TBM 施工中刀盘损坏现象的机理分析及维修

程永丰

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

随着我国大规模基础设施[1]项目的实施，各种不同类型的隧道需要建设。由于工程规模、地质条件、施工速度、环保等要求的限制，传统钻爆法施工技术[2]已经难以应对。采用开敞式全断面岩石TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）法隧道施工技术，不仅可以创造很高的掘进记录，而且能够穿越不良地质洞段。TBM 在施工过程中，刀盘的检查，刀具的检查、更换与维修等作业时间在掘进施工总时间中占有很大比例，同时刀具的损耗费用在总掘进施工费用中也占有很大比例。因此在刀盘设计和制造[3]中需要对此给予足够的考虑。恶劣和不可预测的地质环境[4]必然会对刀盘造成各种不同程度的损坏，因此需要在掘进过程中密切观察刀盘的运行状态，注意维护和保养。

2018 年9 月，中铁大桥局某TBM 施工项目，刀盘格栅断裂，格栅撕裂主机皮带，更换主机皮带花费10 万元，停机3 d，后大石块从格栅断裂处进入主机皮带，再次撕裂皮带，更换皮带后重新对格栅断裂处打坡口，按照相关工艺修复，恢复正常。2019 年6月，中国水利水电三局某TBM 施工项目，刀盘耐磨块不同程度丢失，刀盘主体磨损，刀座压溃变形严重，滚刀异常消耗大，最多曾发现同一区域7 把滚刀偏磨，被迫停机修复。更换刀座，堆焊刀盘磨损部分，重新焊接耐磨块，整体停工修复1 个月。2019 年8 月，中铁十八局某TBM 施工项目，滚刀V 形保护块丢失，造成38#滚刀连续磨损，重新焊接新的滚刀V 形保护块后恢复正常。由此可以看出，在TBM 施工项目中，刀盘损坏时常发生，对刀盘损坏机理的分析是进一步提出合理有效维修方法的必要保障[5]。为此，本文将介绍某引水项目刀盘损坏现象和后期的修复过程。

1 工程背景

该工程是新疆某引水项目，围岩以泥盆系凝灰质砂岩、凝灰岩、夹炭质粉砂岩为主，局部洞段存在石英闪长岩、花岗岩[7]。石英闪长岩和花岗岩部位岩石强度高、耐磨性强，TBM 长时间处于高推力，低贯入度状态，设备本身振动较大，容易造成钢结构疲劳开裂。刀盘刀座结构本身和相关焊缝在应力集中点向四周开裂[8]；滚刀容易松动，发现不及时楔块就会对刀座承载面造成锤击，造成刀座压溃变形。

根据本工程长距离硬岩隧道特点采用焊接扁平式结构，刀盘体采用低合金高强度钢板焊接而成，同时为了满足长距离硬岩隧道的掘进，刀盘易磨损区域进行针对性的耐磨设计，特点如下：刀盘面板焊接20 mm 的SA1750CR 或Kenna 复合耐磨板或者Hardox 耐磨板；刀盘过渡弧面及后部锥面焊有Hardox 耐磨板；滚刀侧部焊有Hardox 耐磨保护块；大圆环外侧焊有镶嵌合金耐磨板。刀盘面板和过度弧面及后部的耐磨材料是为了保护刀盘主体结构，滚刀侧面的Hardox 耐磨保护块是为了拨开掌子面的石渣，使滚刀作用在岩面上，同时也可以保护滚刀，防止大石块卡在刀座和刀盘主体之间，造成滚刀卡转偏磨。

2 现场故障情况

2.1 刀盘损坏初期特征

在2020 年1 月初，TBM 掘进11.7 km 左右，发现刀盘在相同岩层、同推力下刀具磨损异常，同时刀具固定螺栓松动、掉落现象比以前明显增加，2 月初发现刀盘刀座部分焊缝，钢结构磨损严重，2 月中旬发现面刀塞板部分丢失，刀盘格栅断裂，同时刀盘刀座部分焊缝开裂，局部钢结构磨损更加严重。由于外部因素，厂家服务人员不能及时到现场进行维修，只能降低刀盘推力，导致现场掘进效率低，平均日进尺仅8.6 m，严重影响施工进度。

