TBM 施工中刀盤損壞現(xiàn)象的機理分析及維修

TBM施工中刀盤損壞現(xiàn)象的機理分析及維修程永豐

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽111000）

0引言

隨著我國大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施[1]項目的實施，各種不同類型的隧道需要建設(shè)。由于工程規(guī)模、地質(zhì)條件、施工速度、環(huán)保等要求的限制，傳統(tǒng)鉆爆法施工技術(shù)[2]已經(jīng)難以應(yīng)對。采用開敞式全斷面巖石TBM（TunnelBoringMachine，隧道掘進機）法隧道施工技術(shù)，不僅可以創(chuàng)造很高的掘進記錄，而且能夠穿越不良地質(zhì)洞段。TBM在施工過程中，刀盤的檢查，刀具的檢查、更換與維修等作業(yè)時間在掘進施工總時間中占有很大比例，同時刀具的損耗費用在總掘進施工費用中也占有很大比例。因此在刀盤設(shè)計和制造[3]中需要對此給予足夠的考慮。惡劣和不可預(yù)測的地質(zhì)環(huán)境[4]必然會對刀盤造成各種不同程度的損壞，因此需要在掘進過程中密切觀察刀盤的運行狀態(tài)，注意維護和保養(yǎng)。

2022年9月，中鐵大橋局某TBM施工項目，刀盤格柵斷裂，格柵撕裂主機皮帶，更換主機皮帶花費10萬元，停機3d，后大石塊從格柵斷裂處進入主機皮帶，再次撕裂皮帶，更換皮帶后重新對格柵斷裂處打坡口，按照相關(guān)工藝修復(fù)，恢復(fù)正常。2022年6月，中國水利水電三局某TBM施工項目，刀盤耐磨塊不同程度丟失，刀盤主體磨損，刀座壓潰變形嚴重，滾刀異常消耗大，最多曾發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域7把滾刀偏磨，被迫停機修復(fù)。更換刀座，堆焊刀盤磨損部分，重新焊接耐磨塊，整體停工修復(fù)1個月。2022年8月，中鐵十八局某TBM施工項目，滾刀V形保護塊丟失，造成38#滾刀連續(xù)磨損，重新焊接新的滾刀V形保護塊后恢復(fù)正常。由此可以看出，在TBM施工項目中，刀盤損壞時常發(fā)生，對刀盤損壞機理的分析是進一步提出合理有效維修方法的必要保障[5]。為此，本文將介紹某引水項目刀盤損壞現(xiàn)象和后期的修復(fù)過程。

1工程背景

該工程是新疆某引水項目，圍巖以泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、夾炭質(zhì)粉砂巖為主，局部洞段存在石英閃長巖、花崗巖[7]。石英閃長巖和花崗巖部位巖石強度高、耐磨性強，TBM長時間處于高推力，低貫入度狀態(tài)，設(shè)備本身振動較大，容易造成鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂。刀盤刀座結(jié)構(gòu)本身和相關(guān)焊縫在應(yīng)力集中點向四周開裂[8]；滾刀容易松動，發(fā)現(xiàn)不及時楔塊就會對刀座承載面造成錘擊，造成刀座壓潰變形。

根據(jù)本工程長距離硬巖隧道特點采用焊接扁平式結(jié)構(gòu)，刀盤體采用低合金高強度鋼板焊接而成，同時為了滿足長距離硬巖隧道的掘進，刀盤易磨損區(qū)域進行針對性的耐磨設(shè)計，特點如下：刀盤面板焊接20mm的SA1750CR或Kenna復(fù)合耐磨板或者Hardox耐磨板；刀盤過渡弧面及后部錐面焊有Hardox耐磨板；滾刀側(cè)部焊有Hardox耐磨保護塊；大圓環(huán)外側(cè)焊有鑲嵌合金耐磨板。刀盤面板和過度弧面及后部的耐磨材料是為了保護刀盤主體結(jié)構(gòu)，滾刀側(cè)面的Hardox耐磨保護塊是為了撥開掌子面的石渣，使?jié)L刀作用在巖面上，同時也可以保護滾刀，防止大石塊卡在刀座和刀盤主體之間，造成滾刀卡轉(zhuǎn)偏磨。

