超大直徑盾構(gòu)常壓刀盤制造工藝研究

王 旭，趙慧芳，谷建軍，武勝圈

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

1 項(xiàng)目背景

大連地鐵5 號(hào)線梭魚灣南站至火車站站區(qū)間是該條地鐵的控制性工程，區(qū)間長(zhǎng)3 317.044m，單洞雙線設(shè)計(jì)，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，需穿越超大溶洞群，是盾構(gòu)法施工中技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)最大的工程之一。針對(duì)該項(xiàng)目量身定制了“海宏號(hào)”配備常壓換刀刀盤的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)，設(shè)備總長(zhǎng)158m，整備質(zhì)量2 840t，開挖直徑12.26m，其中常刀換刀刀盤總重量超400t。

類似工程還有汕頭海灣隧道工程，全長(zhǎng)3 047.5m，采用開挖直徑15.03m 的盾構(gòu)施工，該盾構(gòu)總長(zhǎng)130m，整備質(zhì)量4 600t，其中常壓換刀刀盤總重量超過(guò)570t；深圳春風(fēng)隧道工程，隧道全長(zhǎng)4 820m，采用開挖直徑15.8m 的“春風(fēng)號(hào)”盾構(gòu)施工，該盾構(gòu)總長(zhǎng)135m，整備質(zhì)量4 800t，其中常壓換刀刀盤總質(zhì)量超過(guò)600t[1]。

以上工程中所用的盾構(gòu)均配備了常壓換刀刀盤。刀盤是隧道施工中最核心的部件，對(duì)隧道的開挖效率及質(zhì)量有重大影響，也起到了對(duì)施工人員的保護(hù)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，隧道施工過(guò)程中因刀盤產(chǎn)生的停機(jī)率約占總停機(jī)率的50%以上。

2 工藝路線

考慮到刀盤整體尺寸超寬、總質(zhì)量較大，公路運(yùn)輸難度大，所以常壓刀盤在工廠制造時(shí)被分為7 部分，包含1 個(gè)中心塊、6 個(gè)邊塊，中心塊單重約110t，邊塊單重約30～50t。以上7 部分需要在工廠內(nèi)制作完成，然后分別發(fā)運(yùn)至工地，再組裝、焊接成整體，最終裝配至盾構(gòu)主機(jī)上。

刀盤在工廠制造時(shí)，先將中心塊、邊塊結(jié)構(gòu)件單獨(dú)鉚焊，完成后分別去應(yīng)力處理，再對(duì)中心塊進(jìn)行機(jī)加工，以完成結(jié)構(gòu)件主體制造；然后將中心塊、邊塊整體組裝在一起，進(jìn)行滾刀焊接座、切刀焊接痤、耐磨部件的鉚焊，鉚焊過(guò)程中根據(jù)起重能力需對(duì)刀盤進(jìn)行拆解并翻身，此過(guò)程主要完成各刀具接口部件的鉚焊；刀盤拆解后，開展常壓換刀裝置的安裝與測(cè)試工作、管路的安裝與測(cè)試工作；然后進(jìn)行刀盤整體拼裝、檢測(cè)、涂裝；最后拆解刀盤，并與盾構(gòu)整機(jī)進(jìn)行總裝。

刀盤在工地組裝時(shí)，需在合適的承重地面上進(jìn)行。先進(jìn)行各主結(jié)構(gòu)的拼裝與調(diào)整，需重點(diǎn)保證各刀具尺寸要求，然后進(jìn)行焊接。焊接完后需再次核對(duì)各刀具尺寸，然后進(jìn)行再次涂裝，最后下井與盾構(gòu)主機(jī)總裝。

3 鉚焊前準(zhǔn)備

3.1 原材料質(zhì)量控制

常壓刀盤的母材材質(zhì)主要是Q345R 厚鋼板，鋼板需滿足GB 713《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求[2]。采購(gòu)的鋼材應(yīng)進(jìn)行抽樣檢測(cè)，檢驗(yàn)內(nèi)容依據(jù)GB 713 進(jìn)行，包括化學(xué)成分和機(jī)械性能檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果需與供方提供的材質(zhì)證明書及GB 713 進(jìn)行比對(duì)，以保證原材料質(zhì)量。

3.2 焊接工藝評(píng)定

根據(jù)ISO 15614 焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，開展了對(duì)常壓刀盤母材進(jìn)行焊接工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意根據(jù)常壓刀盤中實(shí)際應(yīng)用的鋼板厚度，選取合適的實(shí)驗(yàn)板厚，以確保能夠以最少的實(shí)驗(yàn)板材，覆蓋刀盤中所有的鋼板厚度。同時(shí)還應(yīng)注意按等強(qiáng)匹配的原則，選取合適型號(hào)的焊材。

實(shí)驗(yàn)板材焊接完成后，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了各項(xiàng)機(jī)械性能的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 鋼板下料及坡口制備

常壓刀盤的原材料大部分為板厚大于40mm的厚鋼板，需采用數(shù)控火焰切割機(jī)下料。下料前制定了主要零件的工藝尺寸，以減小下料過(guò)程對(duì)零件自身尺寸的影響，抵消焊接收縮產(chǎn)生的影響。

