TBM 施工中刀盤(pán)損壞現(xiàn)象的機(jī)理分析及維修

程永豐

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

0 引言

隨著我國(guó)大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施[1]項(xiàng)目的實(shí)施，各種不同類(lèi)型的隧道需要建設(shè)。由于工程規(guī)模、地質(zhì)條件、施工速度、環(huán)保等要求的限制，傳統(tǒng)鉆爆法施工技術(shù)[2]已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)。采用開(kāi)敞式全斷面巖石TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘進(jìn)機(jī)）法隧道施工技術(shù)，不僅可以創(chuàng)造很高的掘進(jìn)記錄，而且能夠穿越不良地質(zhì)洞段。TBM 在施工過(guò)程中，刀盤(pán)的檢查，刀具的檢查、更換與維修等作業(yè)時(shí)間在掘進(jìn)施工總時(shí)間中占有很大比例，同時(shí)刀具的損耗費(fèi)用在總掘進(jìn)施工費(fèi)用中也占有很大比例。因此在刀盤(pán)設(shè)計(jì)和制造[3]中需要對(duì)此給予足夠的考慮。惡劣和不可預(yù)測(cè)的地質(zhì)環(huán)境[4]必然會(huì)對(duì)刀盤(pán)造成各種不同程度的損壞，因此需要在掘進(jìn)過(guò)程中密切觀(guān)察刀盤(pán)的運(yùn)行狀態(tài)，注意維護(hù)和保養(yǎng)。

2018 年9 月，中鐵大橋局某TBM 施工項(xiàng)目，刀盤(pán)格柵斷裂，格柵撕裂主機(jī)皮帶，更換主機(jī)皮帶花費(fèi)10 萬(wàn)元，停機(jī)3 d，后大石塊從格柵斷裂處進(jìn)入主機(jī)皮帶，再次撕裂皮帶，更換皮帶后重新對(duì)格柵斷裂處打坡口，按照相關(guān)工藝修復(fù)，恢復(fù)正常。2019 年6月，中國(guó)水利水電三局某TBM 施工項(xiàng)目，刀盤(pán)耐磨塊不同程度丟失，刀盤(pán)主體磨損，刀座壓潰變形嚴(yán)重，滾刀異常消耗大，最多曾發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域7 把滾刀偏磨，被迫停機(jī)修復(fù)。更換刀座，堆焊刀盤(pán)磨損部分，重新焊接耐磨塊，整體停工修復(fù)1 個(gè)月。2019 年8 月，中鐵十八局某TBM 施工項(xiàng)目，滾刀V 形保護(hù)塊丟失，造成38#滾刀連續(xù)磨損，重新焊接新的滾刀V 形保護(hù)塊后恢復(fù)正常。由此可以看出，在TBM 施工項(xiàng)目中，刀盤(pán)損壞時(shí)常發(fā)生，對(duì)刀盤(pán)損壞機(jī)理的分析是進(jìn)一步提出合理有效維修方法的必要保障[5]。為此，本文將介紹某引水項(xiàng)目刀盤(pán)損壞現(xiàn)象和后期的修復(fù)過(guò)程。

1 工程背景

該工程是新疆某引水項(xiàng)目，圍巖以泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、夾炭質(zhì)粉砂巖為主，局部洞段存在石英閃長(zhǎng)巖、花崗巖[7]。石英閃長(zhǎng)巖和花崗巖部位巖石強(qiáng)度高、耐磨性強(qiáng)，TBM 長(zhǎng)時(shí)間處于高推力，低貫入度狀態(tài)，設(shè)備本身振動(dòng)較大，容易造成鋼結(jié)構(gòu)疲勞開(kāi)裂。刀盤(pán)刀座結(jié)構(gòu)本身和相關(guān)焊縫在應(yīng)力集中點(diǎn)向四周開(kāi)裂[8]；滾刀容易松動(dòng)，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)楔塊就會(huì)對(duì)刀座承載面造成錘擊，造成刀座壓潰變形。

