楊海濤

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

【關鍵詞】復合地層；盾構刀盤；磨損分析；維修技術

引言

盾構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)間采用了盾構法，目前為止全國已有多個城市采用了盾構法修建地鐵隧道，并且越來越受到人們的青睞。

刀盤作為盾構機的核心部件，是決定工程成敗的關鍵。廣州地區(qū)廣泛分布著花崗巖，由于城市建設需要，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。

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]右線盾構施工的盾構機為海瑞克土壓平衡式盾構機（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。因本臺盾構經過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，已經影響到刀盤主體結構安全，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，磨損量占原材結構的3%。

刀盤背面相對磨損較大，平均磨損5.11mm，磨損量占原材結構的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、設備結構原因分析如下：

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構造成磨損；

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

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，刀盤外圈內側摩擦增多。

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，刀盤正面耐磨網紋堆焊的較密集，且網紋厚、高。相對來說，刀盤背面耐磨網紋淺、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)間右線隧道歷經約6次填倉加固作業(yè)，土倉內存在水泥砂漿固結體，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)間右線隧道歷經約3次旋噴加固作業(yè)，且每次刀盤都被固結，加固換刀完成后刀盤轉動均采用脫困模式（超大扭矩5000KN·m ），造成局部焊縫薄弱點裂開；

②本臺盾構機于2003年出廠，掘進里程累計約10公里，歷經大修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

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，并根據測厚結果定制維修工作內容。

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為16MnR，厚度為30mm；

構件焊接采用Φ1.2mm，TWE-711藥芯焊絲，耐磨網紋采用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紋，網紋寬度不小于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紋，網紋寬度不小于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

對于有貫穿裂紋結構，用碳弧氣刨刨開焊縫，清理結構內部異物并沖洗干凈，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量，若存在質量缺陷，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，長度根據現場確定；所有貼板及耐磨條表面堆焊網紋寬度不小于10mm，高度不低于8mm。

結語

本次維修出于工期及成本的要求，并沒有按照盾構機刀盤原結構進行修復，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

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