土压平衡盾构机刀盘的修复

李 桐

（中铁科工集团轨道交通装备有限公司 武汉）

一、引言

近年来，我国盾构装备制造及产业化发展迅速，城镇化步伐加快。盾构机市场前景广阔。但由于国内尚不成熟的自主设计技术以及全球大力提倡的循环经济模式，因此盾构机的循环利用和修复改造势在必行。在隧道掘进过程中，刀盘刀具直接与土体相互作用，是最容易受到损害的部件之一。对磨损的盾构机刀盘进行及时的修复改造，既提高了施工效率、缩短了建设工期、消除了安全隐患，又在节约成本、节约能源、节约材料、保护环境等方面开辟了很大空间，因此成为实现循环经济发展的重要技术途径。

依托武汉地铁过江隧道项目中S509土压平衡盾构机的修复实例，对其复合刀盘磨损情况进行检测评估，并从刀盘结构修复和刀具改造两方面进行详细阐述。

二、刀盘结构的修复

刀盘的结构由肋板、面板、侧板和补强板组成，各种面板通过焊接构成刀盘的整体结构，S509盾构机的刀盘结构呈现不同程度的磨损（图1），因此需要对其进行分区修复。

1.刀盘肋板、面板、侧板和补强板的修复

图1 刀盘磨损状况图

在对刀盘肋板、面板、侧板和补强板进行修复时，首先需对磨损的残板进行切割去除、打磨光滑，达到焊接的要求（图2），然后对残缺的刀盘筋板、面板、侧板、补强板等进行测量，下料加工出需要的残缺板料，并在其焊接连接处开坡口，焊接完成后，进行堆焊处理，增加其耐磨性能。以补强板为例，其修复流程如下。

图2 补强板残根切除

（1）采用氧焊及气刨工具，对补强板残根进行清理，将清理后的刀盘连接面和预焊接面用磨光机打磨平整，达到焊接要求条件；

（2）根据图纸要求（或现场测量尺寸）机械加工出所要求的的补强板；

（3）对焊条进行保温处理，对施焊范围内的基体和耐磨环除油、除锈、除潮湿并预热；

（4）将补强板与刀盘焊接。为保证焊接质量，在对接口处加工30°角坡口，采用多层焊接将坡口填平；

（5）焊后处理施焊完成后，对补强板用高耐磨焊丝焊接一层耐磨网。

2.外周钢环的修复（图3）

采用氧焊及气刨工具，切除磨损刀盘上的钢环，并清理残根。对与钢环焊接的侧板打磨出坡口面，为焊接工作做好准备。钢环构件采用100 mm厚的Q345C板卷制为（外径）Φ6490 mm×100 mm×260 mm圆环，再与侧板焊接。待部件均焊接完毕，采用立车进行外圆机加工，以保证刀盘外周与连接法兰的同心度。机加工完毕后，在钢圈表面焊接复合钢板，以增强其耐磨性能。

3.搅拌棒的修复

搅拌棒磨损严重、变形程度大，已无法修复使用，因此需割除原搅拌棒，重新装焊。搅拌棒采用Q345C为主材，并在其外周焊接复合钢板，以增强耐磨性能。根据实际地质，为降低泥饼的形成几率，在刀盘中心附近另增设3处T形搅拌棒。

图3 外周钢环修复

三、磨损刀具及其附属结构的修复

刀具与刀盘连接方式有3种，一种是直接焊接在面板上，一种是通过螺栓固定于侧板上的基座上，第三种是通过装配固定在刀箱内，而刀箱则焊接与刀盘结构内。对于第一种，首先，用氧炔焰把损坏的刀具从根部切除，打磨，然后将相应的刀具焊接于原处。对于第二种，若基座完好，则只需清洁基座，用螺栓把硬质合金刀具固定在上面。若基座损坏，则需先在辐板上焊接新的基座，然后再作同样处理。对于安装在刀箱内的滚刀，如刀箱完好，则直接将新滚刀安装在刀箱内，如刀箱磨损过度，则刨去刀箱，重新装焊。

S509盾构机刀盘上的刀具包括切刀、羊角刀、贝壳刀、周边刮刀及滚刀。为确保刀具安装精度，需使用定位工装（图4）。

1.切刀及其附属结构的修复

根据对刀盘切刀各部分的检测，针对性地制定出各自的修复措施。切刀刀具部分，切刀均磨损严重，需全部更换，之后进行耐磨处理。切刀的刀座部分，根据磨损程度的不同，采取相应修复方法。刀座几乎没有磨损，只需进行耐磨处理（焊接一层耐磨材料）；刀座磨损量在4 mm以下，磨损部分采用焊接材料堆焊，以达到刀座的强度要求；刀座磨损量在10 mm左右，不能安装刀具，须重新制作刀座；刀座已变形，安装孔已变形，须更换刀座。

2.羊角刀及附属结构修复

羊角刀作为切割刀具，尺寸要求严格。根据检测结果，发现羊角刀刀具和刀座全部发生磨损或变形。因此均需按原尺寸重新配置，并利用残根和图纸标定的尺寸进行刀座定位和刀具的安装。

3.贝壳刀及附属结构修复

贝壳刀作为刀盘周边的先行刀，需满足线速度大的要求。据其检测结果显示，刀座没有磨损，可以继续使用。但其刀具已产生严重磨损，因此需换上匹配新刀具，并进行耐磨处理。

4.刮刀及附属结构修复

刮刀作为周边的切削刀具，其线速度大，行程大。据其检测结果显示，周边刮刀的刀座部分则保存完好，可以继续使用，只需对其进行耐磨处理。周边刮刀的侧向刀具和外侧的球形刮刀均强烈磨损或已脱落，所以周边刮刀需进行更换。若无需更换刀座，则周边刮刀的修复流程与贝壳刀基本相同。若更换刀座，其修复流程与羊角刀相同。

5.刀座安装注意事项

（1）刮刀刀座的安装。以刀盘实际测绘基准面，利用残根和图纸标定的尺寸进行刀座的定位。先在内、外两端各定一把刀座，而后利用角钢定出其它同一直线刀座的位置，刀座全部定位后进行加固焊接。

（2）边缘刮刀刀座的安装。保证正面区域的小刮刀在同一平面上，边缘区域与设计相符，保证开挖圆周的直径，定位后焊接牢固。

6.滚刀及附属结构修复

滚刀和刀箱磨损严重并变形，不利于二次安装滚刀。因此，需刨除原刀箱，重新定位后，焊接新的刀箱，然后安装滚刀（图5）。

图4 刀具定位工装示意

图5 滚刀更换安装

四、结语

由于刀具间距对刀盘的受力有重要影响，不合理的刀具间距会极大降低刀盘的使用寿命，所以刀盘修复后需进行检测以及进一步调试。S509盾构机的刀盘在公司修复改造完成后，已于2014年6月顺利完成过江隧道的开挖。该刀盘的成功修复具有重要的实践价值，既为盾构机刀盘磨损得修复提了参考和借鉴，也是对我国盾构制造技术的提升和补充。

1 宋云，张君，张立宇.成都地铁施工中盾构机的应用[J].筑路机械与施工机械化，2008，25（1）:68-71

2 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

3 竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社，2006

4 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011