根據(jù)本工程長(zhǎng)距離硬巖隧道特點(diǎn)采用焊接扁平式結(jié)構(gòu)，刀盤(pán)體采用低合金高強(qiáng)度鋼板焊接而成，同時(shí)為了滿(mǎn)足長(zhǎng)距離硬巖隧道的掘進(jìn)，刀盤(pán)易磨損區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的耐磨設(shè)計(jì)，特點(diǎn)如下：刀盤(pán)面板焊接20 mm 的SA1750CR 或Kenna 復(fù)合耐磨板或者Hardox 耐磨板；刀盤(pán)過(guò)渡弧面及后部錐面焊有Hardox 耐磨板；滾刀側(cè)部焊有Hardox 耐磨保護(hù)塊；大圓環(huán)外側(cè)焊有鑲嵌合金耐磨板。刀盤(pán)面板和過(guò)度弧面及后部的耐磨材料是為了保護(hù)刀盤(pán)主體結(jié)構(gòu)，滾刀側(cè)面的Hardox 耐磨保護(hù)塊是為了撥開(kāi)掌子面的石渣，使?jié)L刀作用在巖面上，同時(shí)也可以保護(hù)滾刀，防止大石塊卡在刀座和刀盤(pán)主體之間，造成滾刀卡轉(zhuǎn)偏磨。

2 現(xiàn)場(chǎng)故障情況

2.1 刀盤(pán)損壞初期特征

在2020 年1 月初，TBM 掘進(jìn)11.7 km 左右，發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)在相同巖層、同推力下刀具磨損異常，同時(shí)刀具固定螺栓松動(dòng)、掉落現(xiàn)象比以前明顯增加，2 月初發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)刀座部分焊縫，鋼結(jié)構(gòu)磨損嚴(yán)重，2 月中旬發(fā)現(xiàn)面刀塞板部分丟失，刀盤(pán)格柵斷裂，同時(shí)刀盤(pán)刀座部分焊縫開(kāi)裂，局部鋼結(jié)構(gòu)磨損更加嚴(yán)重。由于外部因素，廠(chǎng)家服務(wù)人員不能及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修，只能降低刀盤(pán)推力，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)效率低，平均日進(jìn)尺僅8.6 m，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

2.2 刀盤(pán)檢查情況

在3 月中下旬廠(chǎng)家服務(wù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)全面檢查刀盤(pán)，發(fā)現(xiàn)刀座壓潰（約4 mm），中心刀座焊縫，面刀承載面磨損嚴(yán)重（約6 mm），鏟刀焊縫開(kāi)裂、溜渣擋板破損，同時(shí)格柵、面板磨損，需迅速修復(fù)。

3.3 刀盤(pán)損壞分析

刀座壓潰的主要原因是巖石耐磨性強(qiáng)，設(shè)備在高推力低貫入度時(shí)振動(dòng)大，部分焊縫交界處焊接設(shè)計(jì)不合理，沒(méi)有考慮應(yīng)力釋放，造成刀座和刀盤(pán)各焊縫不同程度開(kāi)裂。

3 刀盤(pán)修復(fù)方法

更換損壞的中心刀刀座，用J807 焊條修復(fù)壓潰刀座，修補(bǔ)刀盤(pán)主體結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，保證中心刀刀座正常，壓潰的刀座能鎖緊滾刀，刀盤(pán)主體具備大推力破巖條件及耐磨屬性。

3.1 刀盤(pán)修復(fù)準(zhǔn)備

TBM 在掘進(jìn)4.502 km 處停機(jī)，確認(rèn)圍巖完整，無(wú)裂隙、無(wú)滲水，適合焊接工作；退刀50 cm，由專(zhuān)業(yè)工程師和鉚工結(jié)合圖紙，對(duì)中心刀座定位，確認(rèn)兩組以上的基準(zhǔn)點(diǎn)；刀盤(pán)班組人員集中拆刀，49 把刀全部拆除；繼續(xù)退刀2 m，由焊工對(duì)作業(yè)位置進(jìn)行確定，用噴漆進(jìn)行位置標(biāo)記；掘進(jìn)工班對(duì)標(biāo)記位置打鉆，完成后聯(lián)系炮工和相關(guān)人員放炮，炸出“貓洞”，以滿(mǎn)足焊工正常施工；刀盤(pán)前進(jìn)1 m，搭接好工作腳手架，維保班配合廠(chǎng)家服務(wù)人員對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行修復(fù)。

