盾構(gòu)機刀盤刀箱損壞原因分析及改造技術(shù)

彭 飛，胡青山，單昊忞，林賚貺

（1.中交天和機械設(shè)備制造有限公司，江蘇常熟 215500；2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410083）

0 引言

刀盤刀具是盾構(gòu)機的主要工作部件，刀盤部件的形式和質(zhì)量決定了盾構(gòu)機的掘進性能[1]。盾構(gòu)機在穿越孤石群、上軟下硬等復(fù)雜地層時，刀盤部件結(jié)構(gòu)通常會受到嚴(yán)重磨損，當(dāng)?shù)侗P部件嚴(yán)重失效時必將影響施工進度，甚至損壞盾構(gòu)機，故必須采取全面檢修，以確保盾構(gòu)機正常掘進性能[2]。為了避免開挖地面將刀盤拆解吊出維修所造成的成本高、周期長等不良影響，本次施工采用洞內(nèi)維修、常壓換刀方案。

1 工程概況

1.1 項目概況

濱?？炀€（福州—長樂機場城際鐵路工程）土建施工第3 標(biāo)段4 工區(qū)，包括一個區(qū)間，即機場站—大鶴站區(qū)間土建工程，其中包含盾構(gòu)段、中間風(fēng)井、明挖段三部分，總體平面線路如圖1 所示。區(qū)間出機場站后沿規(guī)劃道路紅線西側(cè)向北敷設(shè)，在里程ZBK62+008.227 處接入中間風(fēng)井，出中間風(fēng)井后下穿大鶴省級森林公園及仙曇路，并于仙曇路北側(cè)通過盾構(gòu)井由盾構(gòu)轉(zhuǎn)明挖，繼續(xù)往北延伸至文嶺站。盾構(gòu)區(qū)間采用2 臺Φ8580 mm復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機，從中間風(fēng)井小里程端始發(fā)，掘進抵達至機場站端頭解體吊出。

圖1 機場站—文嶺站區(qū)間總體平面線路圖

1.2 地質(zhì)情況

機場站—中間風(fēng)井區(qū)間地質(zhì)、水文情況復(fù)雜，存在多段孤石群、凸起基巖、上軟下硬及全斷面中風(fēng)化硬巖地層。根據(jù)詳勘及補勘顯示，區(qū)間孤石巖石強度最高為177.2 MPa，基巖巖石強度最高達205.8 MPa，且?guī)r石強度普遍為120～170 MPa。

2 損壞原因及改造方案

2.1 損壞原因

盾構(gòu)機在孤石區(qū)、上軟下硬及全斷面硬巖地層等不良地質(zhì)中掘進作業(yè)時，對刀盤、刀箱和刀具損傷較大，易造成刀具螺栓剪切斷裂、刀箱卷邊變形、刀具鑲?cè)腴g距變小等后果，嚴(yán)重時可造成刀盤結(jié)構(gòu)損傷[3]。

本工程采用刀具的磨損情況如圖2 所示，從方框區(qū)域可以看出，滾刀刀圈普遍存在刀刃崩裂情況。刀具固定螺栓采取子母墊片的防松方式（圖3），但在高強度巖石及上軟下硬、基巖凸起地質(zhì)中，刀盤、刀具在掘進過程中受到的沖擊力較大，單純依靠螺栓防松方式無法確保螺栓在不斷承受振動沖擊時不松脫。

圖2 刀具磨損、刀刃崩裂情況

圖3 螺栓防松裝置

2.2 改造方案

由于只能在工區(qū)加固后帶壓進倉，進倉一次投入較大，且通過該工區(qū)后又不具備進倉條件，無法按照上述方法實施。為此，盾構(gòu)機進入本區(qū)間全斷面硬巖地層后，對盾構(gòu)機刀箱結(jié)構(gòu)進行改造，優(yōu)化刀箱和刀具螺栓受力性能，進而有效控制刀具螺栓斷裂問題。同時對在前期掘進過程中異常磨損的刀盤部件進行修復(fù)，確保在后續(xù)不良地層掘進作業(yè)時盾構(gòu)機性能完好。