2現(xiàn)場故障情況

2.1刀盤損壞初期特征

在2022年1月初，TBM掘進11.7km左右，發(fā)現(xiàn)刀盤在相同巖層、同推力下刀具磨損異常，同時刀具固定螺栓松動、掉落現(xiàn)象比以前明顯增加，2月初發(fā)現(xiàn)刀盤刀座部分焊縫，鋼結(jié)構(gòu)磨損嚴重，2月中旬發(fā)現(xiàn)面刀塞板部分丟失，刀盤格柵斷裂，同時刀盤刀座部分焊縫開裂，局部鋼結(jié)構(gòu)磨損更加嚴重。由于外部因素，廠家服務(wù)人員不能及時到現(xiàn)場進行維修，只能降低刀盤推力，導(dǎo)致現(xiàn)場掘進效率低，平均日進尺僅8.6m，嚴重影響施工進度。

2.2刀盤檢查情況

在3月中下旬廠家服務(wù)人員到達現(xiàn)場全面檢查刀盤，發(fā)現(xiàn)刀座壓潰（約4mm），中心刀座焊縫，面刀承載面磨損嚴重（約6mm），鏟刀焊縫開裂、溜渣擋板破損，同時格柵、面板磨損，需迅速修復(fù)。

3.3刀盤損壞分析

刀座壓潰的主要原因是巖石耐磨性強，設(shè)備在高推力低貫入度時振動大，部分焊縫交界處焊接設(shè)計不合理，沒有考慮應(yīng)力釋放，造成刀座和刀盤各焊縫不同程度開裂。

3刀盤修復(fù)方法

更換損壞的中心刀刀座，用J807焊條修復(fù)壓潰刀座，修補刀盤主體結(jié)構(gòu)的開裂，保證中心刀刀座正常，壓潰的刀座能鎖緊滾刀，刀盤主體具備大推力破巖條件及耐磨屬性。

3.1刀盤修復(fù)準備

TBM在掘進4.502km處停機，確認圍巖完整，無裂隙、無滲水，適合焊接工作；退刀50cm，由專業(yè)工程師和鉚工結(jié)合圖紙，對中心刀座定位，確認兩組以上的基準點；刀盤班組人員集中拆刀，49把刀全部拆除；繼續(xù)退刀2m，由焊工對作業(yè)位置進行確定，用噴漆進行位置標記；掘進工班對標記位置打鉆，完成后聯(lián)系炮工和相關(guān)人員放炮，炸出“貓洞”，以滿足焊工正常施工；刀盤前進1m，搭接好工作腳手架，維保班配合廠家服務(wù)人員對刀盤進行修復(fù)。

3.2刀盤修復(fù)

為了恢復(fù)刀盤性能，對壓潰5mm以上的刀座進行修復(fù)，開裂的刀盤結(jié)構(gòu)進行打磨處理后重新焊接，補齊缺失的刀座賽板和保護塊。

（1）刀座部分。1#3#、2#4#中心刀座更換，刀座取出后，發(fā)現(xiàn)刀箱四處直角位置發(fā)現(xiàn)3處裂紋，長約10mm，深5mm，修復(fù)后打磨平整；修復(fù)壓潰的44處刀座承載面。

（2）刀盤體部分。內(nèi)外刀座板焊縫開裂修復(fù)，刀座外側(cè)支撐板焊縫開裂修復(fù)，背板裂紋修復(fù)，支撐板與背板接觸處開裂修復(fù)。

（3）鏟斗部分。鏟斗大圓環(huán)、后錐板開裂修復(fù)；鏟刀座焊縫開裂：掉落格柵換新補齊。

（4）耐磨組件部分。刀座位置刀座保護塊均磨損嚴重，上層復(fù)合耐磨板均已局部缺失，下層handox板磨掉肉嚴重，均堆焊后堆耐磨處理，上層耐磨板缺失位置均耐磨網(wǎng)格處理。

3.3刀盤修復(fù)注意事項

（1）焊接前應(yīng)檢查并確認焊接設(shè)備及輔助工具等處于良好狀態(tài)，利用風(fēng)機或風(fēng)扇增加刀盤內(nèi)部的空氣流通和除濕，若溫度過低則采用電暖片加熱環(huán)境溫度，若有漏水必須采取措施避免對焊接造成影響。

（2）焊機地線搭接必須靠近焊接區(qū)域，避免焊接電流損壞主驅(qū)動。

（3）焊前清除焊縫坡口及兩側(cè)20～50mm內(nèi)表面的鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)，至露出金屬光澤。

