楊 孟/YANG Meng

（廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510228）

我國對于盾構(gòu)刀盤的設(shè)計、制造研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，TBM 刀盤卻是在探索階段，不可避免地存在一些設(shè)計和制造缺陷。加之在掘進(jìn)過程中，TBM 需要長距離在硬巖中掘進(jìn)，地質(zhì)、刀盤管理、操作等原因，都會造成刀盤不同程度的損壞。基于這些原因，TBM 刀盤維修已經(jīng)成為不可避免的問題。國內(nèi)針對TBM 刀盤的維修也有一些研究。例如，陳凡等用于巖石隧道掘進(jìn)機刀盤的內(nèi)部焊接技術(shù)[1]；趙偉等高磨蝕地層TBM 刀盤洞內(nèi)快速修復(fù)技術(shù)研究[2]。這些研究主要針對刀盤功能的恢復(fù)。本文基于刀盤的受力情況進(jìn)一步分析損壞原因，結(jié)合焊接工藝、焊材選型對刀盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計建議，為后續(xù)刀盤設(shè)計提供參考。

1 研究的背景

廣東榕江關(guān)埠引水項目，工程輸水線路總長度35km，其中山嶺隧道區(qū)間27km。地勘報告顯示隧道區(qū)間以全斷面花崗巖為主，抗壓強度大于117MPa 的巖層占比超過94.4%，其中抗壓強度大于145MPa 的巖層占比在52.9%以上，石英含量超過30%；II、III 類圍巖占比超過94%。項目采用3 臺中鐵裝備雙護(hù)盾TBM 施工。刀盤最大開挖直徑5 060mm，最大推力為10 500kN。其中4 把17 寸中心雙刃滾刀、27 把19 寸單刃滾刀，共35 個刃。單、雙刀安裝示意圖如圖1 所示。

圖1 單、雙刀安裝示意圖

2 刀座刀箱的損壞形式及原因

本項目采用分離式刀箱和刀座，刀箱焊接在刀盤輻條上面，刀座通過冷裝工藝安裝在刀箱上。刀座采用常見的“C 型”結(jié)構(gòu)設(shè)計，刀箱則為拼焊后整體機加工而成。刀箱、刀座材質(zhì)分別是Q355D、42CrMo。刀座采用調(diào)質(zhì)處理后，與刀軸的接觸面進(jìn)行局部淬火，整體硬度為38～42HRC，接觸面硬度為50～55HRC。刀座主要兩種損壞形式：與刀軸的接觸面產(chǎn)生的壓潰現(xiàn)象；C 型的直角位置發(fā)生開裂，甚至斷裂現(xiàn)象。刀箱的損壞主要是體現(xiàn)在與刀座接觸的受力面產(chǎn)生潰縮，最大潰縮量大于1cm，如圖2、圖3 所示。

圖2 刀座開裂

圖3 刀箱壓潰

刀座和刀箱的受力狀況進(jìn)行分析，刀軸與C型塊的接觸面尺寸為72×61mm（A1），刀座與刀箱接觸面尺寸為100×72mm（A2），計算可知，即使在最大動載作用下，各部件之間的接觸比壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強度。從而排除是因滾刀的破巖載荷造成刀箱、刀座的材料的屈服。

刀軸和刀座的接觸比壓=CF/（2A1）=107.6MPa ＜930MPa；刀座和刀箱的接觸比壓=CF/（2A2）=65.6MPa ＜355MPa。

式中：F為滾刀切削巖面允許的最大載荷，C為滾刀轉(zhuǎn)動過程的最大動載系數(shù)，取1.5。注：計算刀箱比壓時未考慮刀座和刀箱之間過盈量產(chǎn)生的摩擦力。

從本項目的應(yīng)用情況看，盾構(gòu)刀座的損壞往往伴隨著刀箱的壓潰。在本項目1#TBM 掘進(jìn)到1 700 多環(huán)時，發(fā)現(xiàn)刀箱產(chǎn)生壓潰現(xiàn)象，與C 型塊的接觸水平面和垂直面均發(fā)生了變形，刀座的固定螺栓已經(jīng)斷裂。此時刀座冷裝工藝所提供的過盈量已經(jīng)不能給刀座提供有效固定，僅靠2 顆M16 的固定螺栓已經(jīng)不能承受刀座的載荷從而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。本項目2#TBM 在掘進(jìn)至2 100 多環(huán)時，發(fā)生32#刀位刀箱變形、刀座斷裂現(xiàn)象。

