復合地層土壓平衡盾構(gòu)機刀盤異常磨損分析及修復技術(shù)

楊海濤

【摘要】文章首先描述盾構(gòu)機所承建標段地質(zhì)及磨損狀況，分析了盾構(gòu)機在復合地層的異常磨損原因，并根據(jù)項目需求對盾構(gòu)機刀盤進行維修改造的技術(shù)，最后文章對本次盾構(gòu)維修技術(shù)進行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】復合地層；盾構(gòu)刀盤；磨損分析；維修技術(shù)

引言

盾構(gòu)法由于其具有受地面因素影響小、安全度高、施工速度快、對地面環(huán)境影響小等優(yōu)勢而得到廣泛的應用。國外發(fā)達國家和地區(qū)普遍采用這種工法，廣州地鐵在一號線暗挖區(qū)間的施工中也有6個區(qū)間采用了盾構(gòu)法，目前為止全國已有多個城市采用了盾構(gòu)法修建地鐵隧道，并且越來越受到人們的青睞。

刀盤作為盾構(gòu)機的核心部件，是決定工程成敗的關(guān)鍵。廣州地區(qū)廣泛分布著花崗巖，由于城市建設(shè)需要，廣州地鐵線路的規(guī)劃也不可避免地需要穿越花崗巖孤石區(qū)域。盾構(gòu)機在通過孤石地段時，刀盤受到較大的瞬間荷載的沖擊，這除了大大降低生產(chǎn)進度外，還會對刀盤和刀具造成破壞性的影響。

本文主要就承建廣州市軌道交通六號線二期項目施工六標[蘿崗～香雪]區(qū)間右線盾構(gòu)機的刀盤異常磨損情況進行原因分析及制定相應的修復技術(shù)。

1、簡介

本次承建廣州市軌道交通六號線二期工程[蘿崗～香雪站]右線盾構(gòu)施工的盾構(gòu)機為海瑞克土壓平衡式盾構(gòu)機（出廠編號為S242），完成隧道區(qū)間長度為1822米，施工工期總計為27個月，其中停滯時間約14個月，盾構(gòu)機出洞后刀盤磨損較為嚴重。如下圖所示：

[蘿崗～香雪]區(qū)間右線盾構(gòu)隧道埋深約9～21m，最小曲線半徑R=500m，曲線段長度占區(qū)間總長68%，線路最大縱坡25‰。隧道洞身主要在<5H-2>花崗巖殘積土、<6H>花崗巖全風化巖、<3>砂層及<4N>坡積土層中通過，局部穿越<9H>花崗巖微風化基巖?；◢弾r殘積土地層中球狀風化（孤石）發(fā)育嚴重，本區(qū)間共計通過孤石群（基巖）2處，通過孤石（直徑1.5米以上）約30余塊，孤石在盾構(gòu)機通過前已從地面進行預爆破處理，通過抽芯檢查爆破后孤石基本可分解成30cm的巖體。因本臺盾構(gòu)經(jīng)過30天簡短的維修需投入到新的區(qū)間，新區(qū)間地層含有76米<9H>花崗巖微風化基巖，所以對此次刀盤的維修要求更高。

2、刀盤磨損情況

[蘿崗～香雪]區(qū)間右線盾構(gòu)機香雪出洞后刀盤磨損較為嚴重：其中刀盤外圓三道耐磨圈第1、2道已磨損剩余不足30mm，第三道全部磨損；刀盤外圈局部磨損（最深處約80mm），刀盤面板原修補處鋼板拉開（修補鋼板磨損剩15mm），邊緣滾刀座和邊緣刮刀座有不同程度的磨損。具體情況如下：

2.1刀盤外圈

刀盤的三道耐磨圈第1、2道有30mm的磨損，第三道已經(jīng)全部磨損，且刀盤外圈也磨損嚴重，最大磨損量約80毫米，外圈軸向方向磨損約20mm，已經(jīng)影響到刀盤主體結(jié)構(gòu)安全，需要進行修補或更換處理。

2.2刀盤正反面

采用MT200型超聲波測厚儀對刀盤正面及反面進行厚度測量，刀盤正面磨損平均在1.99m，磨損量占原材結(jié)構(gòu)的3%。

刀盤背面相對磨損較大，平均磨損5.11mm，磨損量占原材結(jié)構(gòu)的12.8%。

2.3其他磨損

因邊緣滾刀基本都已“弦磨”，特別是39#，由于刀盤外圈磨損及刀具弦磨后，刀箱磨損較嚴重；刀箱主體己有部分被磨損，但尚未磨損至U型塊；正面刮刀及刮刀刀座磨損或缺失；邊緣刮刀僅剩余1把，其余全部缺失，邊緣刮刀刀座磨損較嚴重，磨損已經(jīng)暴露出絲套螺紋，需要更換；在刀盤輪輻靠近開口端存在貫穿裂紋（此處鋼板厚度20mm）。

