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珠海城轨1号盾构机舱内刀盘修复技术

1 工程概况
珠海城轨金融区间盾构施工过程中，水底段上软下硬和全段面不良地质长约400m，刀盘工作环境恶劣、受力复杂，刀盘从淤泥质黏土进入到上软下硬地层后，刀盘中心区域滚刀、刀盘、耐磨板损坏加剧，32mm厚的刀盘面板最大磨损量达25mm;刀盘刀箱座与刀箱间的前端锚固端焊缝严重磨损和开裂，导致刀箱变形，滚刀窜动间隙加大，部分滚刀压紧楔块的固定螺栓松动甚至断裂脱落;掘进到115m时已将近有1/2的刮刀由于螺栓断裂而脱落，严重影响了盾构的正常掘进，原位舱内进行刀盘修复是恢复盾构机机械能力的唯一途径。
2 刀盘损坏情况
2.1 刀盘结构
金融岛-横琴段采用土压平衡盾构机，盾构机刀盘开挖直径为8820mm，采用6辐条和6个面板;共60把滚刀，56个轨迹线，中心区域滚刀为1～20号刀位，21～56号为正滚刀，55号和56号轨迹线上各3把滚刀;拳型刮刀130把，分别为中心区域焊接刮10把，平头刮刀84把，转角刮刀36把。中心区域滚刀设计荷载为25t(250kN)，正滚刀设计荷载为30.6t(306kN)，如图1所示。

2.2 刀盘损坏情况
在上软下硬地段，387环换刀后掘进至396环，千斤顶推力最大值达到4900kN，扭矩最大值达到6500kN·m，掘进十分困难，只能停机开舱进行刀盘刀具检查。检查后发现中心刀1～8号滚刀刀箱、17～19号、18～20号滚刀刀箱楔块安装板磨损严重，楔块安装板侧面与滚刀摩擦损坏严重，1～8号刀箱隔板变形、脱落，刀盘面板受损，刀箱与刀盘焊接处开裂。17～19号、18～20号双联滚刀刀箱的楔块安装位焊缝开裂。中心区域的刮刀损坏严重，部分刮刀底座已磨损。磨损最严重为17～20刀号区域，刀盘面板磨损约25mm，接近穿透，如图2～4所示。

3 刀盘修复措施
3.1 原因分析
刀箱设计时，刀箱整体强度、刚度偏低，配合间隙过大，最大间隙量超过6mm，导致楔块锚固螺栓断裂、楔块脱落，部分楔块卡死在滚刀和刀箱之间，造成滚刀偏磨;穿越上软下硬地层，上部为淤泥质黏土+抛填石，抛填石离盾构机最近约为3m，土体被扰动后泄压严重，无法实现压气法检查刀具;随着中心滚刀非正常损坏数量增多和磨损加剧，以至于刀盘面板磨损，磨损量达到25mm，并造成刀箱前端与刀盘焊接锚固点磨损。刀盘修复前和修复后中心刀、楔块损耗如表1所示。

3.2 刀盘修复方案
需要在中心区域的1～20号滚刀范围内，将受损的刀箱、刀盘腹板、面板及耐磨板进行焊接修复，泡沫管前端法兰及保护刀重新恢复并疏通。
1)刀箱修复
由于中心滚刀偏磨严重，刀箱与刀盘面板磨损，致使刀箱与刀盘主梁脱焊，同时，刀箱在使用过程中出现开裂。需要将受损的刀箱从刀盘刀座内取出，更换新刀箱。
中心8联刀箱为整体刀箱，受空间限制，改为2个4联刀箱，进入刀盘掌子面用螺栓连接，再焊接为整体8联刀箱，焊缝打磨平整后重新装入刀盘内。
2)更换面板
在刀盘中心区域面板磨损较大，须将磨损严重刀盘面板予以更换，磨损较少面板采用填焊。同时，将刀盘面板上耐磨板一起更换和修复。
3)损坏的刮刀底座修复
刮刀和面板已磨损，刮刀刀座一部分损坏。因在全断面硬岩，刮刀容易磕坏，且刮刀在硬岩作用不明显，只需修复刮刀座，完成全断面硬岩掘进后将刮刀安装。
4)检查主梁、圈梁及其他部位受损情况
滚刀偏磨造成刀箱附近产生较大应力集中及侧向分力，应检查主梁与刀箱之间的焊接是否出现开裂现象;最外圈圈梁是刀盘接触岩土最多的部位，磨损最为严重，需对外圈梁的磨损进行检查;检查其他刀箱及构件的损坏情况。
5)清通管路
由于刀盘磨损，部分刀盘前端保护刀及法兰座损坏，需要予以恢复。完成后检查清理添加剂管路，保证添加剂管路的畅通。
3.3 刀盘修复作业场地要求及施工
刀盘修复工期约为30d，刀盘修复作业场地的合理选择是刀盘修复成败的关键。刀盘修复需要实施气体切割和电焊作业，最好能在常压通风条件下进行，否则风险极大，应尽可能选择围岩能够在常压状态下自稳的区间，如达不到条件则必须提前对围岩进行加固预处理，达到掌子面能够自稳、基本无地下水、无有毒有害气体渗漏的状态。然后才能在掌子面开辟维修槽，为作业人员提供必需的作业空间。维修槽(L形)选择刀盘中心部位至人闸舱进口方向凿出，宽2m，长7m，深度约为1m，如图5所示。维修槽的开凿采用静态爆破。

