复合地层土压平衡盾构机刀盘异常磨损分析及修复技术.docx

复合地层土压平衡盾构机刀盘异常磨损分析及修复技术 杨海涛【摘要】文章首先描述盾构机所承建标段地质及磨损状况，分析了盾构机在复合地层的异常磨损原因，并根据项目需求对盾构机刀盘进行维修改造的技术，最后文章对本次盾构维修技术进行了总结关键词】复合地层；盾构刀盘；磨损分析；维修技术引言盾构法由于其具有受地面因素影响小、安全度高、施工速度快、对地面环境影响小等优势而得到广泛的应用国外发达国家和地区普遍采用这种工法，广州地铁在一号线暗挖区间的施工中也有6个区间采用了盾构法，目前为止全国已有多个城市采用了盾构法修建地铁隧道，并且越来越受到人们的青睐刀盘作为盾构机的核心部件，是决定工程成败的关键广州地区广泛分布着花岗岩，由于城市建设需要，广州地铁线路的规划也不可避免地需要穿越花岗岩孤石区域盾构机在通过孤石地段时，刀盘受到较大的瞬间荷载的冲击，这除了大大降低生产进度外，还会对刀盘和刀具造成破坏性的影响本文主要就承建广州市轨道交通六号线二期项目施工六标[萝岗～香雪]区间右线盾构机的刀盘异常磨损情况进行原因分析及制定相应的修复技术1、简介本次承建广州市轨道交通六号线二期工程[萝岗～香雪站]右线盾构施工的盾构机为海瑞克土压平衡式盾构机（出厂编号为S242），完成隧道区间长度为1822米，施工工期总计为27个月，其中停滞时间约14个月，盾构机出洞后刀盘磨损较为严重。

如下图所示：[萝岗～香雪]区间右线盾构隧道埋深约9～21m，最小曲线半径R=500m，曲线段长度占区间总长68%，线路最大纵坡25‰隧道洞身主要在花岗岩残积土、花岗岩全风化岩、砂层及坡积土层中通过，局部穿越花岗岩微风化基岩花岗岩残积土地层中球状风化（孤石）发育严重，本区间共计通过孤石群（基岩）2处，通过孤石（直径1.5米以上）约30余块，孤石在盾构机通过前已从地面进行预爆破处理，通过抽芯检查爆破后孤石基本可分解成30cm的岩体因本台盾构经过30天简短的维修需投入到新的区间，新区间地层含有76米花岗岩微风化基岩，所以对此次刀盘的维修要求更高2、刀盘磨损情况[萝岗～香雪]区间右线盾构机香雪出洞后刀盘磨损较为严重：其中刀盘外圆三道耐磨圈第1、2道已磨损剩余不足30mm，第三道全部磨损；刀盘外圈局部磨损（最深处约80mm），刀盘面板原修补处钢板拉开（修补钢板磨损剩15mm），边缘滚刀座和边缘刮刀座有不同程度的磨损具体情况如下：2.1刀盘外圈刀盘的三道耐磨圈第1、2道有30mm的磨损，第三道已经全部磨损，且刀盘外圈也磨损严重，最大磨损量约80毫米，外圈轴向方向磨损约20mm，已经影响到刀盘主体结构安全，需要进行修补或更换处理。

2.2刀盘正反面采用MT200型超声波测厚仪对刀盘正面及反面进行厚度测量，刀盘正面磨损平均在1.99m，磨损量占原材结构的3%刀盘背面相对磨损较大，平均磨损5.11mm，磨损量占原材结构的12.8%2.3其他磨损因边缘滚刀基本都已“弦磨”，特别是39#，由于刀盘外圈磨损及刀具弦磨后，刀箱磨损较严重；刀箱主体己有部分被磨损，但尚未磨损至U型块；正面刮刀及刮刀刀座磨损或缺失；边缘刮刀仅剩余1把，其余全部缺失，边缘刮刀刀座磨损较严重，磨损已经暴露出丝套螺纹，需要更换；在刀盘轮辐靠近开口端存在贯穿裂纹（此处钢板厚度20mm）3、刀盘异常磨损原因分析此次刀盘磨损与以往不同的是：①刀盘三道耐磨圈磨损严重，且靠近切口环处刀盘磨损严重；②刀盘背面磨损大于刀盘正面；③刀盘轮辐靠近开口端薄钢板存在贯穿裂纹本文从地层、设备结构原因分析如下：3.1三道耐磨圈及靠近切口环处磨损①[萝岗～香雪]区间右线隧道主要穿越硬塑～坚硬花岗岩残积土、花岗岩全风化岩、砂层及爆破后孤石，以上地层含砂、砾石极多，极易对刀盘本身钢结构造成磨损；②根据v（线速度）= 2πr/T（T代表时间，r代表半径），同样的转速越靠圆心的质点线速度越小，越远离圆心的质点线速度越大。