切割下料完成后采用切割機(jī)器人或者半自動(dòng)小車進(jìn)行坡口制備，需重點(diǎn)保證坡口角度及鈍邊尺寸。坡口制備完成后需按圖紙及下料工藝要對(duì)所有零件進(jìn)行檢測(cè)，以確保尺寸合格。

4 刀盤制造關(guān)鍵技術(shù)

4.1 邊塊、中心塊鉚焊

邊塊、中心塊結(jié)構(gòu)為半封閉箱形結(jié)構(gòu)，該類型結(jié)構(gòu)屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，易發(fā)生較大焊接變形。所以邊塊鉚焊過(guò)程的控制重點(diǎn)是大圓環(huán)半徑、總高度、開口處尺寸。為提高效率，6 個(gè)邊塊與1 個(gè)中心塊的主結(jié)構(gòu)需分別制造。

組對(duì)前需在平臺(tái)上放地樣線，其中對(duì)大圓環(huán)半徑適當(dāng)放量5～10mm。組對(duì)過(guò)程中需在結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)制工藝支撐，保證總高度符合設(shè)計(jì)公差要求。組對(duì)完成后需在結(jié)構(gòu)開口處設(shè)置X 形工藝支撐，以有效減小角變形。

焊接過(guò)程按照焊接工藝規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，焊接順序按照先焊接立焊縫，再焊接橫焊縫的順序進(jìn)行。對(duì)于要求全熔透的焊縫，需先焊接坡口較深的一側(cè)，然后在坡口較淺的一側(cè)清根并焊接。焊接完成后消除應(yīng)力處理。

4.2 刀具焊接座鉚焊

刀具焊接座鉚焊前需準(zhǔn)備組合型焊接平臺(tái)，平臺(tái)尺寸與刀盤總尺寸相當(dāng)，平臺(tái)平面度2mm 以內(nèi)。檢測(cè)刀具焊接座機(jī)加工質(zhì)量，主要包括尺寸檢查與粗糙度檢查。將邊塊與中心塊整體組裝在一起，檢測(cè)平面度、高度、大圓環(huán)半徑并調(diào)整。安裝刀具定位工裝，調(diào)平并對(duì)正中心。

刀具焊接座分為常壓滾刀焊接座，常壓切刀焊接座，普通刮刀焊接座3 種。組裝常壓滾刀焊接座及常壓切刀焊接座時(shí)，需預(yù)先安裝好刀具仿形裝置并確認(rèn)其安裝尺寸，然后采用刀具定位工裝定位。刀具焊接座定位過(guò)程必須精準(zhǔn)，誤差盡可能小。所有刀具焊接座定位完成后，需采用有效的測(cè)量方法測(cè)量所有刀具的尺寸，確認(rèn)無(wú)誤后才能進(jìn)入焊接工序。對(duì)測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)是保證測(cè)量結(jié)果可靠性的重要手段。

滾刀焊接座焊接時(shí)應(yīng)采用較小的焊接規(guī)范，采用多層多道焊焊接，焊道寬度應(yīng)盡量窄，以減小熱輸入，減小焊接變形；焊前的預(yù)熱是十分有必要的，但應(yīng)保持均勻，以利于應(yīng)力的均勻釋放。

4.3 工地焊接

刀盤啟運(yùn)前需確認(rèn)工地資源配備情況，包括吊裝能力，地面承重能力，電力、氣體的供應(yīng)，應(yīng)急措施等。刀盤到達(dá)工地后可立即開展刀盤整體組裝、調(diào)整工作，主要調(diào)整內(nèi)容包括各刀具平面度、半徑和開挖直徑。刀盤整體組裝時(shí)，需考慮邊塊與中心塊對(duì)接焊縫的焊接收縮，需對(duì)邊塊上的刀具半徑適當(dāng)放量，以保證焊后刀具尺寸符合要求。

組裝調(diào)整完成后需靜置一段時(shí)間，以消除地面沉降對(duì)平面度的影響。然后采用2 種測(cè)量方法測(cè)量所有刀具的尺寸，確認(rèn)無(wú)誤后才能進(jìn)入焊接工序。

刀盤工地焊接在臨時(shí)廠房中進(jìn)行。焊接過(guò)程按照焊接工藝規(guī)程嚴(yán)格執(zhí)行，焊接順序按照先焊接立焊縫，再焊接橫焊縫的順序進(jìn)行。

5 結(jié)論

1）采用合理的焊接順序及有效的工藝支撐，可以有效控制邊塊、中心塊的焊接變形，可以實(shí)現(xiàn)邊塊與中心塊順利對(duì)接；通過(guò)精確的工裝、有效的測(cè)量手段及合適的焊接收縮余量，刀盤刀具的尺寸可以得到保證。

2）通過(guò)對(duì)?12.26～15.8m 常壓刀盤的制造實(shí)踐，對(duì)常壓刀盤制造工藝過(guò)程進(jìn)行了深入的研究與驗(yàn)證，解決了相關(guān)制造工藝難點(diǎn)，為超大直徑盾構(gòu)常壓刀盤的制造提供了參考。