摘要：本文对广深港客运专线益田路隧道盾构机刀盘的严重磨损进行了分析，通过分析大直径盾构机刀盘在复合地层施工时刀盘磨损的原因，研究制定了可行的现场修复方案，并对刀盘进行了有效的改进，增强了刀盘的结构强度，使其更加适应本工程下一区间的盾构掘进施工，延长了刀盘使用寿命。
关键词：盾构机；大直径；刀盘；磨损；修复；改进
1.1 刀盘概况
刀盘是盾构机的主要构件，是掘进破岩的直接执行机构，S-550盾构机的刀盘是由4边块+1中心块组成的钢结构，刀盘开挖直径13.23m，重约319 t，刀盘面板开口率25%。配置17＂中心双刃滚刀6把，17＂单刃滚刀73把，正面刮刀106把，边缘刮刀56把，超挖刀2把。
S-550刀盘在已完成的广深港客运专线益田路隧道1370m的盾构区间段，穿越的地层主要有微风化花岗岩、混合岩，中风化花岗岩、混合岩，强风化花岗岩、混合岩，全风化花岗岩、混合岩。隧道大部分地段全断面为中、微风化混合岩或花岗岩，局部地段洞身穿越残积土、全、强、中微风化岩层，隧道开挖面上软下硬，且隧道断面岩石的石英含量平均高达72.02%，对刀具及刀盘的磨损与损坏非常大，因此为保证刀盘在转场进入广深港客运专线皇岗隧道盾构区间段的盾构施工时，能够长时间连续正常运转，就必需对S-550刀盘进行全面细致的检查鉴定，以全面了解其现状，制定全面整修方案。
图1 S-550盾构机刀盘
1.2 刀盘存在的问题
1.2.1 焊缝裂纹
在盾构掘进过程中，由于刀盘承受复杂的压力、扭矩等载荷以及剧烈的振动与冲击、温度变化都会使刀盘产生裂纹。刀盘表面经过清洗后对刀盘钢结构进行检查，检查发现在3个部位出现焊缝裂纹。
（1）刀盘的8个牛腿的加强筋焊缝开裂，裂纹已扩展至母材。
图2 刀盘牛腿加强筋裂纹
（2）刀盘的中心分块与边分块连接处附近的80mm厚的侧板与筋板之间焊缝开裂，共计有10处裂纹，部分裂纹已扩展至母材。
图3 刀盘中心块与边分块连接处裂纹
（3）刀盘各辐臂侧面封板与背面封板的焊缝开裂，共计有32处裂纹。
1.2.2 滚刀刀箱损坏
刀盘在掘进过程中的受力及其复杂，震动与冲击频繁，而滚刀作为刀盘破岩的主要工具，则直接承载了各种复杂的受力，导致滚刀本身磨损与损坏，也使得固定滚刀的锁具松动甚至脱落。而锁具松动甚至脱落后，滚刀与刀箱之间的接触就不稳固，就会导致滚刀异常损坏，也会使得刀箱磨损与损坏。而此种情况在刀盘的边缘区域最为常见，因为刀盘边缘区域滚刀的受力最为复杂。
通过对滚刀刀箱的检查，发现有25个滚刀刀箱变形严重，必需更换；此外有21个滚刀刀箱变形量较小，可修复。
1.2.3 边刮刀刀座损坏
边缘刮刀由于处在刀盘的外侧，在刮碴石时，受到的冲击非常大，尤其是在开挖仓排渣不及时的情况下，大盘底部堆积的渣土比较多，对边缘刮刀的二次磨损与损坏非常严重，导致固定边缘刮刀的螺栓松动、断裂、脱落，进而使得刮刀脱落，而这种脱落的螺栓及刮刀等亦会加剧边缘刮刀的磨损与损坏，在边缘刮刀脱落的情况下，渣土直接作用于边缘刮刀刀座上，使得刀座磨损、变形。经过对S-550刀盘边缘刮刀刀座的检查，确定16组边缘刮刀刀座已全部严重磨损、变形，大量边缘刮刀的紧固螺栓断裂在螺套内部。
图4 磨损、变形的边缘刮刀刀座
1.2.4 刀盘面板磨损
在盾构掘进过程中，由于滚刀的非正常损坏、石碴的冲击、大石块的挤压等，导致刀盘面板磨损。S-550刀盘由于出现几次中心刀非正常损坏的情况，因此中心区域的刀盘面板磨损尤为严重，磨损区域直径2.14米，磨损量约30～40mm。