三道耐磨圈及刀盘靠近切口环处均位于刀盘的最外侧，线速度最大，从结构上此处最易磨损；③边缘滚刀基本都已“弦磨”，导致开挖直径小于耐磨圈外径，致使三道耐磨圈直接参与隧道洞身开挖（设计上三道耐磨圈不参与开挖）；④边缘刮刀缺失，不能将外圆切削的渣土刮除干净，致使刀盘靠近切口环处聚集渣土较多；⑤螺旋机叶片磨损严重渣土不能完全抽出，渣土堆集在土仓，刀盘外圈内侧摩擦增多3.2刀盘背面磨损量大于刀盘正面①刀盘正面布置滚刀、刮刀、耐磨块较多，刀盘面板基本不参与切削土体；其次，刀盘正面耐磨网纹堆焊的较密集，且网纹厚、高相对来说，刀盘背面耐磨网纹浅、窄，且比较稀疏；②螺旋机叶片磨损严重渣土不能完全抽出，渣土集聚在土仓，刀盘背面与土仓土体摩擦增大；③[萝岗～香雪]区间右线隧道历经约6次填仓加固作业，土仓内存在水泥砂浆固结体，且无法彻底清除，增大刀盘背面摩擦力3.3开口端薄钢板贯穿裂纹①[萝岗～香雪]区间右线隧道历经约3次旋喷加固作业，且每次刀盘都被固结，加固换刀完成后刀盘转动均采用脱困模式（超大扭矩5000KNm ），造成局部焊缝薄弱点裂开；②本台盾构机于2003年出厂，掘进里程累计约10公里，历经大修3次，但只对刀盤主焊缝进行探伤维修，其余焊缝未检查维修过。

4、刀盘修复技术在刀盘维修工作开展之前，将刀具先拆除，用高压水枪清洗刀盘，暴露出刀盘缺陷本次维修主要针对损坏情况，并根据测厚结果定制维修工作内容4.1刀盘外圈的维修刀盘外圈是本次维修的重点，也是工作量最多的维修工程①具体方法a、用耐磨焊丝先将耐磨钢条三个表面堆焊耐磨网纹（焊接面除外）；b、刨除第一道、第二道残余耐磨圈，打磨原焊缝，重新更换并焊接第一、二道耐磨圈；c、将第三道耐磨圈位置处打磨，将耐磨圈直接焊接在外圈上（此时第三道耐磨高度圈低于前两道60mm），均布预留8个长度210mm的缺口（每个辐条中心位置）；d、将高度为125mm的撕裂刀焊接在耐磨條缺口位置（撕裂刀刀顶高度高于前两道耐磨圈5mm），从而保证第三道耐磨条高度；e、将其它部位采用焊丝填埋焊接②材料及设备选用本次修工程耐磨条选用HARDOX500钢板，卷制成Φ6230/Φ6110*60mm的钢条，贴补钢板选用16MnR钢板主要的钢材材质为16MnR，厚度为30mm；构件焊接采用Φ1.2mm，TWE-711药芯焊丝，耐磨网纹采用Φ1.2mm，VT-TBM-61药芯焊丝；焊接及堆焊使用NBC-500A型二氧化碳保护焊机③技术要求a、在维修拼装过程中严格控制两工件间的错边、坡口角度和根部间隙；施焊前，焊接检验人员应严格按照拼装尺寸进行焊前检查，当确认坡口等各项尺寸符合要求时方可进行焊接，并作质量记录；严禁在接头间隙填塞焊条头、铁块等杂物；b、采用火焰切割的坡口，焊前必须将坡口表面的氧化皮和飞溅物打磨干净并露出金属光泽；c、对焊接焊接头需进行加热时可采用电加热或氧、乙炔火焰加热；d、对于需要返修的焊缝，必须先确定缺陷位置、大小和深度，然后采用碳弧气刨清除焊接缺陷，并用砂轮机磨掉气刨后钢材表面的氧化皮和渗碳层，露出金属光泽。