3.2 刀盤(pán)修復(fù)

為了恢復(fù)刀盤(pán)性能，對(duì)壓潰5 mm 以上的刀座進(jìn)行修復(fù)，開(kāi)裂的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行打磨處理后重新焊接，補(bǔ)齊缺失的刀座賽板和保護(hù)塊。

（1）刀座部分。1#3#、2#4#中心刀座更換，刀座取出后，發(fā)現(xiàn)刀箱四處直角位置發(fā)現(xiàn)3 處裂紋，長(zhǎng)約10 mm，深5 mm，修復(fù)后打磨平整；修復(fù)壓潰的44 處刀座承載面。

（2）刀盤(pán)體部分。內(nèi)外刀座板焊縫開(kāi)裂修復(fù)，刀座外側(cè)支撐板焊縫開(kāi)裂修復(fù)，背板裂紋修復(fù)，支撐板與背板接觸處開(kāi)裂修復(fù)。

（3）鏟斗部分。鏟斗大圓環(huán)、后錐板開(kāi)裂修復(fù)；鏟刀座焊縫開(kāi)裂：掉落格柵換新補(bǔ)齊。

（4）耐磨組件部分。刀座位置刀座保護(hù)塊均磨損嚴(yán)重，上層復(fù)合耐磨板均已局部缺失，下層handox 板磨掉肉嚴(yán)重，均堆焊后堆耐磨處理，上層耐磨板缺失位置均耐磨網(wǎng)格處理。

3.3 刀盤(pán)修復(fù)注意事項(xiàng)

（1）焊接前應(yīng)檢查并確認(rèn)焊接設(shè)備及輔助工具等處于良好狀態(tài)，利用風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇增加刀盤(pán)內(nèi)部的空氣流通和除濕，若溫度過(guò)低則采用電暖片加熱環(huán)境溫度，若有漏水必須采取措施避免對(duì)焊接造成影響。

（2）焊機(jī)地線(xiàn)搭接必須靠近焊接區(qū)域，避免焊接電流損壞主驅(qū)動(dòng)。

（3）焊前清除焊縫坡口及兩側(cè)20～50 mm 內(nèi)表面的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)，至露出金屬光澤。

（4）嚴(yán)格按預(yù)熱溫度和范圍進(jìn)行焊前預(yù)熱。

（5）氣體保護(hù)焊所用的氣為瓶裝氣，應(yīng)配有預(yù)熱器和流量計(jì)，當(dāng)壓力低于1.0 MPa 或氣體流量小于10～25 L/min 時(shí)停止使用。選用瓶裝氣體為氬氣（Ar）和二氧化碳?xì)怏w（CO2），混合比為8∶2。

（6）焊接需滿(mǎn)足以下要求：施焊前一般應(yīng)預(yù)熱至100～150 ℃，必須預(yù)熱區(qū)應(yīng)在焊縫兩側(cè)，每側(cè)寬度不應(yīng)小于焊件厚度的兩倍且不小于100 mm；根據(jù)具體情況選用合理的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，不允許超大電流焊接。打底焊時(shí)，使用的焊接電流要??；焊填充焊道時(shí)，為提高效率，通常使用較大的焊接電流；而蓋面焊道時(shí)，為防止咬邊和獲得較美觀(guān)的焊縫，使用電流較?。凰泻缚p不允許在拐角處起弧及收弧，需采用繞焊的方式施焊且確保接頭位置錯(cuò)開(kāi)拐角處30 mm 以上；氣體保護(hù)焊除根部和蓋面層，坡口焊縫每層厚度不應(yīng)超過(guò)5 mm，平焊、橫焊焊層的寬度不應(yīng)超過(guò)12 mm，立焊焊層的寬度不應(yīng)超過(guò)18 mm，超過(guò)以上參數(shù)，采用多層多道焊；多層多道焊，各層道相連接的部位必須相互錯(cuò)開(kāi)30 mm 以上，不允許在同一斷面起弧及收??；對(duì)接接頭及T形接頭息弧處熔合不良的焊縫采用氣刨方式刨除，刨除焊縫長(zhǎng)度≥50 mm，深度為焊縫截面。刨除過(guò)程中留出錯(cuò)邊焊接位置，采用工藝要求的焊接參數(shù)補(bǔ)焊，并且小電流收弧，將弧坑填滿(mǎn)，收弧處不允許存在缺陷；焊接過(guò)程中使用風(fēng)鏟逐層逐道敲擊焊縫，減少焊接應(yīng)力，并清除焊渣等雜物；焊后用氣割槍重新加熱焊縫至100～150 ℃，再采用石棉布對(duì)焊縫進(jìn)行緩冷保溫：用寬度大于400 mm，3 層以上的石棉布覆蓋緩冷。

