刀的几何尺寸、滚刀在刀盘
上的安装布置状况密切相关〔16]，不同安装半径上的滚刀会因掘进中破岩体积的不同导
致其磨损快慢也不一致【’7·‘“]，此时若不相互更换这些磨损状况不同的滚刀，就会加剧
其余刀具磨损形成恶性循环[[ 19,20]，于是在TBM掘进中必须常常停机，通过施工人员
对滚刀的磨损状况进行人工检测并更换刀具。据统计刀具磨损检测与换刀占全部工时
的30%}40%}zl]，严重影响了TBM掘进效率的提升。
刀具检查与更换作业劳动强度大、有一定的危险性，施工人员若未按标准操作规
程检测刀具磨损程度，及时更换磨损刀具，在刀具磨损剧烈的条件下持续进行TBM
掘进作业，会致使刀具破岩效率降低、TBM掘进速率低下，当刀盘上出现大面积的刀
具失效时还会导致刀盘的分裂解体等重大工程事故。TBM施工中刀具的状态监测技
术己成为国外掘进装备厂商竞相开发的核心技术。因此，本文以TBM的工程应用为
背景，对TBM掘进过程中滚刀磨损和转速在线监测的理论与方法进行研究，建立相
应的在线监测平台，让TBM操作人员能实时了解滚刀的磨损和转速的改变，进而让
施工人员准确判断滚刀的换刀时机，避免滚刀的过度磨损和滚刀刀圈断裂等严重影响
掘进机正常工作的状祝出现，同时
所获得的监测数据对于研究滚刀磨损机理也有重要
的意义。
2论文的课题来源
本论文的选题来源是湖南省科技重大专项“大型盾构设备研制及产业化”
(201 OFJ 1002)中子项一盾构总体集成技术和样机制造中基于多传感器信息融合的盾构
安全诊断技术的研究以及国家863计划“大直径硬岩隧道掘进装备(TBM)关键技术及
应用”(2012AA041803)项目。
2国内外研究现状
2.1刀具磨损预测研究进展
TBM掘进过程中，与岩石直接接触的是滚刀刀圈，刀圈的实际磨损过程和TBM
掘进时的地质条件、TBM掘进参数等诸多因素相关联。为了探讨TBM掘进中岩石对
刀具的影响，国外通常的做法是采用大量的磨耗性试验来描述岩石的研磨性和强度，
以此作为进行滚刀磨损预测的依据。常用的岩石磨耗性试验有挪威科学技术大学
NTNU模型的SJ, AYS指数试验、美国科罗拉多矿冶学院CSM模型的CAI指数(Cutter
Life Index)试验及法国LCPC模型的ABR指数试验[22-31]。实际滚刀磨损预测中会依据
上述试验所得的岩石磨耗系数和实地调查获得TBM掘进过程中地质岩层状况来进行
滚刀磨损的预测，为了进一步提高预测结果的准确性，有的预测公式会加上滚刀的相
关结构参数作进一步修正。
我国众多学者对影响滚刀磨损的因素作了相关的定性与定量分析，定性分析主要
是对滚刀磨损失效的形式做了分类，并对影响滚刀磨损的地质参数和TBM掘进参数
进行了探讨，定量分析是在定性分析基础上以诸多TBM掘进中影响滚刀磨损的因素
(如地质岩层状况、TBM掘进时的推进力、刀盘的转速与扭矩等)为变量定量分析它们
对滚刀磨损的影响的大小，也由此提出了各自不同的滚刀磨损预测模型，相关刀具寿
命预测模型总结如下表1-1所示。
表1-1国内外刀具寿命预测模型
提出者使用参数磨损预测模型
门...............一.目目.目卜.
，~一、O国月，
NTNU[zz]
SJ, AYS指数
CLI=13.84 x
}}g[z3]
Nizamoglu等人(2a]
CAI指数
CAI指数
Ys二0.74
(x'13
又Avs}
CAI'.
