土壓平衡盾構機刀盤的修復

李 桐

（中鐵科工集團軌道交通裝備有限公司 武漢）

一、引言

近年來，我國盾構裝備制造及產業化發展迅速，城鎮化步伐加快。盾構機市場前景廣闊。但由于國內尚不成熟的自主設計技術以及全球大力提倡的循環經濟模式，因此盾構機的循環利用和修復改造勢在必行。在隧道掘進過程中，刀盤刀具直接與土體相互作用，是最容易受到損害的部件之一。對磨損的盾構機刀盤進行及時的修復改造，既提高了施工效率、縮短了建設工期、消除了安全隱患，又在節約成本、節約能源、節約材料、保護環境等方面開辟了很大空間，因此成為實現循環經濟發展的重要技術途徑。

依托武漢地鐵過江隧道項目中S509土壓平衡盾構機的修復實例，對其復合刀盤磨損情況進行檢測評估，并從刀盤結構修復和刀具改造兩方面進行詳細闡述。

二、刀盤結構的修復

刀盤的結構由肋板、面板、側板和補強板組成，各種面板通過焊接構成刀盤的整體結構，S509盾構機的刀盤結構呈現不同程度的磨損（圖1），因此需要對其進行分區修復。

1.刀盤肋板、面板、側板和補強板的修復

圖1 刀盤磨損狀況圖

在對刀盤肋板、面板、側板和補強板進行修復時，首先需對磨損的殘板進行切割去除、打磨光滑，達到焊接的要求（圖2），然后對殘缺的刀盤筋板、面板、側板、補強板等進行測量，下料加工出需要的殘缺板料，并在其焊接連接處開坡口，焊接完成后，進行堆焊處理，增加其耐磨性能。以補強板為例，其修復流程如下。

圖2 補強板殘根切除

（1）采用氧焊及氣刨工具，對補強板殘根進行清理，將清理后的刀盤連接面和預焊接面用磨光機打磨平整，達到焊接要求條件；

（2）根據圖紙要求（或現場測量尺寸）機械加工出所要求的的補強板；

（3）對焊條進行保溫處理，對施焊范圍內的基體和耐磨環除油、除銹、除潮濕并預熱；

（4）將補強板與刀盤焊接。為保證焊接質量，在對接口處加工30°角坡口，采用多層焊接將坡口填平；

（5）焊后處理施焊完成后，對補強板用高耐磨焊絲焊接一層耐磨網。

2.外周鋼環的修復（圖3）

采用氧焊及氣刨工具，切除磨損刀盤上的鋼環，并清理殘根。對與鋼環焊接的側板打磨出坡口面，為焊接工作做好準備。鋼環構件采用100 mm厚的Q345C板卷制為（外徑）Φ6490 mm×100 mm×260 mm圓環，再與側板焊接。待部件均焊接完畢，采用立車進行外圓機加工，以保證刀盤外周與連接法蘭的同心度。機加工完畢后，在鋼圈表面焊接復合鋼板，以增強其耐磨性能。

3.攪拌棒的修復

攪拌棒磨損嚴重、變形程度大，已無法修復使用，因此需割除原攪拌棒，重新裝焊。攪拌棒采用Q345C為主材，并在其外周焊接復合鋼板，以增強耐磨性能。根據實際地質，為降低泥餅的形成幾率，在刀盤中心附近另增設3處T形攪拌棒。

圖3 外周鋼環修復

三、磨損刀具及其附屬結構的修復

刀具與刀盤連接方式有3種，一種是直接焊接在面板上，一種是通過螺栓固定于側板上的基座上，第三種是通過裝配固定在刀箱內，而刀箱則焊接與刀盤結構內。對于第一種，首先，用氧炔焰把損壞的刀具從根部切除，打磨，然后將相應的刀具焊接于原處。對于第二種，若基座完好，則只需清潔基座，用螺栓把硬質合金刀具固定在上面。若基座損壞，則需先在輻板上焊接新的基座，然后再作同樣處理。對于安裝在刀箱內的滾刀，如刀箱完好，則直接將新滾刀安裝在刀箱內，如刀箱磨損過度，則刨去刀箱，重新裝焊。

S509盾構機刀盤上的刀具包括切刀、羊角刀、貝殼刀、周邊刮刀及滾刀。為確保刀具安裝精度，需使用定位工裝（圖4）。

1.切刀及其附屬結構的修復

根據對刀盤切刀各部分的檢測，針對性地制定出各自的修復措施。切刀刀具部分，切刀均磨損嚴重，需全部更換，之后進行耐磨處理。切刀的刀座部分，根據磨損程度的不同，采取相應修復方法。刀座幾乎沒有磨損，只需進行耐磨處理（焊接一層耐磨材料）；刀座磨損量在4 mm以下，磨損部分采用焊接材料堆焊，以達到刀座的強度要求；刀座磨損量在10 mm左右，不能安裝刀具，須重新制作刀座；刀座已變形，安裝孔已變形，須更換刀座。

2.羊角刀及附屬結構修復

羊角刀作為切割刀具，尺寸要求嚴格。根據檢測結果，發現羊角刀刀具和刀座全部發生磨損或變形。因此均需按原尺寸重新配置，并利用殘根和圖紙標定的尺寸進行刀座定位和刀具的安裝。

3.貝殼刀及附屬結構修復

貝殼刀作為刀盤周邊的先行刀，需滿足線速度大的要求。據其檢測結果顯示，刀座沒有磨損，可以繼續使用。但其刀具已產生嚴重磨損，因此需換上匹配新刀具，并進行耐磨處理。

4.刮刀及附屬結構修復

刮刀作為周邊的切削刀具，其線速度大，行程大。據其檢測結果顯示，周邊刮刀的刀座部分則保存完好，可以繼續使用，只需對其進行耐磨處理。周邊刮刀的側向刀具和外側的球形刮刀均強烈磨損或已脫落，所以周邊刮刀需進行更換。若無需更換刀座，則周邊刮刀的修復流程與貝殼刀基本相同。若更換刀座，其修復流程與羊角刀相同。

5.刀座安裝注意事項

（1）刮刀刀座的安裝。以刀盤實際測繪基準面，利用殘根和圖紙標定的尺寸進行刀座的定位。先在內、外兩端各定一把刀座，而后利用角鋼定出其它同一直線刀座的位置，刀座全部定位后進行加固焊接。

（2）邊緣刮刀刀座的安裝。保證正面區域的小刮刀在同一平面上，邊緣區域與設計相符，保證開挖圓周的直徑，定位后焊接牢固。

6.滾刀及附屬結構修復

滾刀和刀箱磨損嚴重并變形，不利于二次安裝滾刀。因此，需刨除原刀箱，重新定位后，焊接新的刀箱，然后安裝滾刀（圖5）。

圖4 刀具定位工裝示意

圖5 滾刀更換安裝

四、結語

由于刀具間距對刀盤的受力有重要影響，不合理的刀具間距會極大降低刀盤的使用壽命，所以刀盤修復后需進行檢測以及進一步調試。S509盾構機的刀盤在公司修復改造完成后，已于2014年6月順利完成過江隧道的開挖。該刀盤的成功修復具有重要的實踐價值，既為盾構機刀盤磨損得修復提了參考和借鑒，也是對我國盾構制造技術的提升和補充。

1 宋云，張君，張立宇.成都地鐵施工中盾構機的應用[J].筑路機械與施工機械化，2008，25（1）:68-71

2 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

3 竺維彬，鞠世健.復合地層中的盾構施工技術[M].北京：中國科學技術出版社，2006

4 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011