3、刀盤異常磨損原因分析

此次刀盤磨損與以往不同的是：①刀盤三道耐磨圈磨損嚴重，且靠近切口環(huán)處刀盤磨損嚴重；②刀盤背面磨損大于刀盤正面；③刀盤輪輻靠近開口端薄鋼板存在貫穿裂紋。本文從地層、設(shè)備結(jié)構(gòu)原因分析如下：

3.1三道耐磨圈及靠近切口環(huán)處磨損

①[蘿崗～香雪]區(qū)間右線隧道主要穿越<5H-2>硬塑～堅硬花崗巖殘積土、<6H>花崗巖全風化巖、<3>砂層及爆破后孤石，以上地層含砂、礫石極多，極易對刀盤本身鋼結(jié)構(gòu)造成磨損；

②根據(jù)v（線速度）= 2πr/T（T代表時間，r代表半徑），同樣的轉(zhuǎn)速越靠圓心的質(zhì)點線速度越小，越遠離圓心的質(zhì)點線速度越大。三道耐磨圈及刀盤靠近切口環(huán)處均位于刀盤的最外側(cè)，線速度最大，從結(jié)構(gòu)上此處最易磨損；

③邊緣滾刀基本都已“弦磨”，導致開挖直徑小于耐磨圈外徑，致使三道耐磨圈直接參與隧道洞身開挖（設(shè)計上三道耐磨圈不參與開挖）；

④邊緣刮刀缺失，不能將外圓切削的渣土刮除干凈，致使刀盤靠近切口環(huán)處聚集渣土較多；

⑤螺旋機葉片磨損嚴重渣土不能完全抽出，渣土堆集在土倉，刀盤外圈內(nèi)側(cè)摩擦增多。

3.2刀盤背面磨損量大于刀盤正面

①刀盤正面布置滾刀、刮刀、耐磨塊較多，刀盤面板基本不參與切削土體；其次，刀盤正面耐磨網(wǎng)紋堆焊的較密集，且網(wǎng)紋厚、高。相對來說，刀盤背面耐磨網(wǎng)紋淺、窄，且比較稀疏；

②螺旋機葉片磨損嚴重渣土不能完全抽出，渣土集聚在土倉，刀盤背面與土倉土體摩擦增大；

③[蘿崗～香雪]區(qū)間右線隧道歷經(jīng)約6次填倉加固作業(yè)，土倉內(nèi)存在水泥砂漿固結(jié)體，且無法徹底清除，增大刀盤背面摩擦力。

3.3開口端薄鋼板貫穿裂紋

①[蘿崗～香雪]區(qū)間右線隧道歷經(jīng)約3次旋噴加固作業(yè)，且每次刀盤都被固結(jié)，加固換刀完成后刀盤轉(zhuǎn)動均采用脫困模式（超大扭矩5000KN·m ），造成局部焊縫薄弱點裂開；

②本臺盾構(gòu)機于2003年出廠，掘進里程累計約10公里，歷經(jīng)大修3次，但只對刀盤主焊縫進行探傷維修，其余焊縫未檢查維修過。

4、刀盤修復技術(shù)

在刀盤維修工作開展之前，將刀具先拆除，用高壓水槍清洗刀盤，暴露出刀盤缺陷。本次維修主要針對損壞情況，并根據(jù)測厚結(jié)果定制維修工作內(nèi)容。

4.1刀盤外圈的維修

刀盤外圈是本次維修的重點，也是工作量最多的維修工程。

①具體方法

a、用耐磨焊絲先將耐磨鋼條三個表面堆焊耐磨網(wǎng)紋（焊接面除外）；

b、刨除第一道、第二道殘余耐磨圈，打磨原焊縫，重新更換并焊接第一、二道耐磨圈；

c、將第三道耐磨圈位置處打磨，將耐磨圈直接焊接在外圈上（此時第三道耐磨高度圈低于前兩道60mm），均布預留8個長度210mm的缺口（每個輻條中心位置）；

d、將高度為125mm的撕裂刀焊接在耐磨條缺口位置（撕裂刀刀頂高度高于前兩道耐磨圈5mm），從而保證第三道耐磨條高度；

e、將其它部位采用焊絲填埋焊接。

②材料及設(shè)備選用

本次修工程耐磨條選用HARDOX500鋼板，卷制成Φ6230/Φ6110*60mm的鋼條，貼補鋼板選用16MnR鋼板主要的鋼材材質(zhì)為16MnR，厚度為30mm；