1.2.5 刀盘边缘耐磨环板磨损
刀盘边缘的耐磨板由于处在刀盘的外延，掘进过程中刀盘外沿的线速度高达2.0m/s，因此受石碴的冲击、挤压最为频繁，极易造成刀盘边缘耐磨板的磨损。经对刀盘边缘的检查，刀盘边缘背面的10mm耐磨环板板1磨损量5～8mm，刀盘直径边缘60mm的耐磨环板A2磨损量15～50mm、B2磨损量18～22mm。
图5 刀盘边缘耐磨环板磨损
1.3 刀盘修复
1.3.1 刀盘焊缝裂纹修复
修复刀盘焊缝裂纹，首先用碳弧刨刨开裂纹部位，打磨后对焊接部位进行预加热，然后进行焊接。
在对焊缝裂纹进行刨开、焊接过程中需注意以下几个方面
（1）刨开的深度与角度要严格控制，深度以10～15 mm为宜，角度双侧45°为宜；
（2）打磨精度控制，打磨后切口表面平顺，可见金属本色。
（3）焊接前预加热温度控制在120℃～150℃，焊接完成后需进行保温措施。
（4）焊接用焊条必须经烘干处理，储存于保温筒内，即拿即用，确保焊条干燥。
（5）在已经焊好一层的焊缝上继续焊接第二层前，必须在前一层焊缝上清除焊渣，涂抹防飞溅剂。裂纹、孔隙、融化不全、裂缝等，必须仔细打磨干净且不得过度焊接。
1.3.2 滚刀刀箱修复
滚刀刀箱的修复分为两块：变形量大的25个滚刀刀箱更换新刀箱，另外变形量小的21个滚刀刀箱采用补焊修复。
（1）刀箱更换
用碳刨断开刀箱背后焊接的定位块，清理干净，定位刀箱的四个方位，找出间隙尺寸记载于刀箱旁，以便新刀箱定位；然后刨除刀箱正面的焊缝，刀箱的焊缝全部刨除后用千斤顶将其顶出。
旧刀箱取出后，清理干净刀箱的安装腔。放入新的滚刀刀箱并整好位置，将刀箱与刀箱腔之间的间隙填入塞板，在刀箱正面点焊4个点定位，然后开始焊接刀箱。首先焊接刀箱与内支撑板之间的焊缝，然后按图6所示顺序焊接刀箱正面的焊缝。
图6 滚刀刀箱正面焊缝焊接顺序图
（2）刀箱堆焊修复
变形量小的滚刀刀箱主要是指U型块底座变形量在5mm以下的滚刀刀箱，对此类刀箱采用堆焊修复。
1）首先对全部变形的U型块底座进行打磨除锈。
2）用CO2气体保护焊堆焊变形损坏的U型块底座。
3）按照图纸尺寸要求打磨堆焊完成的U型块底座及刀箱其它部位毛刺，特别是U型做底座的受力面一定要保证精度。
图7 滚刀刀箱尺寸控制图
1.3.3 边刮刀刀座修复改进
（1）首先割开边刮刀刀座下方刀盘辐臂的封板，清理干净后找出三个点，用角钢做好定位用于新刀座的安装定位如图1-12所示，然后刨掉边缘刮刀刀座。
（2）清理干净刀座焊缝位置，打磨平整至可见金属本色。
图8 边刮刀刀座定位图
（3）放入新刮刀刀座，利用用之前的三个定位点，结合图纸点焊固定，然后加宽定位焊至100mm，加热至120℃再焊接。
（4）边刮刀刀座的焊接主要有三个部位：120mm厚环、面板、80mm厚的弧板。首先焊接面板点和120mm厚环点，再焊弧板内侧焊缝的1/3，然后焊接弧板外侧焊缝的1/2，接着焊弧板内侧剩余焊缝的2/3，最后焊接弧板外侧余下焊缝的1/2。
图9 边刮刀保护块示意图
（5）将原先割除的封板补焊恢复。
（6）焊接边刮刀保护块，保护块采用2.5cm厚耐磨板，并在上面堆焊1cm厚耐磨焊。保护块的形状采用屋脊型如图9所示，具有导流碴石作用，防止碴石直接冲击刮刀，导致刮刀松动、脱落。