（4）嚴格按預(yù)熱溫度和范圍進行焊前預(yù)熱。

（5）氣體保護焊所用的氣為瓶裝氣，應(yīng)配有預(yù)熱器和流量計，當(dāng)壓力低于1.0MPa或氣體流量小于10～25L/min時停止使用。選用瓶裝氣體為氬氣（Ar）和二氧化碳氣體（CO2），混合比為8∶2。

（6）焊接需滿足以下要求：施焊前一般應(yīng)預(yù)熱至100～150℃，必須預(yù)熱區(qū)應(yīng)在焊縫兩側(cè)，每側(cè)寬度不應(yīng)小于焊件厚度的兩倍且不小于100mm；根據(jù)具體情況選用合理的焊接參數(shù)進行焊接，不允許超大電流焊接。打底焊時，使用的焊接電流要??；焊填充焊道時，為提高效率，通常使用較大的焊接電流；而蓋面焊道時，為防止咬邊和獲得較美觀的焊縫，使用電流較?。凰泻缚p不允許在拐角處起弧及收弧，需采用繞焊的方式施焊且確保接頭位置錯開拐角處30mm以上；氣體保護焊除根部和蓋面層，坡口焊縫每層厚度不應(yīng)超過5mm，平焊、橫焊焊層的寬度不應(yīng)超過12mm，立焊焊層的寬度不應(yīng)超過18mm，超過以上參數(shù)，采用多層多道焊；多層多道焊，各層道相連接的部位必須相互錯開30mm以上，不允許在同一斷面起弧及收??；對接接頭及T形接頭息弧處熔合不良的焊縫采用氣刨方式刨除，刨除焊縫長度≥50mm，深度為焊縫截面。刨除過程中留出錯邊焊接位置，采用工藝要求的焊接參數(shù)補焊，并且小電流收弧，將弧坑填滿，收弧處不允許存在缺陷；焊接過程中使用風(fēng)鏟逐層逐道敲擊焊縫，減少焊接應(yīng)力，并清除焊渣等雜物；焊后用氣割槍重新加熱焊縫至100～150℃，再采用石棉布對焊縫進行緩冷保溫：用寬度大于400mm，3層以上的石棉布覆蓋緩冷。

4刀盤修復(fù)效果

刀盤修復(fù)后檢查確認：刀座部分、中心刀座更換；中心刀座18處承載面修復(fù)完成；12處正滾刀座處刀座承載面修復(fù)完成；20處刀座承載面修復(fù)完成。刀盤體焊縫開裂部分：4處刀座外刀座板焊縫開裂修復(fù)完成；2處刀座支撐板焊縫開裂修復(fù)完成；11個刀座塞板丟失，全部補齊修復(fù)。鏟斗部分：3處鏟斗大圓環(huán)缺失，現(xiàn)場修復(fù)完成；10處后錐板開口開裂修復(fù)；溜渣擋板破損嚴重，加固焊接，無法加固處割除處理，刨除后加塊支撐；6處鏟斗所掉落格柵換新，磨損格柵修復(fù)，6處加強格柵筋板過高影響鏟刀更換，統(tǒng)一高度割除1/2，共割除18處50mm厚筋板。耐磨組件部分：刀座保護塊缺失1/4以上均長肉后堆耐磨處理，上層耐磨板缺失位置均耐磨網(wǎng)格處理，共30處；耐磨板開裂補焊處理后堆耐磨。探傷結(jié)果：所有焊接焊縫均滿足要求。

修復(fù)前限制推力，掘進速度較慢，月進尺不足300m，滾刀偏磨和擋圈斷裂等道具異常損耗嚴重，單月異常損耗可達60把；焊接修復(fù)后，推力恢復(fù)最大，月進尺高達703m，單月滾刀異常消耗8把，修復(fù)效果顯著。

5結(jié)語

刀盤的壽命是TBM快速掘進的重要保證，其中，刀盤的設(shè)計、加工制造又是影響刀盤壽命的重要因素，否則后期會嚴重影響掘進效率，給施工方造成不可估量的損失。同時，現(xiàn)場施工方也需注意對刀盤的檢測、保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象要及時處理。本文通過介紹刀盤損壞初期推力受限、掘進速度慢，到全面排查問題，發(fā)現(xiàn)中心刀刀座損壞，20個刀座承載面不同程度壓潰，大圓環(huán)和