構(gòu)件焊接采用Φ1.2mm，TWE-711藥芯焊絲，耐磨網(wǎng)紋采用Φ1.2mm，VT-TBM-61藥芯焊絲；

焊接及堆焊使用NBC-500A型二氧化碳保護焊機。

③技術(shù)要求

a、在維修拼裝過程中嚴格控制兩工件間的錯邊、坡口角度和根部間隙；施焊前，焊接檢驗人員應嚴格按照拼裝尺寸進行焊前檢查，當確認坡口等各項尺寸符合要求時方可進行焊接，并作質(zhì)量記錄；嚴禁在接頭間隙填塞焊條頭、鐵塊等雜物；

b、采用火焰切割的坡口，焊前必須將坡口表面的氧化皮和飛濺物打磨干凈并露出金屬光澤；

c、對焊接焊接頭需進行加熱時可采用電加熱或氧、乙炔火焰加熱；

d、對于需要返修的焊縫，必須先確定缺陷位置、大小和深度，然后采用碳弧氣刨清除焊接缺陷，并用砂輪機磨掉氣刨后鋼材表面的氧化皮和滲碳層，露出金屬光澤。

4.2邊緣刀刀箱處理

刀具拆除后，用尺規(guī)測量刀箱變形量，若刀箱變形超過3mm，需將刀箱刨除，重新更換。若在3mm內(nèi)則僅補焊刀箱，并在刀箱周邊補焊HARDOX500耐磨條，耐磨條高度30mm，寬度40mm，耐磨條焊接位打15X15坡口，用711焊絲焊接；并在耐磨條上堆焊耐磨網(wǎng)紋，網(wǎng)紋寬度不小于10mm，高度不低于8mm。

4.3正面刮刀及刀座處理

刨除所有損壞刀座，收集存放倉庫；割槍、打磨機修整焊縫至露出金屬光澤；用711焊絲焊接刀座；最后用M24X100mm，12.9級螺栓固定刮刀。

4.4邊緣刮刀處理

用碳弧氣刨除損壞刀座，更換新邊緣刮刀刀座，用砂輪機磨掉氣刨后鋼材表面的氧化皮和滲碳層；更換未更換刀座的絲套；所有刀座背面加焊耐磨網(wǎng)紋，網(wǎng)紋寬度不小于10mm，高度不低于8mm；用M24X100mm，12.9級螺栓固定邊緣刮刀，邊緣刮刀同刀座接觸線用711焊絲堆焊連接。

4.5部分裂紋處理

對于有貫穿裂紋結(jié)構(gòu)，用碳弧氣刨刨開焊縫，清理結(jié)構(gòu)內(nèi)部異物并沖洗干凈，用TWE-711焊絲重新焊接；對于主焊縫，用磁粉探傷的方式檢查焊縫是否存在缺陷，如存在用碳弧氣刨清除焊接缺陷，并用砂輪機磨掉氣刨后鋼材表面的氧化皮和滲碳層，露出金屬光澤，再用711焊絲焊接，完工后還需再次用磁粉探傷的方式檢查焊接質(zhì)量，若存在質(zhì)量缺陷，需返工，直至達到要求。

4.6刀盤正面及背面處理

對于刀盤正面貼板撕開部分，刨開焊釘位置的面板耐磨鋼板，更換新δ=20mm的Hardox500的鋼板，并堆焊耐磨網(wǎng)紋；刀盤背面及正面同外圓連接面磨損較大，刀盤背面磨損平均達5mm，占原材質(zhì)的12.5%；需用δ=20mm的16MnR鋼板貼板加強，貼板寬度不大于80mm，焊接面15mm*15mm坡口；中心刀位置采用δ=60mm鋼板加焊耐磨條，耐磨條寬度60mm，長度根據(jù)現(xiàn)場確定；所有貼板及耐磨條表面堆焊網(wǎng)紋寬度不小于10mm，高度不低于8mm。

結(jié)語

本次維修出于工期及成本的要求，并沒有按照盾構(gòu)機刀盤原結(jié)構(gòu)進行修復，但維修后的刀盤在使用功能上完全達到要求，特別是使用新型刀具保證耐磨圈的開挖半徑，降低了維修成本。此外本文還對常規(guī)維修工藝進行了明確。

參考文獻

[1] 烏爾里希.菲舍爾等著（德），云患、楊放瓊譯，簡明機械手冊，2010（1）；

[2] 洪流康 土質(zhì)學與土力學 北京 人民交通出版社，1987；

[3] 張厚美，吳秀國，曾偉華。土壓平衡式盾構(gòu)機掘進試驗及掘進數(shù)學模型研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（S2）：490-494；

[4] 王瑤，楊新安。復合地層大直徑盾構(gòu)刀盤磨損分析[J].交通科技與經(jīng)濟，2009（6）：80-82；

[5] 何其平。土壓平衡盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)探討[J].工程機械，2003（11）：10-16，85；

[6] 張文鉞，金屬熔焊原理及工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981。