TC= 0.2228-CAI +0.0258
Wijk.G[zs]
滚刀受力和结构参数、
CAI指数和岩石指标
又dm' cot(B)
,-于露par}}}x
Buchi.E.(zs-zs]
ABR指数
魏南珍、沙明元。2]
岩石种类、刀位
杨媛媛、黄宏伟(33]
围岩等级划分
ABR = Mo立竺
Go
花岗岩:n = 0.0417x2 + 1.068x+I3.629
片麻岩:n二0.0991x2 +O.b862x一1.1101
正滚刀:y=1.4304-0.17531n(x+2)
边缘滚刀:X3.7488-0.4589In仓+2)
evo-era;
马广州[[3a]
掘进
速率、总推力、刀盘转速与扭矩
场:
Xr
ev}-e}>a
总推力
刀具橄量;
赵维刚(35]
刀具数量、刀的力矩半径、刀盘转速与扭矩
张照煌[36,37]
滚刀破岩弧长
c=而 n}}}.n}}}}}}篡
S一)Jr}i+2rf(，一‘
李笑、苏小江(38]
总推力、刀盘转速与扭矩
S=SlT=艺w,At ! refit =艺Av, ! r
朱震寰[39]
刀具岩石的接触应力、相对滑动及磨损系数
ah =肠 } p.品
1.2.2刀具在线监测研究进展
在TBM工程的掘进机选型阶段，可用滚刀磨损寿命预测公式进行滚刀的质量评
判与滚刀消耗预估。但在TBM的实际掘进过程中，滚刀刀圈的实际磨损过程因受磨
料和刀圈受力状态的不断变化的影响过于复杂，试图从理论上来精确计算刀圈的磨损
量有一定的难度[[40j。刀具的消耗量一方面取决于刀具质量和刀具在刀盘上的安装布置，
另一方面也与刀具的检修维护密切相关。
目前掘进过程中对刀具磨损状况的判断主要凭借施工人员的经验，或在TBM停
机期间进入TBM刀盘前部用刀具专用的测量尺检测[41]，以人工测量的方式判定滚刀
的磨损情况虽然直观易行但频繁停机会延误工时且易造成掌子面上的岩体失稳，加大
了施工时的风险。为了减少人工检查带来成本支出，提高TBM掘进效率，TBM掘进
设备的生产厂商及相关科研院所都在尝试使用不同的检测手段来在线监测刀具的磨
损或失效状况。
德国海瑞克公司生产了具有磨损探测功能的刮刀，刀具中的探测装置由传感检测
探头、检测数据发射器和接收器组成[[41,42]。这种特制的刮刀根据所用传感检测方式的
不同分为两种类型，一种是在在刀具里预埋线圈，线圈电路的通断情况表明了刀具的
磨损状况，另一种是在刮刀刀头前部装入压力传感器，通过感知刀头受力来判断刀具
的磨损。最近，海瑞克在伊斯坦布尔海峡隧道工程中所用的掘进机中使用了可用于双
刃滚刀刀毅磨损及其转速的监测装置，上述刀具检侧装置分别如下图1-4中((a)一((c)所
示。除了以上几种检测装置外，海瑞克公司在其专利中还提到了一种用于检测滚刀刀
圈磨损的装置，该装置采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刀圈，通过比较磨损后的伸出
行程与磨损前伸出行程的差值来判断滚刀磨损量。
图1-4海瑞克刀具检测装置
(a)}}J刀磨损检测:(})滚刀刀毅磨损检测;(c)滚刀转速检测
德国维尔特公司在秦岭隧道工程中使用了具有异味添加剂的滚刀[41]，它是在滚刀
轴承润滑剂中加入一种具有特殊气味的名为MOLYUAN的添加剂，当滚刀磨损到一
定程度时会就发生漏油，隧道内施工人员则能通过气味判别刀具磨坏的信息。
图1-5 Robbins滚刀监测系统
美国Robbins公司在尼亚加拉的一个直径为14.4m的TBM隧道工程中应用基于
无线传输的刀具状态监测系统来实时监测滚刀的运行状况[[43,44]，该监测系统如上图1-
5所示，监测系统通过采集滚刀的转速、温度与振动三个刀具运行时的状态物理量综
合判断TBM滚刀的实时运行状态。
国内各大高校和掘进设备制造厂商也开始针对掘进中刀具磨损的监测问题开展
了相关研究。对于掘进机中刮刀磨损的监测，国内天津大学的候振德等人设计了两种
刮刀磨损在线监测装置：一种是将电阻排镶嵌于刀具中，另一种是基于丝栅式电阻的
刀具磨损监测装置[[4,46]，以上两种方法都是通过电阻构成的电路的通断来监测刮刀的
磨损。北京地铁隧道工程中北京交通大学的张明富[[47」等人在盾构刮刀内安装了与超声