3 盾構(gòu)機刀箱改造施工

3.1 施工空間構(gòu)建及停機

（1）施工空間構(gòu)建方案。通常在全斷面硬巖地層等條件下，采用直接在掌子面開鑿硐室的方法創(chuàng)造作業(yè)空間，但本區(qū)間全斷面硬巖地層巖石強度高，開鑿硐室施工難度大，所需時間較長。經(jīng)研究討論，采用氣壓使盾體后退的方式，使盾構(gòu)機刀盤與掌子面之間形成作業(yè)空間，后退距離滿足人員進倉作業(yè)條件[4]。

（2）停機位置。盾構(gòu)機在進入中區(qū)間右線314 環(huán)全斷面硬巖地層后，因掌子面上部區(qū)域存在較大風(fēng)化夾層且有滲水現(xiàn)象，不具備停機后實施氣壓后退的條件；在掘進至366 環(huán)時觀測發(fā)現(xiàn)掌子面風(fēng)化夾層較少且無滲水情況。為確保盾構(gòu)機整體進入孤石地層便于后續(xù)更換盾尾刷，決定使盾構(gòu)機再向前掘進7 環(huán)（掘進距離大于盾構(gòu)機整體長度），即在372 環(huán)位置停機。

（3）停機前后準(zhǔn)備工作。通過在停機前對渣土進行改良、加大盾尾油脂注入等措施降低盾構(gòu)機后退時的摩擦力。在盾構(gòu)機停機后，通過對盾尾施作止水環(huán)等措施，使土倉形成密閉空間，具備良好的密封性。

（4）土倉加壓盾體后退。采用盾構(gòu)機薩姆森系統(tǒng)對土倉進行加壓，壓力控制在3.0 bar（0.3 MPa）左右，每次收縮5～8 cm，多次收縮完成盾構(gòu)機整體后退。在盾構(gòu)機刀盤與掌子面間形成1 m 作業(yè)空間，具備足夠的空間進行刀箱改造及刀盤整體檢查維修（圖4）。

圖4 盾構(gòu)機刀盤與掌子面工作空間

圖5 螺紋軸套式刀箱

圖6 TBM 式刀箱

3.2 盾構(gòu)機刀箱改造

3.2.1 常壓進倉刀盤整體檢查

盾構(gòu)機氣壓后退完成后，在刀盤前方將腳手板焊接固定刀盤上作為作業(yè)平臺，同時對刀盤進行全面檢查，確定本次停機期間作業(yè)內(nèi)容[5]：

（1）按照既定計劃對中心刀箱進行改造，由螺紋軸套式刀箱刀箱更換為TBM 式刀箱，改善刀具螺栓受力性能，減少刀具螺栓斷裂、刀具偏磨等問題。

（2）根據(jù)前期專家意見，在刀盤上增加焊接型先行刀保護刀箱結(jié)構(gòu)，增加刀盤格柵降低螺旋機斷軸風(fēng)險，保證后續(xù)在孤石、上軟下硬地層安全、快速掘進。

（3）充分利用盾體后退創(chuàng)造的作業(yè)空間，主動檢查刀盤其他各部件結(jié)構(gòu)性能，對前期在孤石、上軟下硬地層中磨損的部件全面檢修。檢修內(nèi)容包括：①對在孤石地層掘進中磕碰導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的4 把單刀刀箱進行更換；②對在孤石地層掘進中磕碰導(dǎo)致脫落的33 把刮刀進行焊接；③對在孤石地層掘進中磨損的磨損檢測刀、攪拌棒等結(jié)構(gòu)進行修復(fù)或更換；④對中心區(qū)域耐磨板進行焊接加強，保護中心刀箱結(jié)構(gòu)。

