盾构机刀盘修复流程及案例分析

盾构机在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在开挖中刀盘受力复杂，工作环境恶劣。刀盘的质量关系到开挖效率、使用寿命、工程费用及盾构施工的成败。然而，由于刀盘不可避免的磨损往往给工程带来干扰和隐患，这就需要在短时间内对盾构机刀盘磨损进行焊接修复，从而为盾构机开始新的掘进任务提供良好的设备条件。

　　 一、西安地铁三号线盾构机刀盘修复案例

　　盾构机出洞后，具备修复刀盘的空间条件。依托西安市地铁三号线一期工程盾构刀盘修复实例，介绍筋板修复、刀盘校正、刀箱定位、泡沫喷嘴修复与保护等修复技术。

　　1、清理残根

　　采用氧焊及气刨工具，对面板筋板残根以及刀箱刀具残根进行清理，按焊接要求打磨出坡口面，为焊接工作做好准备。

　　2、筋板修复

　　(1)在残根上作出标记并进行拓样工作，根据图纸确定补贴复原筋板的泡沫塑料样板，然后按样板加工所需钢板(筋板采用50mm厚16Mn钢板);

　　(2)将筋板残根与钢板焊接。为保证焊接质量，在对接口处加工45°角坡口，采用多层焊接将坡口填平。

　　3、刀盘校正

　　(1)考虑到校正刀盘时对主轴承的负面影响，将刀盘与前盾进行加固。加固区域确定在刀盘的未变形区域，既要保证对主轴的影响小又要保证未变形区域不产生二次变形。

　　(2)将变形区域的撕裂筋板和影响刀盘校正的筋板割断，仅留背板。在其后面与土仓板间放两台液压油缸将刀盘缓慢顶出，顶到位置后用“工”字钢和角钢将刀盘与前盾焊接在一起，防止反弹。

　　(3)在筋板割断处加工坡口进行焊接，保证焊接强度，增加支承钢板和复焊板，进行应力放散。待应力放散基本完成后将所有固定刀盘的支点拆除。

　　4、刀箱定位安装

　　(1)刀盘面位置确定

　　采用在前盾上焊接六根定位钢筋的办法确定一个与前盾面平行的平面，此平面从定位钢筋上挂线相交确定，作为刀箱定位的参考基准面。

　　(2)刀箱定位

　　根据参考基准面及图纸尺寸，订出刀箱与盘面的相对位置，保证刀刃相对于盘面的高度一致。

　　(3)边缘滚刀的安装

　　为了满足安装的角度，结合现场条件，用木板制作所需角度的样板尺，经过使用样板尺，能保证边缘滚刀的安装角度。

　　5、刀具安装

　　(1)小刮刀刀座的安装

　　以刀盘实际测绘基准面，利用残根和图纸标定的尺寸进行刀座的定位。先在内、外两端各定一把刀座，而后利用角钢定出其它同一直线刀座的位置，刀座全部定位后进行加固焊接。

　　(2)边缘刮刀刀座的安装

　　保证正面区域的小刮刀在同一平面上，边缘区域与设计相符，保证开挖圆周的直径，定位后焊接牢固。

　　6、泡沫喷嘴的修复与保护

　　(1)泡沫喷嘴修复

　　当面板全部磨损，只留下泡沫管道的一部分时，需重新安装泡沫管道及喷嘴。安装泡沫管道与喷嘴只能在安装面板之前完成。

　　(2)泡沫喷嘴保护

　　为避免泡沫喷嘴发生堵塞现象，根据丁坝挑流的原理，对泡沫喷嘴采用环形保护，改变“土流”流向，保护喷嘴部位不受土体堵塞，使泡沫能够加入土体。

　　7、刀盘磨损修复

　　检查刀盘表面是否还有严重磨损部位，如有磨损，需进行耐磨堆焊修复。首先需对磨损部位进行切割去除、打磨光滑，达到焊接的要求。采用北京固本KB680耐磨焊丝进行堆焊处理，增加其耐磨性能。

　　北京固本KB680耐磨焊丝填充碳化钨粒子的复合焊丝，碳化钨粒子进入马氏体基质上，主要用于要求强烈耐磨损工件表面的焊接环境。进行盾构机刀盘堆焊修复时，焊缝表面成型美观，无渣，单层硬度HRC≥60。


　　 二、东莞市某项目土压平衡盾构机刀盘修复案例

　　东莞市某项目位于东莞市南城区，区间全长2262.808m，使用Φ6280m土压平衡盾构机进行掘进工作。由于刀盘局部受力过大的原因，引起刀盘偏载，导致刀盘变形。采用盾构后退、清洗裂纹、校正变形、刨坡口和焊接等方法对刀盘变形进行修复。

　　(一)、刀盘修复处理准备

　　1、刀盘后退

　　由于刀盘已经穿过洞门密封，无法有效地对刀盘进行修复，因此先要进行刀盘后退工作。

　　2、清洗刀盘、清渣

　　使用清水对刀盘面板及背部进行清洗，保证检查裂缝、刀盘割缝的顺利进行。

　　3、检查开裂情况

　　发现刀箱焊缝开裂、变形，刀处牛腿出现明显焊缝裂纹，刀位置环筋板焊缝开裂等情况。

　　4、清理裂纹

　　细小裂纹采用砂轮机清理;深度较大的长大裂纹使用碳弧气刨清理。刨坡口使用碳弧气刨进行，并注意坡口角度控制在40~50°，并使用片砂轮、棒砂轮、锥形砂轮等工具进行，将坡口修整平滑。

