土壓平衡盾構機前盾的制作工藝

梁 飛

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

土壓平衡盾構機前盾的制作工藝

梁 飛

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

前盾位于盾構機的最前端，其作用是保持開挖面的穩定，前盾需要保證任意輪廓直徑尺寸必須相同或者尾部稍小于前部。制作時需從下料放樣余量、組對尺寸控制、焊接的順序及電流電壓等方面進行控制，最終保證結構尺寸達到圖紙要求。

盾構機；前盾；制作工藝

1 概述

盾構，英文名稱為“Shield Machine”，它是一種用于隧道暗挖施工的筒狀機械，由金屬外殼、刀盤、出渣系統、推進系統及導向系統等部分組成，可以同步完成土體開挖、土渣排運、整機推進和管片安裝等作業，實現隧道一次性開挖成型[1]。盾構機是隧道掘進的專用工程機械，現代盾構集機、電、液、傳感、信息技術于一體，所有的主要部件都安裝在盾體的內部，盾體由前、中、尾3部分組成[2]，這3大部件均由許多零件焊接而成，體積較大，但是整體尺寸、精度要求較高，因此合理的盾體制作工藝是能否制造出合格盾體的關鍵。本文以昆明地鐵四號線375號土壓平衡盾構機的前盾制作工藝為例，進行討論分析。

2 前盾的特點

前盾是由鋼板圍成的筒狀金屬結構，由法蘭、殼體、隔板、中心環、旋機座子、錐板、人艙、渣土閘門等部件構成[3]，詳見圖1。前盾殼體高度為2 018 mm，殼體直徑為Φ6 410 mm，板厚為60 mm；中心環高度為625 mm，直徑為Φ3 446 mm，厚度為140 mm；法蘭厚度為70 mm，直徑為Φ6 410 mm/Φ5 520 mm。中心環與殼體通過隔板進行連接，隔板與殼體圓周方向上有很多豎向筋板加固連接，隔板留有螺旋機孔洞，用來裝螺旋機座子。所有拼接焊縫均按Ⅰ類探傷要求進行探傷。根據圖紙要求尺寸，前盾整體焊接后要求殼體前端尺寸為Φ6 410+5 mm，后端尺寸為Φ6 410 mm，即殼體任一斷面的直徑尺寸必須相同或者后端尺寸小于前端尺寸，總共的尺寸差不得超過5 mm，也就是殼體直線度≤2.5 mm。中心環上有35個Φ24 mm，深度在330～550 mm的油脂孔，以及64個M60-H6的螺紋孔。

圖1 前盾結構簡圖

3 前盾的制作工藝

通過對前盾的結構進行分析，確定前盾的主要工序：下料→卷圓→組拼→焊接→校正→機加工。

3.1 下料

根據前盾焊接完畢后的前大后小尺寸要求，再考慮焊接收縮，因此殼體的下料是最關鍵的。要達到焊后尺寸為錐形，必須將殼體放樣下料成錐形，考慮到前盾底部有法蘭，中間有隔板，上口沒有任何部件約束殼體，焊接最容易收縮。所以決定將上口的放樣尺寸定位為 Φ6 420 mm，下口放樣尺寸定位Φ6 412 mm，殼體高度為2 028 mm，預留10 mm余量，由于鋼板材料限制，殼體分為1/2下料。法蘭是前盾與中盾連接的重要部件，端面需要精加工，法蘭在厚度方向上預留5 mm加工余量，分4瓣下料。中心環內部是與主驅動精配合面，且中心環板厚140 mm，考慮到焊接收縮、加工余量以及板材卷制后的拉伸量，所以中心環板厚方向應預留15 mm余量。

3.2 卷圓

殼體放樣下料為錐形，卷圓時要制作兩塊樣板，上口樣板尺寸為R 3 210 mm，下口樣板尺寸為R 3 206 mm，樣板長度≥1 200 mm。卷制過程中用樣板檢驗尺寸，必須保證樣板與殼體的間隙≤2 mm。為了保證卷制的精度，在殼體兩端必須焊接壓頭余量，卷制完畢后對殼體的直線度應進行火焰校正。

3.3 組拼

為了保證組拼的精度，組拼前將法蘭外徑立車加工至Φ6 420 mm。將法蘭放在平臺上校平加固，保證法蘭平面度在2 mm以內，并找正法蘭的圓心，做永久標識。按照組對尺寸，將2瓣殼體組拼在法蘭上，保證下口尺寸為 Φ6 412 mm，上口尺寸為Φ6 420 mm，在圓心上固定求心器，掛鋼琴線錘找正殼體圓心。整個圓周分24點測量，做好測量記錄，達到尺寸要求后，在殼體外壁用工字鋼或者槽鋼對殼體進行加固，減少焊接變形。完畢后對殼體兩條縱焊縫進行焊接，焊接完畢測量殼體收縮情況，并根據收縮記錄，用火焰進行校正殼體的同心度。殼體焊接完畢后開始組裝筋板、隔板、中心環等各類筋板，使其形成一個整體，增加剛性，然后開始全方位焊接。