3.2.2 刀箱改造施工

針對盾構(gòu)機6 個中心刀箱，由螺紋軸套式刀箱更換為TBM 式刀箱。更換前后刀箱特性如表1 所示。

表1 螺紋軸套式刀箱與TBM 式刀箱對比

（1）刀箱定位及刨除。盾構(gòu)機中心刀箱利用在輻條上焊接的定位板對刀箱進行定位，共4 個平面、焊接4塊定位板。通過割除背部及面板共8 條原焊縫刨除原裝刀箱并保留定位板，割除完成后將舊刀箱自中間分割成兩部分取出。

（2）刀箱定位、安裝及焊接。將新刀箱運輸?shù)降侗P前方作業(yè)平臺前方，調(diào)整刀箱結(jié)構(gòu)角度，通過定位塊進行調(diào)整，初步控制刀箱的位置并點焊固定；然后使用特制工裝進行精準(zhǔn)定位、安裝，同時對中心刀箱刀高進行檢測，確保整盤刀具刀刃位于同一平面；隨后對刀箱進行焊接，焊接完成后再次進行校核。刀箱焊接時通過焊前加熱、焊接過程中層間溫度控制、焊后保溫等措施，確保焊縫質(zhì)量。在焊接作業(yè)完成后，對刀箱焊縫進行100%磁粉探傷檢測，均為一級焊縫，質(zhì)量滿足要求。中心刀箱改造完成后，再對在前期孤石及上軟下硬地層中磨損的單刀刀箱進行更換。

3.3 刀盤刀具檢修

（1）刀盤增加先行刀、格柵施工。為進一步加強刀盤結(jié)構(gòu)的保護措施，同時對刀盤切削下來的渣土進行導(dǎo)流分流，在刀盤正面增加14 把焊接型先行刀，焊接后的先行刀如圖7 所示。

圖7 焊接型先行刀

為安全順利通過后續(xù)孤石地層，避免螺旋機斷軸問題再次發(fā)生，在刀盤輻條開口位置增加刀盤格柵，控制進入盾構(gòu)機土倉內(nèi)的孤石粒徑，從而避免大塊孤石進入螺旋機發(fā)生卡軸、斷軸問題。

（2）刀盤檢修。在增加先行刀及刀盤格柵作業(yè)期間，加強焊接前期在孤石地層脫落的主刮刀，通過增大焊縫坡口（由原來的15 mm 增至20 mm）、增加焊縫數(shù)量及長度等方式加強刮刀的整體穩(wěn)固性，防止在后續(xù)孤石地層再次脫落。為防止在不良地層掘進時攪拌棒變形脫落，對攪拌棒焊接筋板加強整體穩(wěn)固性。同時對前期在孤石地層中掘進磨損的部件進行更換，包括磨損檢測刀、噴口保護刀、焊接型刮刀等。在刀箱改造及檢修作業(yè)完成以后，對刀盤整體結(jié)構(gòu)進行復(fù)檢，同時對倉內(nèi)進行全面檢查、清理，最后安裝刀具。

4 結(jié)束語

本區(qū)間Φ8580 mm 盾構(gòu)機采用氣壓后退工法使盾體完成后退，進行刀箱改造及刀盤檢修，自2022 年9 月25 日停機，計劃2022 年10 月30 日完成，共計耗時35 d。

刀箱改造作業(yè)過程中，通過對刀箱等各部件精準(zhǔn)定位、把控焊接焊縫質(zhì)量、合理組織施工安排，順利完成本次刀箱改造及檢修施工，使盾構(gòu)機刀盤保持良好的狀態(tài)，有效保障盾構(gòu)機在區(qū)間后續(xù)復(fù)雜地層中安全、順利掘進，為今后盾構(gòu)機刀盤刀箱設(shè)計、改造和檢修提供相關(guān)經(jīng)驗。