　　(二)、刀盘修复处理

　　1、外圈梁修复

　　当刀盘变形量已经超出了刀盘外圈梁与切口环之间的间隙，为了更好地保证刀盘外圈梁与切口环之间的间隙，需要对此处变形的外圈梁进行校正。

　　2、刀箱移位

　　在滚刀刀箱移位时有以下注意事项：

　　(1)在滚刀刀箱刨除的过程中，刨除的速度不需要太快，防止刨除过程中滚刀刀箱变形。

　　(2)滚刀刀箱刨除之后，将原来的焊缝用砂轮机打磨光滑，然后利用滚刀模板重新定位焊接滚刀刀箱。

　　(3)滚刀刀箱局部有裂纹，需要将滚刀刀箱刨除后，进行补焊(要注意控制焊接变形)，然后再定位焊接。

　　3、刀盘焊缝检查

　　检查刀盘所有焊缝，将有裂纹的焊缝刨除，然后补焊。

　　焊缝要求：采用窄焊道，薄焊层，多层多道的焊接方式，尽量减少焊接变形。

　　4、滚刀定位

　　刀盘外圈梁校正及有裂纹的焊缝补焊之后，需要通过滚刀模板来检验，滚刀的高度是否都在一个平面上。

　　5、耐磨层焊接

　　为了防止堆焊材料很快受到磨损，在堆焊层上面再用耐磨焊丝把焊缝堆焊到5层8mm焊缝高度，形成耐磨网，不仅保证了结构质量不低于原制造而且耐磨性大大提高。

　　6、刀盘体的无损探伤

　　对变形区域刀盘体、刀箱刀座以及连接箱法兰基座等都进行探伤检测，确认微细裂纹或者确定裂纹存在部位及严重程度，以便焊接弥补。另外，对修复完成的部位，再做整体检验。

　　通过东莞市某项目Φ6280m土压平衡盾构机刀盘变形修复工作，为同行处理刀盘变形修复提供参考与借鉴，积累了经验。

　　 三、北京地铁砂卵石地层施工盾构刀盘修复案例

　　北京地铁四号线四标段区间隧道穿越的地质属砂卵石地层，工程共投入两台日本三菱公司生产的直径为6.14m的土压平衡盾构进行区间隧道掘进。通过分析刀盘在砂卵石地层中掘进时的磨损原因和部位，在现场进行了刀盘设计改进及修复施工。

　　1、刀盘内部装置的修复

　　(1)将已磨损的刀盘外周切除，清理刀盘辐条和面板空腔内的砂土。

　　(2)脱落的仿形刀液压缸重新定位安装，更换新的带有隔热保护钢丝的仿形刀油管。

　　(3)刀盘内的加泥管路全部拆除，清理通畅后，再重新安装到中心回转体和加泥出口处。

　　2、刀盘本体结构的修复

　　(1)盾构出洞刀盘吊出地面后，将刀盘被磨损的外周部分全部切除，按照盾构刀盘结构的原设计，将刀盘外圈钢结构部分分为3块在工厂内进行机加工，确保拼装后刀盘周圈的椭圆度等精度符合要求。

　　(2)加工好的刀盘外周运到现场后，先在平坦的地面上将其连接成圆环，调整刀盘外周圆环的偏差符合要求的精度后，将圆环整体套装到已经切除了外周的原有刀盘的剩余部分上，将刀盘的6根辐条位置准确定位，用水准仪将外周圆环与原刀盘剩余部分调整至同一水平面，采取沿刀盘直径方向双向断续焊接的方法，逐步将外周圆环与刀盘的6根辐条和6块面板完成满焊。

　　(3)完成刀盘钢结构焊接后，分别向6根辐条的空腔内加气压，检查焊缝的密闭性能，确认无任何泄漏现象。

　　3、刀盘附属结构(刀座、刀具)的修复

　　(1)按照原设计图纸尺寸进行缺失刀座的加工，并按照图纸定位尺寸焊接新的刀座。对仍然完整的刀座进行加固处理，对所有刀座的本体进行耐磨处理。

　　(2)按照刀盘原设计方案，将12把全新周边刀焊接到刀盘外周;将40把全新强化先行刀焊接到刀盘6根辐条上;更换1把仿形刀;更换位于刀盘外周的62把刮刀。

　　4、刀盘结构表面改进

　　在刀盘三角形面板磨损速度较快的外周圈约20cm宽范围内的面板上加焊网状耐磨层，在刀盘辐条上强化先行刀之间加焊网状耐磨。

　　5、刀盘外周刀具及其保护的设计与改进

　　(1)在刀盘6个三角形面板的外周两侧面，每侧各设置两把形状如刮刀的周边刮刀，采用螺栓连接在刀座上，共设置24把。

　　(2)在刀盘面板迎土面外周的中间部位焊接长100mm、宽70mm、厚45mm的保护周边刀根部焊缝的保护块，保护块上嵌有硬质合金。

　　(3)在刀盘外圈沿刀盘宽度方向，每隔250mm焊接一道宽25mm、高15mm的耐磨堆焊保护条;沿刀盘外径宽度方向均布焊接12把长350mm、宽50mm、厚15mm的外周保护刀，增强刀盘外周的耐磨性能。

　　6、其他设计改进

　　(1)在刀盘面板上增加2个泥浆注入口，减少土体与刀盘的磨擦时间。

　　(2)将面板式刀盘进土开口部位的钢结构制作成半圆形，有利于土体进入土仓。

　　(3)设置刀盘外周周边刀磨损检测装置。

　　通过对北京地铁砂卵石地层盾构刀盘设计改进，在经济效益方面，仅用20余万元左右的维修改造费用，就可将盾构刀盘修复如初并得以改进，为公司节省了购置新刀盘所需的130万元费用。