盾构机刀盘修复及改进技术

盾构机刀盘修复及改进技术研究xxxx盾构试验段，区间隧道自xx站至xx路站穿越了三种非常有代表性的xx地层：粉质粘土地层、砂性地层及砂卵石地层。区间隧道左线工程于2004年5月20日顺利完成了1.5km掘进施工。盾构机到站出洞后，发现其掘进刀盘发生严重磨损，简单的更换刀具已经不能满足下一步右线工程掘进施工，必须进行全面修复。如果将刀盘在车站内整体拆下运到厂内维修，一方面受场地条件制约，拆卸及安装直径6.2m，重达53吨的刀盘比较困难，而且会造成工期的拖延和严重的社会影响；另一方面，会加大维修费用，增加施工成本。因此确定盾构机刀盘修复总原则是：a.现场维修；b.按刀盘原设计恢复刀盘原貌；c.根据盾构施工经验对刀盘进行适当改进。一、刀盘磨损情况及原因分析1.刀盘磨损情况=1\*GB2⑴.刀盘中心区域有内径R515mm、外径R1615mm的环形磨损区域，最大磨损深度为100mm；=2\*GB2⑵.磨损区域内48把齿刀及刀座全部磨光；中心刀具有两把方刀被磨光；周边刀耐磨球齿与刀体磨损严重，部分球齿脱落；刀盘磨损前后对比=3\*GB2⑶.刀盘外侧面三道保护钢条，仅能分辨出中间一道钢条的轮廓，其余两道已被磨掉；=4\*GB2⑷.磨损区刀盘面板已经磨穿，四条肋板内部的泡沫管路被磨损断开，其中1#管路的出口全部磨掉，其他三根管路磨损长约40mm；=5\*GB2⑸.两把仿形刀的四根液压油管全部磨断，仿行刀磨损严重，大部分硬质合金被磨掉。2.磨损原因及分析⑴.从地质情况分析，本工程自xx站至xx路站区间隧道地质情况复杂，隧道断面从粘土层到砂卵石地层变化较大。前300m以粉质粘土、粘质粉土和粉细砂地层为主，300～700m盾构机通过地层上半部为粉质粘土、下半部为卵石和砾石层，700～1200m上部为粉细砂和粉质粘土、下部为卵石和砾石层。因此后期尤其是比较密实的砂卵石地层，造成刀盘的磨损比较严重，刀具掘进距离大幅度降低。⑵.从掘进施工中添加剂的使用及施工参数控制分析，本工程在北新桥站至xx路站施工过程中泡沫管口经常发生堵塞现象，而且由于后期泡沫系统的自动控制失灵，靠手动控制时泡沫质量不稳定，造成刀盘缺少润滑。⑶.从刀盘的设计情况分析，第一，泡沫加注口的位置和数量，直接影响着刀盘、刀具的润滑效果。xx引进的盾构机土仓内布置了4个泡沫注入口，数量相对较少。第二，刀盘上没有设置先行刀，造成齿刀磨损较快，当靠近周边刀的齿刀严重磨损后，导致了周边刀侧面逐渐失去保护，加之周边刀的端侧面没有进行硬化处理，因此周边刀的磨损从端侧面开始，逐步磨损。第三，齿刀切削角度设计不合理，刀具的迎土面进行硬化处理不足也是造成刀具磨损严重的原因。第四，刀盘的外周圈及靠近外圈的面板未进行硬化处理是刀盘外圈严重磨损的重要原因。⑷.从盾构设备的管理及维护方面分析，由于第一次使用盾构设备，我们在操作使用和维护保养方面缺乏经验，有时由于施工任务紧张，而造成维护保养不到位。⑸.在几次开仓检查及更换刀具过程中，由于地质条件较差，而且从主观上分析靠近中心部位的齿刀切削轨迹较短，磨损应比较小，所以该部位齿刀一直未进行更换。还有在一次利用超前管注浆加固过程中，水泥浆液倒灌进入土仓，与地层内的砂卵石混合将刀盘开口部分堵塞，在清理过程中没有将刀盘中心部分清理干净，造成刀具切削下来的渣土不能顺利进入土仓，造成刀盘中心部位象整块钢板一样在地层中旋转磨削，造成刀具和刀盘面板严重磨损。⑹.另外在后期即将到达xx路站施工过程中，没有及时进行刀具的检查和更换，使得刀具在磨损到一定程度后，磨损速度加快，最后造成了刀具和刀盘本体都出现了严重磨损。二、刀盘修复1.刀盘内部结构的修复⑴.仿形刀油管的修复：更换新的带有隔热保护钢圈的油管，防止面板焊接时损坏油管。⑵.泡沫管路的修复：由于泡沫管路在刀盘肋板内部几乎紧贴肋板结构，所以采取接口处切开缺口，先从内部焊接管路内壁，再将缺口处补焊完整的方式进行焊接。2.刀盘本体的修复焊接⑴.