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摘要：刀盘是机械化盾构机的掘削机构,具有开挖地层、稳定开挖面、搅拌渣土等功能,并承受大扭矩、大推力和冲击载荷的作用,其工作状况非常恶劣。因此,刀盘在盾构推进过程中将会不可避免地出现磨损。基于此，文章结合具体实际分析盾构机刀盘非正常磨损的原因，制定洞内修复方案。
关键词：盾构机；刀盘；非正常磨损；洞内修复
1刀盘现状
1.1地质情况
区间隧道掘进断面处于全断面中风化灰岩，根据区间地质勘察报告，隧道洞顶上覆基岩较薄，洞身（局部位于土层内）及洞底均位于基岩内，地下水位线下，岩溶中等发育，局部强发育，综合围岩等级Ⅴ级。岩层天然单轴抗压强度在28.81~54.90Mpa。
1.2损坏情况
开仓检查后初步发现刀盘钢结构磨损严重；刀盘中心双刃滚刀掉落三把、三个中心刀箱磨损严重、1号和2号泡沫喷孔严重磨损、刀具磨损检测1/3号磨损检测点内嵌式防护板掉落、超挖刀防护板掉落、单刃滚刀掉落一把、搅拌棒变形两根，回转中心连接处防护盖板螺栓松动。
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图1 掌子面刀具轨迹
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图2 损坏情况
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图3刀盘中心磨损区域
经进一步检查，发现刀盘、刀箱出现多处裂纹裂纹，刀盘结构受损严重。具体受损情况统计如下表：
表3-1 刀盘裂纹情况
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图4 刀盘裂纹情况
2原因分析
根据掘进参数、历次开仓检查结果及地质情况判断，原因分析如下：
1）岩石强度高。翟~师区间中风化灰岩地质坚硬，且地层中含水量及其变化较大，在掘进过程中容易出现喷涌现象，其次区间详勘报告中岩层强度低于实际岩石强度，在强度高的中风化灰岩地层中连续掘进容易导致刀具磨损。
2）溶洞发育。溶洞的存在使得掌子面不平整，掘进中刀盘振动较大、扭矩波动较大，导致刀盘受力不均，出现滚刀部分受力的情况，刀具切削时挤压受力不均匀,发生啃齿或者磕刀的情况，容易造成刀圈断裂或崩刃的情况。当刀具受损，一旦发生偏心载荷，很容易导致刀盘扭腿部开裂。
3）掘进参数不合理。推进时总推力较大（2300-2700T），掘进速度为1~5mm/min，刀盘转速2-2.3r/min，刀盘扭矩偏高2000-3000KN.m；渣温高48度左右。盾构机配置为18寸单刃滚刀32把，中心双联18寸滚刀4把，滚刀承载力为25-35T，当前设备总推力达到2000T，每把刀滚刀承载力远大于使用要求；
4）维保检查不到位原因。如此大面积裂纹的产生并非一朝一夕，裂纹在滚刀崩刃、扭矩大、振动大等因素长期作用下而产生。产生一处裂纹后，此处结构便不再受力，从而向其他薄弱或应力集中点进行扩散，故在每次开仓换刀检查过程中未对刀盘进行全面检查或者检查不到位，从而造成裂纹逐步扩散。
3刀盘刀具修复流程
根据上述刀盘磨损情况，刀盘刀具修复流程如下图：
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图5 修复流程
4修复要点
4.1刀盘结构修复
刨除中心区域磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、加强筋板，对磨损刀梁进行打磨或火焰切割修整，打磨完后测量磨损刀梁各部位剩余宽度；通过测得数值现场校核每块下料钢板的尺寸，并进行局部修整；运送结构钢板至洞内定位，并且复核好平面度、位置度尺寸。
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图6 刀盘中心结构图
4.2新制滚刀刀箱定位和焊接
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图7 刀箱焊接示意图
需根据刀盘总图明细表，分别采购相应数量中心双联滚刀刀箱及安装所需螺栓；在拼焊中心滚刀刀箱时，短中心刀箱可以在地面拼焊完成，由人仓运入土仓内部，长中心刀箱需在土仓内部完成拼焊；考虑土仓作业环境，滚刀刀箱定位时，可根据刀箱背部进行定位，具体根据刀盘已安装滚刀刀箱，使重新定位滚刀刀箱背部与已安装滚刀刀箱均处于同一平面；针对中心滚刀刀箱，若刀盘中心结构未产生变形，则可以根据旧刀箱位置做标记定位，或者通过工装或重锤线，使单刃滚刀刀箱安装新刀后，该刀尖与中心滚刀刀箱安装新刀刀尖处于同一平面。
4.3刮刀刀座定位、焊接
对刮刀刀座及刀盘上安装位置进行打磨，确保焊接面露出金属光泽；按照刀盘结构总图刮刀布置位置对刮刀刀座进行定位、焊接。
4.4新制刀盘喷口，定位和焊接
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图8刀盘喷口剖视图