2.2 刀盘检查情况

在3 月中下旬厂家服务人员到达现场全面检查刀盘，发现刀座压溃（约4 mm），中心刀座焊缝，面刀承载面磨损严重（约6 mm），铲刀焊缝开裂、溜渣挡板破损，同时格栅、面板磨损，需迅速修复。

3.3 刀盘损坏分析

刀座压溃的主要原因是岩石耐磨性强，设备在高推力低贯入度时振动大，部分焊缝交界处焊接设计不合理，没有考虑应力释放，造成刀座和刀盘各焊缝不同程度开裂。

3 刀盘修复方法

更换损坏的中心刀刀座，用J807 焊条修复压溃刀座，修补刀盘主体结构的开裂，保证中心刀刀座正常，压溃的刀座能锁紧滚刀，刀盘主体具备大推力破岩条件及耐磨属性。

3.1 刀盘修复准备

TBM 在掘进4.502 km 处停机，确认围岩完整，无裂隙、无渗水，适合焊接工作；退刀50 cm，由专业工程师和铆工结合图纸，对中心刀座定位，确认两组以上的基准点；刀盘班组人员集中拆刀，49 把刀全部拆除；继续退刀2 m，由焊工对作业位置进行确定，用喷漆进行位置标记；掘进工班对标记位置打钻，完成后联系炮工和相关人员放炮，炸出“猫洞”，以满足焊工正常施工；刀盘前进1 m，搭接好工作脚手架，维保班配合厂家服务人员对刀盘进行修复。

3.2 刀盘修复

为了恢复刀盘性能，对压溃5 mm 以上的刀座进行修复，开裂的刀盘结构进行打磨处理后重新焊接，补齐缺失的刀座赛板和保护块。

（1）刀座部分。1#3#、2#4#中心刀座更换，刀座取出后，发现刀箱四处直角位置发现3 处裂纹，长约10 mm，深5 mm，修复后打磨平整；修复压溃的44 处刀座承载面。

（2）刀盘体部分。内外刀座板焊缝开裂修复，刀座外侧支撑板焊缝开裂修复，背板裂纹修复，支撑板与背板接触处开裂修复。

（3）铲斗部分。铲斗大圆环、后锥板开裂修复；铲刀座焊缝开裂：掉落格栅换新补齐。

（4）耐磨组件部分。刀座位置刀座保护块均磨损严重，上层复合耐磨板均已局部缺失，下层handox 板磨掉肉严重，均堆焊后堆耐磨处理，上层耐磨板缺失位置均耐磨网格处理。

3.3 刀盘修复注意事项

（1）焊接前应检查并确认焊接设备及辅助工具等处于良好状态，利用风机或风扇增加刀盘内部的空气流通和除湿，若温度过低则采用电暖片加热环境温度，若有漏水必须采取措施避免对焊接造成影响。

（2）焊机地线搭接必须靠近焊接区域，避免焊接电流损坏主驱动。

（3）焊前清除焊缝坡口及两侧20～50 mm 内表面的铁锈、油污、水分等杂质，至露出金属光泽。

（4）严格按预热温度和范围进行焊前预热。

（5）气体保护焊所用的气为瓶装气，应配有预热器和流量计，当压力低于1.0 MPa 或气体流量小于10～25 L/min 时停止使用。选用瓶装气体为氩气（Ar）和二氧化碳气体（CO2），混合比为8∶2。

