盾构机刀盘的应急修复（图）

S－169型盾构机（TBM）在进行例行检查时发现，周边刀及其安装基座、部分紧挨周边刀的齿刀及其基座均磨损严重，遂决定对刀盘本体和刀具安装基座进行应急焊接修复，在修复的同时，还对部分刀盘本体表面的耐磨层进行了堆焊处理。

1. 作业空间尺寸的确定

正常情况下，刀盘与开挖面土体应紧密接触，要在开挖面上对刀盘进行焊接，需要在刀盘前方挖出一个洞，以保证作业人员对刀盘进行焊接作业时有适当的作业空间，洞的大概尺寸为：直径1500mm，深度400mm的半球型洞。具体位置和尺寸见附图

修复作业空间尺寸示意图

2. 保持开挖面稳定的维护措施

（1）土仓排土量的控制

盾构土仓排土的高度，主要是根据焊接作业的需要及开挖面地层的特点作综合考虑的。因为该处地层上部是粘土层，下部是沙层，排土高度应控制在刀盘直径的1／3左右（即2m），以尽量减少对开挖面的影响范围。

（2）以气压代替土压保持开挖面的稳定

当长时间停止作业时，为了保持开挖面的稳定，必须向土仓内充气加压。在加压时，开挖面地层内的水被排挤流向它处，但采用气体加压法无法保持长久，时间稍长有些地方就会漏气。为了控制漏气，我们向土仓内加注膨润土，使其在开挖面的表面形成泥膜，这样就可以较长时间地保持土仓内的压力。

（3）拱顶支护

对拱顶的局部坍塌处用装有粘土的编织袋及木板进行支护，这样可以控制坍塌的范围，保持开挖面的稳定。

（4）缩短修复时间

实施24h连续工作，以减少较大面积和范围的坍塌情况的发生。

通过上述措施，有效地保证了开挖面的稳定性，在刀盘修复期间地表的沉降得到了有效的控制。#d1cm#page#

3. 刀盘本体及刀具安装基座的焊接修复

在土仓内开挖面上进行焊接作业，受到了操作空间、通风条件等多种因素的限制，作业难度较大，对焊工的操作水平也有较高的要求。由于在本次作业过程中开挖面地层的情况比较稳定，加之措施得力，所以焊接作业进行得较为顺利。

（1）钢材的选择

由于刀盘本体采用的是钢号为St52－3的钢材，其机械性能为：σ_b＝490MPa，σ_s＝275MPa，C％＝0．2％，相当于国产的低碳钢。刀具及刀具安装基座的修复宽度为350mm，厚度为100mm，高度为150mm。从材料的机械性能和可焊性等多方面因素综合考虑，决定采用国产20^＃钢对刀盘及安装基座进行修复。

（2）刀盘修复方案的优化

为保证修复后的刀盘本体性能不低于原设计制造的水平，我们进行了深入的分析和研究，加工了样块并在现场进行了模拟装配分析。

①从焊接工艺考虑，采用左、右块加支撑块的方案。原设计修复方案中采用两块150mm厚的钢块，在刀盘大臂左、右两侧进行焊接修复。通过分析及样块的模拟安装发现：在土仓内因受操作空间的限制，焊接作业只能从两个侧面进行，无法从正面对刀盘进行焊接作业。若在345mm的宽度上焊接两块150mm厚的钢块，第一块可以焊接，而第二块与第一块相邻的部分与刀盘本体间的焊缝就无法进行焊接作业，所以改为采用两块100mm厚的钢块加中间支撑板的方式，先焊接左、右块，再焊接中间连接板。这样，既保证了焊接作业的可达性、方便性，又保证了修复体与刀盘本体之间有较高的连接强度。