3.4 刀箱、刀座、面板的修复控制要点
3.4.1 刀箱安装
1)刨除原有滚刀刀箱，从刀盘掌子面方向拆出，打磨刀箱安装位，要求平整、光滑，表面无凸起。
2)中心滚刀1～8号刀箱由2个4联滚刀刀箱对接而成，需先吊至刀盘掌子面维修槽内，对位完成后，采用螺栓固定、对焊，焊膏高度≥15mm，焊接完成后打磨平整、探伤。
3)将刀箱装入刀盘刀座内，刀箱保持水平和垂直，刀箱高度安装尺寸与原安装尺寸一致。
4)焊接时要求间断、对称焊接，减少焊接应力影响，刀箱与刀盘焊缝高度≥15mm，在刀箱正、反面堆耐磨焊，外侧焊高为20mm，内侧为10mm，如图6所示。

5)焊接完成后，打磨焊接面，做磁粉探伤。
6)试装滚刀，检测刀箱安装是否正确，以及滚刀安装是否顺畅，如图7所示。

7)滚刀安装完成后，检查滚刀与其他滚刀的平面度，平面高度差要求＜±2mm。
3.4.2 刮刀刀座安装
1)刨除原有刮刀刀座，打磨平整后做好标识。
2)在刀座周围区域，磨损比较严重的堆焊至原有高度，并打磨平整。
3)安装刀座时需与相邻完好的刀座高度持平。
4)吊运刮刀刀座至相应位置，调整好后点焊固定。
5)焊接完成后，打磨焊接面，做磁粉探伤。
3.4.3 面板及耐磨板修复(见图8)
1)刨除磨损严重的面板打磨平整并做好标识，将要修复的面板吊运至相应位置后进行定位焊接。
2)焊接时要求间断、对称焊接，减少焊接应力影响。
3)焊接完成后，打磨焊接面，做磁粉探伤。
4)耐磨板的焊接参照面板的步骤进行安装(不需要探伤)。

3.4.4 刀盘辐条的贴板、堆焊
1)磨损量较小以及不能更换的(辐条等)进行贴板、堆焊。
2)采用不同厚度大小Q345B钢板贴板，减少堆焊量。
3)焊接高度超出原焊接面2～3mm，进行打磨。
4)对贴板的表面焊接耐磨网。
5)磨损深度较小不能贴板的区域用耐磨焊补焊。
3.5 焊接工艺技术要点
1)采用碳弧气刨将磨损的刀箱取下并运出，按图纸要求开出坡口。
2)将碳刨完成的坡口打磨干净，去除表面的氧化皮等。
3)采用烘枪对焊接区域烘干，以去除焊接区域的水分。
4)先将刀箱与刀座点焊，并用烘枪对焊接区域进行预热，预热温度80～100℃。
5)焊接采用71Ni药芯焊丝，Ø1.2mm;平焊、横焊时控制焊接电流120～280A，电压24～33V;立向上焊时控制焊接电流120～260A，电压25～29V;CO₂保护气体流量20～25L/min。
6)控制焊接层间温度不超过250℃。
7)焊后立即用石棉保温缓冷。
8)刀箱两端焊接完成后，将焊渣和堆焊高出处打磨，确保不高出刀箱面，滚刀进出顺畅。
9)焊缝冷却完全后去除焊缝表面的焊渣等，做100%MT探伤，确保焊缝表面无裂纹。
4 结语
通过对刀箱、刀盘腹板、面板等焊接修复，恢复了盾构机机械能力。修复后多次检查刀盘和刀箱，无损坏现象，消除了因磨损造成的隐患，为后续上软下硬地层掘进提供了安全保障。
刀盘修复后在上软下硬不良地质段的应用数据显示，中心滚刀的非正常损坏损耗下降了80%，而盾构施工效率提升了50%以上。同时在刀盘维修中发现的问题，可为今后盾构机刀盘、刀箱设计和改造提供相关经验。

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