新制损坏掉落刀盘喷口； 按照要求定位并焊接固定刀盘喷口，同时管路与喷口焊接，管路焊接完后，需焊接δ10mm 的钢板对管路进行保护； 安装仓内软管、软管保护L型马凳及两半扣。
4.5搅拌棒修复
刨除原搅拌棒；对刀盘及搅拌棒焊接部位进行打磨，对搅拌棒进行定位、焊接。
4.6土仓内刀盘修复作业注意事项
为便于土仓内打磨、定位和焊接等作业，刀盘在此过程中需频繁旋转，尽量确保焊接部位处于水平状态，故需保证土仓整个环境土体岩层的稳定，及主控室操作司机的密切配合；土仓作业时焊接所产生的烟雾比较大，内部环境温度较高，需保证土仓具有较好的空气流通，特别是作业人员的正常呼吸；磨损主梁焊接面需打磨见金属光泽，采用多层多道焊接，保证主梁连接强度；钢板焊前坡口需预热及焊后保温，同时注意控制焊接变形，必要时可打工艺辅助支撑梁，保证刀箱安装空间；每道焊接工序完成后必须对焊缝探伤，保证焊接质量；为防止土仓内部积水，在土仓内放置1~2台应急水泵，同时通过前盾隔板底部连接 1-2 个排水管，利用水泵进行及时排水；土仓空间布置一定数量的照明灯，特别是作业空间处的照明，保证作业人员的正常工作；刀箱、刀座定位完成后应将连接螺栓装配上，避免受热冷却后螺栓孔发生变形。
5修复工作工艺要求
5.1拼接要求
如果一部分组件可以满足焊接后能够运送到掌子面，需将此部分组件在洞外组对焊接；所有组件运送到掌子面后，根据现场空间，能够组对焊接的部分，尽量在地面上完成焊接，再组对在刀盘体上；原主梁与新主梁主梁间加工艺支撑如图1，防止焊接收缩变形。同时注意坡口处组对间隙，如果间隙大于2mm，需要先堆焊，使间隙符合要求后才能焊接，堆焊时，不能将两工件焊接在一起；此堆焊工序对整体焊接收缩有重要作用，需严格执行；
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图9 对接焊缝处理示意图
5.2焊接规范
5.2.1焊前要求
为了保证焊接质量，焊前应使焊缝处于最有利的位置进行焊接，多采用平焊、立焊的焊接位置，尽量避免采用仰焊。可以旋转刀盘，将仰焊转化为平焊或横焊进行焊接，优化焊接顺序尽量减少旋转刀盘的次数。
焊前对焊接区域 50mm 范围内进行打磨清理，不允许存在水分、油污、铁锈等其它杂质。
5.2.2焊接方式
此次洞内焊接方式包括二保焊、手工电弧焊、氩弧焊。
二保焊，用于焊接刀盘主结构件；手工电弧焊，用于焊接耐磨堆焊及操作空间不足焊枪难以施焊的位置；氩弧焊，用于焊接管路。
5.2.3焊接预热温度
焊接预热温度120~170℃，层间温度120~250℃，预热时正对坡口预热。若焊接过程中途需停止一段时间，需用保温棉，对焊缝进行保温。再次焊接前需重新预热，待温度达到预热温度以后进行焊接。
5.2.4二保焊焊接参数
极性：直流反接；
立焊打底焊电流120-220A、填充焊140-220 A，焊接速度：10～25cm/min，气体流量15～25L/min；
平焊打底焊160-220A、填充焊240-280A，焊接速度：20～45cm/min，气体流量15～25L/min；
横角焊打底焊140-200A、填充焊220-260A，焊接速度：20～45cm/min，气体流量15～25L/min；
平焊焊道宽度≥12mm，立焊焊道宽度≥15±2mm。
焊缝表面严格杜绝咬边、未熔合等焊缝表面缺陷。
5.2.5清根要求
探伤焊缝单侧焊接完成后另一侧采用碳弧气刨清根见图10，并用砂轮机打磨，将相应部位打磨出金属光泽，采用着色探伤的方法检验清根效果，清根完成后由具有磁粉探伤资质的探伤人员进行磁粉检测，符合《GBT/26952‐2011》2 级要求，确认无影响焊接质量的缺陷后施焊。
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图10 对接焊缝清根示意图
5.2.6焊接应力消除
焊接过程中每焊接一层用风铲进行冲击去应力，热影响区、焊趾处为关键冲击位置。
5.2.7后热处理
主焊缝焊接完成后需后热处理，加热到250℃，保温时间不少于0.5h，加热完成后用石棉布保温缓冷；用石棉布进行保温缓冷的过程中不可浸水，冷却至常温后才可进入水域。
5.2.8探伤
按图纸焊缝标注要求，进行UT 探伤，符合《GB/T11345-2013》B级检验，按《GB/T29712-2013》2 级验收。未标注要求UT 探伤的焊缝，需进行 PT 着色探伤，不得有裂纹等缺陷。
6注意事项
1）准备充足的物资、工具、动力设备，重要的要有备用品应急。
2）吊装时，吊物吊钩下严禁站人。
3）高空作业时必须系好安全带。
4）检测洞内瓦斯等有害气体并做好预防及处理工作，加强通风、注意洞内用电安全、照明，保证场地作业有足够的光线。
7结语
刀盘是盾构机掘进的重要设备,在施工过程中应认真分析相关资料,采取各项措施减少其磨损。通过本次刀盘磨损及修复处理,我们在吸取教训的同时也获得了一些经验。希望通过上文的论述，能够更好地实现刀盘维护。
参考文献
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