3.4 焊接

前盾的殼體立焊縫、與法蘭的環縫、隔板的焊縫為主要焊縫，需要探傷。其余焊縫為角焊縫，但是坡口較大，填充量也較大。必須遵循焊接順序，先焊接立焊縫、再焊接橫焊縫，仰焊縫必須翻身后再進行焊接。焊接采用CO2氣體保護焊，實施多層多道焊接，每道焊縫熔寬不超過10 mm，焊工人數為8個，分2班連續對稱焊接。平焊的焊接工藝參數：電流I=180～270 A，電壓 U=19～30 V，氣體流量 L=15～25 L/min，焊接速度V=40～60 cm/min，層間溫度≤300℃；立焊縫的焊接電流I=140～160 A。對于≥40 mm厚的鋼板需要焊前預熱至100～150℃，后熱溫度200～250℃，保溫2 h。由于焊縫填充量較大，焊后保溫措施必不可少，這樣可以減少裂紋的產生。焊接過程中需要根據焊縫的位置調整，有些焊縫需要翻身后才能焊接，在盾體上焊接吊耳，注意翻身必須空翻，不允許工件著地。工件主要焊縫焊接完畢后，開始對隔板上的附件以及螺旋機座子進行焊接。整體焊接完畢后還需要對整個盾體進行時效振動，以消除其焊接應力。

3.5 校正

前盾整體焊接完畢以后，需要拆除所有加固支撐及定位塊。利用圓心上的求心器測量出殼體實際焊接收縮數據，測量點為之前組對時的同一位置，測量區域從上至下共4層數據，要求半徑實際數據在0～+2.5 mm以內。由于焊接收縮不一樣，對于尺寸超差的區域，根據實際的測量數據對該區域進行火焰校正。并遵循火焰校正的原則，采用線狀或點狀加熱方式進行校正。加熱圓點的直徑一般為50～90 mm，當鋼板厚度和變形區域較大時直徑也應放大，可按d=（4δ+10）mm（d 為加熱點直徑，δ為鋼板厚度）計算得出值加熱，烤嘴從超標點起做螺旋形移動，采用中溫矯正。火焰校正結束后應對盾體進行時效振動，以消除焊接和火焰校正產生的應力。

3.6 機加工

以法蘭面為基準，等高塊墊起，平放于工作臺上，以法蘭外圓找正殼體，要求筒體圓度在3 mm以內，筒體直徑滿足圖紙設計要求，且軸向三環最大值與最小值偏差在5 mm以內，并在殼體外側標記測量點數據值，確定待加工面加工余量。然后8 m立車加工殼體上口，加工完畢后翻身，以加工后的上口為基準加工法蘭以及內部的中心環。加工完畢后轉數控落地鏜銑床加工中心環上的螺孔及深孔，螺孔是連接主驅動的重要孔位，必須采用鉆銑的方式進行加工，加工完畢后采用通止規進行檢驗，法蘭連接孔可自制鉆孔模子進行配鉆。

4 總結

前盾的關鍵尺寸是由組對尺寸及焊接變形來控制的，通過以上的制作工藝，能夠成功將前盾的焊后尺寸嚴格控制在圖紙要求尺寸內，完全滿足各項技術要求，成功解決了4個技術難題：

（1）結構復雜、焊接量大的大型圓筒鋼結構件的防變形收縮余量問題；

（2）控制圓筒型鋼結構的殼體任意輪廓直徑尺寸前部稍大于后部；

（3）大型圓筒鋼結構件焊接順序確定的問題；

（4）大型圓筒鋼結構件機加工基準確定的問題。

盾構機為新型制作行業，以上制作工藝對盾構機盾體的制作有借鑒及指導作用，可用于同類型、不同直徑盾構機及相似圓筒類鋼結構件的制作，具有推廣意義。

[1]陳饋，洪開榮，吳學松，等.盾構施工技術[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]吳巧玲.盾構構造及應用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[4]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5]中國機械焊接學會.焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2008.

TH162

B

1672-5387（2017）10-0064-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.10.022

2017-07-21

梁 飛（1988-），男，助理工程師，從事水利水電、風電、盾構機制造技術質量管理工作。