對上述刀箱、刀座的損壞形式進(jìn)行分析，本項目2 個TBM 刀盤都在掘進(jìn)2 000 環(huán)前后開始損壞。在2#TBM 刀座斷裂后，刀箱和刀座之間存在較大游隙，刀箱的承載面已經(jīng)被壓潰成一個斜面。不難發(fā)現(xiàn)2#TBM 刀盤損壞的形式是1#TBM 的進(jìn)一步發(fā)展。在出現(xiàn)1#TBM 的情況時，刀箱和刀座之間的過盈量逐漸因為變形量變大而消失，從過盈配合變成了間隙配合。如未對其進(jìn)行及時處理，刀座和刀箱之間開始夾雜石粉，逐漸積累在刀箱的直角位置，到一定厚度后，形成一個支點，把刀軸對應(yīng)區(qū)域架空，刀軸的載荷在刀座直角位置形成較大彎矩，進(jìn)而造成這個位置的開裂。此時的刀軸已經(jīng)不能被固定，隨著切削過程，不斷的錘擊刀座和刀箱，進(jìn)而使刀座接觸面損壞速度加劇。

可以看出上述是一個惡性循環(huán)的過程，究其原因是冷裝工藝的刀箱在長距離復(fù)雜地層掘進(jìn)后，因疲勞進(jìn)而發(fā)生蠕變。疲勞發(fā)生的兩個可能性：①刀箱所使用的Q345D 強度不夠，未能達(dá)到設(shè)計壽命提前發(fā)生疲勞；②因冷裝工藝過盈量不夠，刀軸的載荷足以使刀箱和刀座發(fā)生輕微的變形，在高頻重載的沖擊下造成刀箱提前疲勞。

3 刀盤的修復(fù)

針對刀箱、刀座損壞的原因，提出以下措施：①采用更可靠的刀座固定方式；②提高刀箱與刀座接觸面的承載能力，以提高疲勞壽命。

3.1 刀座固定方式的選擇

常用的連接方式主要有螺栓連接和焊接兩種，因空間和設(shè)備的問題，施工中的刀盤用增大螺栓直徑或者螺栓數(shù)量的方法，操作難度較大。如果采用焊接形式，需要對刀座材料42CrMo 焊接性進(jìn)行分析。應(yīng)用比較成熟的國際焊接學(xué)會（IIW）的碳當(dāng)量計算公式來判斷材料的焊接性能。其公式如下：

將42CrMo 的化學(xué)成分帶入公式，可得出該材料的碳當(dāng)量高達(dá)0.913%，根據(jù)IIW 的判斷標(biāo)準(zhǔn)CE≥0.6%焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法。在隧道施工現(xiàn)場不具備這樣的作業(yè)環(huán)境，加上需要和刀箱的Q355D 進(jìn)行對焊，兩側(cè)母材強度差異很大，更容易導(dǎo)致焊縫開裂。那么需要在刀座焊接區(qū)域設(shè)置一個過渡層，過渡層可以在工廠條件下完成敷焊，同刀座一起進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后再加工成型，規(guī)避在刀盤內(nèi)進(jìn)行高要求的焊接。將常用的ER50-6 焊條的化學(xué)成分帶入碳當(dāng)量公式，可得其碳當(dāng)量僅有0.326%，根據(jù)IIW 的判斷標(biāo)準(zhǔn)CE＜0.4%屬于焊接性好的范圍。ER50-6 熔焊后的強度正好介于42CrMo 和Q355D 之間，該焊條的性能較為理想。采用該焊條進(jìn)行敷焊后，可大大降低隧道內(nèi)刀座的焊接難度。按照上述方案設(shè)計的帶坡口易焊接刀座，如圖4 所示。