（6）焊接需满足以下要求：施焊前一般应预热至100～150 ℃，必须预热区应在焊缝两侧，每侧宽度不应小于焊件厚度的两倍且不小于100 mm；根据具体情况选用合理的焊接参数进行焊接，不允许超大电流焊接。打底焊时，使用的焊接电流要小；焊填充焊道时，为提高效率，通常使用较大的焊接电流；而盖面焊道时，为防止咬边和获得较美观的焊缝，使用电流较小；所有焊缝不允许在拐角处起弧及收弧，需采用绕焊的方式施焊且确保接头位置错开拐角处30 mm 以上；气体保护焊除根部和盖面层，坡口焊缝每层厚度不应超过5 mm，平焊、横焊焊层的宽度不应超过12 mm，立焊焊层的宽度不应超过18 mm，超过以上参数，采用多层多道焊；多层多道焊，各层道相连接的部位必须相互错开30 mm 以上，不允许在同一断面起弧及收弧；对接接头及T形接头息弧处熔合不良的焊缝采用气刨方式刨除，刨除焊缝长度≥50 mm，深度为焊缝截面。刨除过程中留出错边焊接位置，采用工艺要求的焊接参数补焊，并且小电流收弧，将弧坑填满，收弧处不允许存在缺陷；焊接过程中使用风铲逐层逐道敲击焊缝，减少焊接应力，并清除焊渣等杂物；焊后用气割枪重新加热焊缝至100～150 ℃，再采用石棉布对焊缝进行缓冷保温：用宽度大于400 mm，3 层以上的石棉布覆盖缓冷。

4 刀盘修复效果

刀盘修复后检查确认：刀座部分、中心刀座更换；中心刀座18 处承载面修复完成；12 处正滚刀座处刀座承载面修复完成；20 处刀座承载面修复完成。刀盘体焊缝开裂部分：4 处刀座外刀座板焊缝开裂修复完成；2 处刀座支撑板焊缝开裂修复完成；11个刀座塞板丢失，全部补齐修复。铲斗部分：3 处铲斗大圆环缺失，现场修复完成；10 处后锥板开口开裂修复；溜渣挡板破损严重，加固焊接，无法加固处割除处理，刨除后加块支撑；6 处铲斗所掉落格栅换新，磨损格栅修复，6 处加强格栅筋板过高影响铲刀更换，统一高度割除1/2，共割除18 处50 mm 厚筋板。耐磨组件部分：刀座保护块缺失1/4 以上均长肉后堆耐磨处理，上层耐磨板缺失位置均耐磨网格处理，共30 处；耐磨板开裂补焊处理后堆耐磨。探伤结果：所有焊接焊缝均满足要求。

修复前限制推力，掘进速度较慢，月进尺不足300 m，滚刀偏磨和挡圈断裂等道具异常损耗严重，单月异常损耗可达60把；焊接修复后，推力恢复最大，月进尺高达703 m，单月滚刀异常消耗8 把，修复效果显著。

5 结语

刀盘的寿命是TBM 快速掘进的重要保证，其中，刀盘的设计、加工制造又是影响刀盘寿命的重要因素，否则后期会严重影响掘进效率，给施工方造成不可估量的损失。同时，现场施工方也需注意对刀盘的检测、保养，发现异常现象要及时处理。本文通过介绍刀盘损坏初期推力受限、掘进速度慢，到全面排查问题，发现中心刀刀座损坏，20 个刀座承载面不同程度压溃，大圆环和铲刀座开裂，以及耐磨保护块磨损严重，后对损坏中心刀座进行更换，压溃刀座承载面进行修复，大圆环和铲刀座以及磨损严重的耐磨保护块进行打磨焊接，恢复大推力快速掘进的性能。

焊缝交界位置预留应力释放点，应力可以释放，掘进过程中后续检查发现焊缝正常，刀盘格栅焊接修复后，无大石块进入皮带，出渣情况满足皮带正常运行，刀座塞板修复后，刀座振动情况好转，刀座开裂减少，刀座压溃修复后滚刀共同受力，无突出、偏磨减少。