1.3.4 刀盘面板修复
S-550刀盘中心区域磨损范围直径2.14m，如此大面积的全面焊接，首先难以保证焊接强度均匀，并且容易导致变形。为此，所采取的措施为区别对待，化整为零，分散焊接。
（1）区别对待就是刀盘正面和边缘部位的工况有所区别，处理方式也不一样。正面面板上加焊耐磨钢板恢复至原面板厚度，以防止继续磨损刀盘本体，边缘区域则堆焊耐磨焊；
（2）化整为零就是在刀盘的正面的磨损区域焊接多块耐磨钢板，按照不通磨损量选用不同厚度的耐磨钢板，单块钢板尺寸约为300×300 mm，间距30 mm，以便于焊接和使用过程中的维修。
（3）分散焊接可以减少焊接热量对结构件的影响，并且可以展开平行作业，加快整修进度；
（4）刀盘边缘的锥面面板上，采用耐磨焊条在原200×80mm的耐磨块上堆焊，并在最外层加焊网格层。
1.3.5 刀盘边缘耐磨环板修复
刀盘边缘的耐磨环板磨损量都非常大，平均磨损量超出了原板厚的50%，因此必需更换新的耐磨环板。
（1）用碳刨刨除刀盘直径方向外侧耐磨板及刀盘外侧背面耐磨环板。
（2）清理、打磨干净耐磨环板焊接位置。
（3）焊接刀盘直径方向外沿耐磨环板，耐磨板的厚度保持不变，依然为60mm。
（4）焊接刀盘外侧背面耐磨环板，耐磨板的厚度由原来的10mm改进为40mm，增加其耐磨量。
图10 维修后的刀盘外沿耐磨环
1.4 刀盘结构的改进
S-550刀盘出现多处裂纹、刀盘及刀具磨损严重，其主要原因是由于刀盘整体应力和变形量偏大，刚度偏小，容易产生振动，使连接螺栓松动，进而造成刀具异常损坏。在掘进上软下硬地层时，刀盘的最大轴向变形量达到了13mm以上，如图11所示。
图11 刀盘1/2断面载荷下整体变形云图与轴向变形云图
通过对刀盘的结构分析，在不返厂维修的情况下，为加强刀盘的刚度与强度，在现场对刀盘进行改进如下：
1、在刀盘开口位置加焊三圈加强板，板厚100mm。
2、在支腿与刀盘本体连接处增加支撑筋板，板厚80mm
3、在刀盘中心块与边块连接处增加支撑筋板，板厚80mm
图12 刀盘改进加强示意图
1.5 刀盘修复改进成果
（1）质量：刀盘修复、改进后已经恢复了原有的功能与质量，并且与益田路隧道施工状况相比，刀盘表面耐磨性、边刮刀保护块的设计、刀盘结构的强度等方面在原有基础上进行了改进，可有效延长刀盘使用寿命、增强刀盘的破岩能力、增强刀盘对地层的适应性……从理论上完全可以满足下一隧道长距离掘进施工的要求。
（2）效益：刀盘的成功整修与改造，为后序隧道的掘进施工提供了有力保证，可有效避免由于已经损坏的旧刀盘出现故障而停机修复（甚至无法修复），可为紧张的掘进施工争取更多的时间，同时避免大量人力、物力、财力方面的资源消耗。
经国内刀盘刀具专家鉴定，修复后的刀盘，与全新刀盘相比，其实际寿命约为80%，当然，后期的维护保养不容忽视，刀盘寿命很大程度上取决于日常维护、使用、地层状况等因素。经初步调查，与采购全新刀盘相比，可以节约时间约半年，节约成本不少于2000万元；与将旧刀盘返厂维修相比节约成本不少于500万元。
论文作者:田燕武
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/30
标签：刮刀论文; 磨损论文; 耐磨论文; 边缘论文; 盾构论文; 裂纹论文; 刀刀论文; 《基层建设》2019年第4期论文;