圖4 帶坡口易焊接刀座

3.2 刀箱的修復(fù)及補強

針對刀箱承載面已經(jīng)壓潰和強度不足的情況，處置方案為：方案一需將潰縮部分填充到原設(shè)計尺寸，方案二需增加該部分的承載力避免再次壓潰。需要選擇易焊接、易打磨，熔焊強度高的焊接材。對可能適用的焊條進(jìn)行試驗，備選的焊材有THY-51b、ER50-6、D322 模具堆焊焊條、717 耐磨焊條、WE600 合金鋼焊條。

為了檢驗各焊材的堆焊性能，在隧道外已經(jīng)磨損的42CrMo 刀座上進(jìn)行堆焊，然后對其打磨拋光、測試硬度，沖擊試驗，試驗情況如表1 所示。依據(jù)試驗和焊材特性可知：717 焊條硬度過高且易開裂不適用；THY-51b 和ER50-6 焊接性能較好，但是強度和硬度偏低；D322 和WE600焊接性能、耐沖擊、承載力均較好，但WE600 的Cr 含量較高存在打磨困難，不利于隧道內(nèi)作業(yè)。

表1 幾種焊材的堆焊試驗情況

鑒于各種焊材的特性結(jié)合被修復(fù)面的受力特點，制定以下修復(fù)方案。

單刀刀箱的承載面較小，便于控制打磨尺寸，采用整面焊接打磨的方式。方案一：用D322、WE600 分別堆焊到設(shè)計尺寸的+3mm～5mm之間，然后打磨到設(shè)計尺寸+2mm。方案二：用D322 堆焊到設(shè)計尺寸的-2mm，然后用ER50-6焊條堆焊到設(shè)計高度的+3～+5mm，打磨到+2mm。

雙刀刀箱的承載面細(xì)長，且長寬比較小，最大承力點位為6 個支腳位，用分級尺寸控制的方式。先用D322 焊條將整個安裝面堆焊到設(shè)計尺寸的-2～0mm，再用ER50-6 焊條將6 個墊腳堆焊到+3～+5mm，然后打磨到設(shè)計尺寸+2mm。

在隧道外按上述方案進(jìn)行堆焊試驗，經(jīng)驗證上述各方案均可實施。于是在隧道內(nèi)開展刀盤修復(fù)工作，將受損的刀箱進(jìn)行分組，按不同的方式實施修復(fù)。焊接工藝要點如下。

1）要修復(fù)的面需打磨見光。

2）預(yù)熱，使用烤槍對堆焊部位進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度200～250℃，對非堆焊位置采用保溫棉覆蓋，減少刀座熱量揮發(fā)，可對非堆焊部位保護(hù)，防止焊接飛濺。

3）注意焊接過程中，控制層間溫度，測溫槍測量溫度要求200℃～300℃。

4）堆焊厚度根據(jù)刀座支撐面壓潰程度而定，單層堆焊厚度≤4mm，單道焊縫寬度≤12mm。

4 總結(jié)與建議

TBM 刀箱刀座損壞主要原因為破巖過程中重載高頻的沖擊，造成材料的提前疲勞損壞。通過上述修復(fù)后，2#TBM 掘進(jìn)2 600 多環(huán)后堆焊位置仍然完整，未再出現(xiàn)潰縮、蠕變現(xiàn)象，刀座也未再出現(xiàn)開裂。其中，單刀刀座采用WE600 堆焊抗變形能力最強，D322 次之，D322 加ER50-6面層最差。結(jié)合焊接過程可知，用WE600 修復(fù)的位置打磨極其困難不合適隧道內(nèi)大范圍修復(fù)；D322 比較適中，承載能力較強且打磨方便，適用于單刀刀箱大范圍修復(fù)；用D322 加ER50-6 的方式強弱結(jié)合適用于中心刀這種細(xì)長部位，通過ER50-6 的變形來彌補打磨的誤差。本項目的刀盤損壞也說明了刀盤管理存在漏洞，在日常施工中需要進(jìn)一步加強刀具更換、復(fù)緊和刀盤檢查維護(hù)工作。

對于本文刀盤的情況，建議刀箱設(shè)計主結(jié)構(gòu)仍然用Q355D，載荷承載面用焊接良好的高強度合金焊條進(jìn)行堆焊，熱處理后機加工成型。刀座則采用本文中提到的中間帶坡口易焊接刀座，既能實現(xiàn)刀座更換又能提高刀座的連接強度。