波监测器相连的超声波探头，利用超声波的测距原理在线监测盾构刮刀的磨损状况。
以上几种刀具磨损监测方法如下图1-6所示，但这些监测方法都是用于监测刮刀的磨
损，不能用于滚刀的磨损的监测。
/下、
(a)电阻排
(b)电阻栅
(c)电阻传感式刮刀磨损监测(d)超声波传感式刮刀磨损监测
图1-6 }日刀的磨损检测
国内关于掘进机滚刀磨损监测的文献较少，天津大学的张斌[[48,49]等人设计了一种
基于平行激光光路通断的TBM滚刀磨损量在线监测装置，该装置的结构如下图1-7
所示。
图]-7激光传感式滚刀磨损监测
图1-8油压式滚刀磨损监测
激光传感式滚刀磨损监测装置的检测原理是随着滚刀的磨损，图1-7中激光线路
的导通数目也将随之发生相应的改变，进而以此来判断滚刀的磨损量，同时该装置还
设有清洁机构来清理激光信号发送端与接收端表面的岩石粉末。通过平行光路的通断
情况，此检测装置能连续监测滚刀刀圈磨损量的变化，但在TBM掘进破岩过程中，
滚刀刀箱内存在切削下来的碎岩块，刀圈表面也附着岩土，可能对该监测系统造成一
定干扰。
无锡盾建重工建造有限公司的王茂[sod改装了普通滚刀，即在滚刀内部设置了输油
系统，将有一定压力的液压油注入的滚刀刀圈处，当滚刀刀圈磨损到一定程度时，滚
刀就会发生漏油，通过油压传感器，可以直观地发现油压的改变，进而判断滚刀刀圈
的磨损。该滚刀磨损检测装置的结构如上图1-8所示，此装置的不足之处是破坏了现
有滚刀的结构，引起滚刀强度、冲击韧性等机械性能的变化，导致滚刀无法发挥最优
J陛能。
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图1-9 TBM刀盘盘形滚刀体运行状态监测系统
中南大学谭青[[s1]等人设计了如图1-9所示TBM掘进机滚刀转速信息采集系统，
通过对比测得的检测到的滚刀转速n与不考虑相对滑动时的滚刀理论转速m两者之
间的差异来判断单把滚刀的运行状态，具体方法如下：设S为判断滚刀运动状态的参
考值，S值的定义如下式(1-1)所示。
S=
从=
伙一n
n}
nz·Rz
R,
滚刀的理论转速为
(1一1)
(1-2)
上式(1-1), (1-2)中，刀盘的转速为n2}
为n，盘形滚刀的半径为R}，滚刀在刀盘上的安装半径为Rz o
限值为△hoo
n1，测量所得滚刀转速
设盘形滚刀磨损许可极
表1-2滚刀运行状态判断
S取值范围滚刀运行状态
S<_OholRr滚刀超量磨损
一△holRr<S<0滚刀正常运行
S>0滚刀非正常运行
滚刀体运行状态监测系统通过上表1-2确定单把滚刀的运行状态进而获得全断
面滚刀的体运行状态，从而实现了全断面刀盘上盘形滚刀体运行状态的在线监测。
该监测系统的不足之处是为了对实现对滚刀转速的检测对承受较大作用力的滚
刀刀轴进行了一定的改装。
综上所述，目前国内外研究机构及TBM掘进设备生产厂商对于滚刀在线状态监
测技术的实现仍处于探索过程中，并未有统一的检测手段，国外掘进机厂商所开发的
滚刀在线监测系统因涉及商业机密和公司利益，公开发表的论文中并未介绍具体检测
手段，而目前国内关于滚刀在线监测的研究刚刚起步，尚未有完善的滚刀磨损监测装
置应用于实际TBM工程中。
.2.3电涡流无损检测研究进展
常用的刀具磨损检测方法除了上文提到的己用于掘进机刀具磨损检的电阻通断
法、超声波法、刀具受力检测法、光路通断法、转速检测法外，常用的刀具无损非接
触磨损检测方法有光学图像法[[52]、放射性技术法[[53]、振动信号分析法[54,55]、声发射法
等[[56,57]等，这些方法在机床类的刀具磨损在线监测中已得到广泛的应用，且技术较为
成熟。
滚刀切削岩石的过程中，岩渣飞溅，刀具工作环境恶劣，现有刀具监测方法直接
应用于滚刀磨损的监测有一定难度。本文基于电感传感器具有体积小、测量精度高、
非接触测量、对岩土、水等非金属介质不敏感的工作特点[[58]，考虑将此传感器用于滚
刀磨损和转速的监测中。
电感流传感器主要用于金属材料物体的位置间隙、表面形态及材料厚度的检测应
用中。杨光[[59]
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