4.2边缘刀刀箱处理刀具拆除后，用尺规测量刀箱变形量，若刀箱变形超过3mm，需将刀箱刨除，重新更换若在3mm内则仅补焊刀箱，并在刀箱周边补焊HARDOX500耐磨条，耐磨条高度30mm，宽度40mm，耐磨条焊接位打15X15坡口，用711焊丝焊接；并在耐磨条上堆焊耐磨网纹，网纹宽度不小于10mm，高度不低于8mm4.3正面刮刀及刀座处理刨除所有损坏刀座，收集存放仓库；割枪、打磨机修整焊缝至露出金属光泽；用711焊丝焊接刀座；最后用M24X100mm，12.9级螺栓固定刮刀4.4边缘刮刀处理用碳弧气刨除损坏刀座，更换新边缘刮刀刀座，用砂轮机磨掉气刨后钢材表面的氧化皮和渗碳层；更换未更换刀座的丝套；所有刀座背面加焊耐磨网纹，网纹宽度不小于10mm，高度不低于8mm；用M24X100mm，12.9级螺栓固定边缘刮刀，边缘刮刀同刀座接触线用711焊丝堆焊连接4.5部分裂纹处理对于有贯穿裂纹结构，用碳弧气刨刨开焊缝，清理结构内部异物并冲洗干净，用TWE-711焊丝重新焊接；对于主焊缝，用磁粉探伤的方式检查焊缝是否存在缺陷，如存在用碳弧气刨清除焊接缺陷，并用砂轮机磨掉气刨后钢材表面的氧化皮和渗碳层，露出金属光泽，再用711焊丝焊接，完工后还需再次用磁粉探伤的方式检查焊接质量，若存在质量缺陷，需返工，直至达到要求。

4.6刀盘正面及背面处理对于刀盘正面贴板撕开部分，刨开焊钉位置的面板耐磨钢板，更换新δ=20mm的Hardox500的钢板，并堆焊耐磨网纹；刀盘背面及正面同外圆连接面磨损较大，刀盘背面磨损平均达5mm，占原材质的12.5%；需用δ=20mm的16MnR钢板贴板加强，贴板宽度不大于80mm，焊接面15mm*15mm坡口；中心刀位置采用δ=60mm钢板加焊耐磨条，耐磨条宽度60mm，长度根据现场确定；所有贴板及耐磨条表面堆焊网纹宽度不小于10mm，高度不低于8mm结语本次维修出于工期及成本的要求，并没有按照盾构机刀盘原结构进行修复，但维修后的刀盘在使用功能上完全达到要求，特别是使用新型刀具保证耐磨圈的开挖半径，降低了维修成本此外本文还对常规维修工艺进行了明确参考文献[1] 乌尔里希.菲舍尔等著（德），云患、杨放琼译，简明机械手册，2010（1）；[2] 洪流康 土质学与土力学 北京 人民交通出版社，1987；[3] 张厚美，吴秀国，曾伟华土压平衡式盾构机掘进试验及掘进数学模型研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（S2）：490-494；[4] 王瑶，杨新安复合地层大直径盾构刀盘磨损分析[J].交通科技与经济，2009（6）：80-82；[5] 何其平。

土压平衡盾构机刀盘结构探讨[J].工程机械，2003（11）：10-16，85；[6] 张文钺，金属熔焊原理及工艺[M].北京：机械工业出版社，1981 -全文完-。