4 刀盤(pán)修復(fù)效果

刀盤(pán)修復(fù)后檢查確認(rèn)：刀座部分、中心刀座更換；中心刀座18 處承載面修復(fù)完成；12 處正滾刀座處刀座承載面修復(fù)完成；20 處刀座承載面修復(fù)完成。刀盤(pán)體焊縫開(kāi)裂部分：4 處刀座外刀座板焊縫開(kāi)裂修復(fù)完成；2 處刀座支撐板焊縫開(kāi)裂修復(fù)完成；11個(gè)刀座塞板丟失，全部補(bǔ)齊修復(fù)。鏟斗部分：3 處鏟斗大圓環(huán)缺失，現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)完成；10 處后錐板開(kāi)口開(kāi)裂修復(fù)；溜渣擋板破損嚴(yán)重，加固焊接，無(wú)法加固處割除處理，刨除后加塊支撐；6 處鏟斗所掉落格柵換新，磨損格柵修復(fù)，6 處加強(qiáng)格柵筋板過(guò)高影響鏟刀更換，統(tǒng)一高度割除1/2，共割除18 處50 mm 厚筋板。耐磨組件部分：刀座保護(hù)塊缺失1/4 以上均長(zhǎng)肉后堆耐磨處理，上層耐磨板缺失位置均耐磨網(wǎng)格處理，共30 處；耐磨板開(kāi)裂補(bǔ)焊處理后堆耐磨。探傷結(jié)果：所有焊接焊縫均滿(mǎn)足要求。

修復(fù)前限制推力，掘進(jìn)速度較慢，月進(jìn)尺不足300 m，滾刀偏磨和擋圈斷裂等道具異常損耗嚴(yán)重，單月異常損耗可達(dá)60把；焊接修復(fù)后，推力恢復(fù)最大，月進(jìn)尺高達(dá)703 m，單月滾刀異常消耗8 把，修復(fù)效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

刀盤(pán)的壽命是TBM 快速掘進(jìn)的重要保證，其中，刀盤(pán)的設(shè)計(jì)、加工制造又是影響刀盤(pán)壽命的重要因素，否則后期會(huì)嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，給施工方造成不可估量的損失。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工方也需注意對(duì)刀盤(pán)的檢測(cè)、保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象要及時(shí)處理。本文通過(guò)介紹刀盤(pán)損壞初期推力受限、掘進(jìn)速度慢，到全面排查問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)中心刀刀座損壞，20 個(gè)刀座承載面不同程度壓潰，大圓環(huán)和鏟刀座開(kāi)裂，以及耐磨保護(hù)塊磨損嚴(yán)重，后對(duì)損壞中心刀座進(jìn)行更換，壓潰刀座承載面進(jìn)行修復(fù)，大圓環(huán)和鏟刀座以及磨損嚴(yán)重的耐磨保護(hù)塊進(jìn)行打磨焊接，恢復(fù)大推力快速掘進(jìn)的性能。

焊縫交界位置預(yù)留應(yīng)力釋放點(diǎn)，應(yīng)力可以釋放，掘進(jìn)過(guò)程中后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)焊縫正常，刀盤(pán)格柵焊接修復(fù)后，無(wú)大石塊進(jìn)入皮帶，出渣情況滿(mǎn)足皮帶正常運(yùn)行，刀座塞板修復(fù)后，刀座振動(dòng)情況好轉(zhuǎn)，刀座開(kāi)裂減少，刀座壓潰修復(fù)后滾刀共同受力，無(wú)突出、偏磨減少。