刀盘表面结构的修复主要包括肋板和面板的修复，出厂时磨损区域的面板为一整体，若修复时采用整体面板，刀盘内部的肋板无法与面板焊接，因此采取将整块面板按照肋板的分布形状分区分块切割，再分块按中心对称的方法焊接，减小焊接变形，保证焊接强度。首先将磨损程度不均匀的肋板（最大深度为100mm左右）切割规则，然后将补接料与原有肋板打坡口后进行焊接，焊接后使肋板高度与原刀盘面板表面平齐。磨损部分面板焊接按原缺损面板在各肋板之间的尺寸（尺寸现场测绘）下料，并在与肋板连接处开坡口后焊接。待面板上的刀座焊接完毕后，在补焊后的刀盘表面上堆焊网状耐磨层。⑵.刀盘面板外圈及保护钢条的磨损需补焊修复，使用钢轨的上部轨道面作为保护钢条，将轨道面切成长30cm的短段，然后逐段焊接到刀盘外周，形成圆形保护钢圈。刀盘外圈修复后表面堆焊网状耐磨层。⑶.刀盘外周裂缝的修复采取补焊的方法，在裂缝处用砂轮机切出焊接坡口进行焊接，在焊缝外侧再补焊一小段钢条进行加强，抵抗磨损防止再次断裂。3.刀盘附属结构（刀座、刀具）的修复⑴.刀座的修复与更换：按照图纸尺寸进行缺失刀座的加工，在缺刀座的位置按照图纸定位尺寸焊接新的刀座。对仍然完整的刀座进行加固处理，对所有刀座的本体进行耐磨处理。⑵.刀具的更换：对所有刀具进行修理更换：将现有76把新齿刀、维修后的48把齿刀安装到齿刀刀座上；将16把全新周边刀更换到周边刀刀座上；更换一把仿形刀；更换一套中心刀。三、刀盘改进1.刀盘结构表面改进在磨损速度较快的刀盘外圈约40cm宽范围内的面板上加焊网状耐磨层。2.刀盘附属结构的改进⑴.在齿刀刀座的迎土面加焊网状耐磨层以减少齿刀刀座的磨损，防止由于刀座磨损而造成的刀具脱落。⑵.对刀具的改进主要是从刀具的材质、切削角度及结构形式等方面，总结前面的施工经验，吸取进口刀具的优点，并与国内知名生产厂家合作开发国产刀具(此处不作详述)。3.刀盘表面加装先行刀⑴.先行刀具工作原理：通过对刀具的开发与研究，完善盾构机刀盘设计理论，将先行刀具应用到本盾构机上。先行刀工作时先行松动切削面土层，降低土层的密实度，减小土层对齿刀及周边刀的冲击和磨损，延长刀盘、刀具使用寿命。⑵.先行刀具结构设计：周边的先行刀具与面板上的先行刀具具体结构设计尺寸见下图。⑶.先行刀具的安装：根据刀盘齿刀的布置为中心对称布置的原理，考虑刀盘受力平衡，先行刀具的布置也为中心对称布置，即对称的2把先行刀在同一回转轨迹上。安装时刀具的长度方向沿着该刀具所在圆周的切线方向。由于刀盘靠近中心部位的刀具在每转中行程相对较短，磨损相对较慢，所以只考虑在r=1115mm以外的面板上加装先行刀具。在半径r=1115mm至r=2215mm范围内加装4组刀具，每组间隔300mm，刀具数量为８把。在半径r=2215mm至r=2815mm范围内刀盘上加装4组刀具，每组间隔200mm，刀具数量为８把。为保护周边刀具，考虑在刀盘周圈同样加装８把先行刀具。共计加装先行刀具24把。先行刀焊接安装后，其顶面高出刀盘本体上齿刀的顶面4cm。四、研究成果及创新点1.研究成果⑴.在国内首次完成地铁施工中大直径盾构机刀盘严重磨损后，现场修复及改进技术的研究与应用。⑵.通过对刀盘和刀具的磨损分析，对刀盘设计中存在的问题进行改进，为盾构机维修保养及刀具更换周期提供了依据，为刀具国产化创造了条件。⑶.将先行刀具应用于xx地铁盾构施工中，提高了刀盘、刀具使用寿命。⑷.掌握了大面积、超厚钢板焊接及防止焊接变形的施工技术。2.创新点⑴.先进性：大直径盾构机刀盘的现场修复在国内属于首次，具有国内领先水平。⑵.创造性：优化盾构机刀盘面板及肋板结构，进行合理的条块分割并中心对称焊接，保证焊接强度，防止焊接变形，具有技术创新性。⑶.实用性：适应工程地质条件，对盾构机刀具进行改进，并加装先行刀具，取得良好的实用效果。五、综合效益及推广应用前景通过盾构机刀盘现场修复与改进技术的研究，在经济效益方面，与拆除后的厂内修复相比，节省了维修费用大约60多万元。在社会效益方面，非解体式的现场修复，外部的负面影响较小；另外由于修复工期相对较短，得到了xx地铁建设公司的认可，树立了良好的企业形象，也使我们的盾构施工技术得到发展