②周边刀盘连接螺栓数量的确定。由于刀盘周边刀安装基座上的中间一个螺栓连接孔被磨掉了1／2，故无法对螺栓孔进行焊接修复。我们最初决定，只用两端的连接孔进行螺栓连接固定，中间一个不作固定。以后经分析研究认为：如果中间螺栓孔不连接，一是降低了周边刀与刀盘的连接强度；二是如果该螺栓连接孔不进行封堵，在刀盘旋转过程中会有泥沙从孔内通过，且由于该部位位于刀盘的边缘，其线速度较大，容易导致刀盘和刀具的磨损。因此，决定对该螺栓孔进行连接封堵。具体做法是：加工一个带有内螺纹孔的光套，在原套的位置上与刀盘残体进行焊接，螺栓与套的内螺纹连接固定。这样，既封堵了刀盘上的孔洞，也提高了周边刀与刀盘本体的机械连接强度。

③增加焊缝高度，以提高修复体与刀盘基体的连接强度。经设备制造商确认：刀盘制作时，周边刀安装基座与刀盘本体的焊缝为3层、高度5mm。修复时，我们规定为5层8mm的焊缝高度，以保证修复质量不低于原制造的焊接强度。

④采取多项措施以保证焊接质量。选派经验丰富、焊接技术高的电焊工；选用直流电焊机，保证焊接电弧能够稳定地燃烧，以提高焊缝成形质量；选用J506焊条，对焊条进行烘干处理，在焊接作业过程中用保温箱对焊条进行保温，从而减少焊缝出现气孔的可能性；用砂纸、磨光机对焊接面进行打磨处理，并用丙酮对焊接面进行擦拭，确保焊接面的清洁；严格防水措施，确保焊缝质量。#d1cm#page#

4. 提高修复精度的工艺措施

由于每把周边刀是由3个连接螺栓固定在刀盘上的，因此焊接作业中如何保证修复体上螺栓孔的定位精度，就成为本次修复质量好坏的关键。经过仔细研究，制定了详细的施工工艺，并编写了施工工艺流程图；并要求电焊工在焊接作业过程中，对称交叉地施焊，确保焊接件受热均匀，避免工件由于受热不均而导致移位情况的发生。由于各项措施制定得具体、合理，加上作业人员的积极配合，确保了焊接后的定位精度。

5. 几点建议和思考

通过本次焊接修复工作，我们有以下一些看法。

（1）应增加进仓检查的频次

在开挖面上实施焊接作业，对地层的稳定性有较高的要求。我们停机的地层开挖面很稳定，可以向前超挖出作业空间，但如果遇到开挖面土体的自稳性差的情况，则首先需要对土体进行加固处理，要耗费较长的时间，在这种情况下应及时并多次地进仓检查刀具和刀盘的磨损情况，并做好检查记录。

（2）应尽早制定刀盘大修工艺规范

从本次抢修的情况看，刀盘磨损情况较严重。在完成下一区间推进盾构出洞时，必须对刀盘进行大修，因而对如何修，又怎样保证质量等问题，要尽早解决，因此必须投入一定的人力和财力尽早地开展这方面的工作，进行必要的方案研究和试验，并制定出合理的刀盘修复施工工艺及表面强化处理方案。

（3）应深入研究刀具急剧磨损的原因

从施工过程知，刀具及刀盘急剧磨损的情况发生在第500环以后，在此之前正常情况下每个工班（8h）一般可以完成4环的掘进，而在500环以后，推进速度明显减慢。推力、扭矩明显增大的结果使刀具的磨损加剧，而刀具磨损的加剧，又导致刀盘扭矩的增大，两者之间互为因果，就使情况变得越来越严重。这仅是笔者个人的初浅分析判断，真正的原因还有待对综合施工记录、施工参数等诸多因素进行深入分析研究后得出。

（4）刀盘材料国产化的选择

本次修复工作也给盾构机的国产化在材料选择方面提供了有价值的参考。若改用国产钢材，选择35＃钢（性能指标为：σb＝540MPa，σs＝320MPa）要优于德国的St52－3钢，并且35＃钢的硬度也高，耐磨性较好，可焊性尚可。

（作者地址：北京市海淀区北土城西路16号 北京城建盾构基础工程公司 100029）