盾构机刀盘修复及改进技术研究

盾构机刀盘修复及改进萝术研究桂轶雄，姚文花ｍ京城建地铁地基市政Ｉ程有限。目【摘要】本文对北京地链ｉ号线雍和宫站至张自忠路站Ｒ问髓道盾构机刀盘的严重磨损进行了分析和研究。通过分析盾构机在砂卵石地层施ＩＢ十ＴＪ盘磨损的原因，研究制定丁完整可行的现场恬复方寮，井对月盘进行有效的技术改进，使其更加适应丰ｉ崔髓道掘进施Ｉ－延长月盘使用寿命。【关键月】盾拘月盘磨拟修复改进北京地铁五号线盾构试验段，区间隧道自雍和宫站至张自忠路站穿越了３种非常有代表性的北京地层：粉质粘土地层、砂性地层及砂卵石地层。区问隧道左线工程于２００４年５月２０日顺利完成了Ｉ５ｂｎ掘进施工，盾构机到站出洞后发现其掘进刀柱发牛严重磨损，简单地更换刀具已经不能满足下一步右线Ｔ程掘进施工，必须进行全面修复。如果将／ｊ盘存车站内整体拆下适到厂内维修，一方面受场地条件制约，拆卸及安装直径６２ｍ，重达５３ｔ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；另方面会加大维修费用．增加施工成率。因此确定盾构机刀盘修复总原则是：①现场维修，②按刀盘原设计恢复刀盘原貌：③根据盾构施工经验对刀盘进行适当改进。１刀盘磨损情况及原因分析１１刀盘磨损情况１）刀盘中心区域有内径ｒ５１５ｍｍ、外径Ｒ１６１５ｎｍｌ的环形磨损区域，最大磨损深度为１００ｒｒｍａ。２）磨损区域内４８把齿刀及刀座争部磨光，中心』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。３）ｗ盘外删向３道保护钢条，仅能分辨出中同一道钢条的轮廓，其余两道巳被磨掉。４）磨损区刀盘面板已经磨穿，４条肋板内部的泡沫管路杖磨损断开，其中ｌ＃管路的出ＦＡ垒部磨掉，其他３根管路磨损长约４０ｍａｎ：５）两把仿形刀的４根液压油管全郎磨断，仿形ｗ磨损严重，大部分硬质舍金被磨掉。月盘磨损前后对比１．２磨损原因及分析１）从地质情况分析．本工程自雍和宫站至张自忠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，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。２）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张自忠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。３）从刀盘的设计情况分析，①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。地铁五号线引进的盾构机土仓内布置了４个泡沫注人口，数量相对较少；②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：⑨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；④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。４）从盾构设备的管理及维护方面分析，由于我们第一次使用盾构设备，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。５）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，使刀具切削下来的渣土不能顺利进入土仓，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。６）在后期即将到达张自忠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。２刀盘修复２．１刀盘内部结构的修复１）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。２）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１３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。２．２刀盘本体的修复焊接１）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ｌＯＯｍｍ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（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。２）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Ｓ７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，刀盘少Ｉ翻修复后表面堆焊网状耐磨层。３）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磺坡口进行焊接，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。７２．３刀盘附属结构的修复１）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。。２）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，更换一把仿形刀和一套中心刀。３刀盘改进３．１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。３．２刀盘附属结构的改进１）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。一２）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。３．３刀盘表面加装先行刀１）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。２）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。安装在周边的先行刀具安装在面板的先行刀具。３）先行刀具的安装：根据刀盘齿刀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ｒＭｌｌ５ｍｍ以外的面板上加装先行刀具。在半径ｒ＝ｌｌｌ５ｍｍ一２２１５ｍｍ范围内加装４组刀具，每组间隔３００ｒａｍ，刀具５８数量为８把。在半径ｒ＝２２１５ｍｍ一２８１５ｍｍ范围内刀盘上加装４组刀具，每组间隔２００ｒａｍ，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。４研究成果及创新点４．１研究成果１）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。２）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。毛进‰Ｉ苫醒氨№鼢—、７．ｆ石亨子子ｇ考１！三／弧施ｌ薹拉．［ｌ［亡曼［Ｃｉ—，—一ｍｆ料逵纱—一‘ｅ为晷确｛Ｅ■－自■■嘲ｒ］钟硝陶莒１３）将先行刀具应用于北京地铁盾构施工中，提高了刀盘、刀具使用寿命。４）掌握了大面积、超厚钢板焊接及防止焊接变形的施工技术。４．２创新点矮“：：凇屯伫誓翟≈鼷重拶Ｈ率）丁－蘑簸｛ｆｎ审阳。；ｊ］］』１）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。２）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。３）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。５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，与拆除后的厂内修复相比，在经济效益方面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ｘ，－Ｊ多＇ｈ部的负面影响较小。另外由于修复工期相对较短，得到了北京地铁建设公司的认可，树立了良好的４ｅ，＿ｌｋ形象，也使我们的盾构施工技术得到发展和充实，取得了良好的技术、经济和社会效益。对盾构机刀盘修复与改进技术的研究是盾构设备维修中的重要组成部分，为我们在以后的施工过程中做好盾构机的维护保养、更好地控制掘进参数、尽量减少或避免刀盘和刀具发生严重的磨损提供了宝贵的经验，为今后盾构机在施工过程中进行现场维修提供了很好的借鉴意义，也为今后盾构机刀具国产化积累了更多的经验，具有广泛的推广和应用价值。口【参考文献】［１］（（北京地铁五号线东单至雍和宫段线路工程岩土工程勘察报告））北京城建勘寮测绘院．［２］《北京地铁五号线工程雍和宫站至东单站区间线路平面图，纵断图》．盾构机刀盘修复及改进技术研究

作者：作者单位：

桂轶雄， 姚文花

北京城建地铁地基市政工程有限公司

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