超大直徑盾構常壓刀盤制造工藝研究

王 旭，趙慧芳，谷建軍，武勝圈

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

1 項目背景

大連地鐵5 號線梭魚灣南站至火車站站區間是該條地鐵的控制性工程，區間長3 317.044m，單洞雙線設計，地質條件極其復雜，需穿越超大溶洞群，是盾構法施工中技術難度和風險最大的工程之一。針對該項目量身定制了“海宏號”配備常壓換刀刀盤的超大直徑泥水平衡盾構，設備總長158m，整備質量2 840t，開挖直徑12.26m，其中常刀換刀刀盤總重量超400t。

類似工程還有汕頭海灣隧道工程，全長3 047.5m，采用開挖直徑15.03m 的盾構施工，該盾構總長130m，整備質量4 600t，其中常壓換刀刀盤總重量超過570t；深圳春風隧道工程，隧道全長4 820m，采用開挖直徑15.8m 的“春風號”盾構施工，該盾構總長135m，整備質量4 800t，其中常壓換刀刀盤總質量超過600t[1]。

以上工程中所用的盾構均配備了常壓換刀刀盤。刀盤是隧道施工中最核心的部件，對隧道的開挖效率及質量有重大影響，也起到了對施工人員的保護作用。據不完全統計，隧道施工過程中因刀盤產生的停機率約占總停機率的50%以上。

2 工藝路線

考慮到刀盤整體尺寸超寬、總質量較大，公路運輸難度大，所以常壓刀盤在工廠制造時被分為7 部分，包含1 個中心塊、6 個邊塊，中心塊單重約110t，邊塊單重約30～50t。以上7 部分需要在工廠內制作完成，然后分別發運至工地，再組裝、焊接成整體，最終裝配至盾構主機上。

刀盤在工廠制造時，先將中心塊、邊塊結構件單獨鉚焊，完成后分別去應力處理，再對中心塊進行機加工，以完成結構件主體制造；然后將中心塊、邊塊整體組裝在一起，進行滾刀焊接座、切刀焊接痤、耐磨部件的鉚焊，鉚焊過程中根據起重能力需對刀盤進行拆解并翻身，此過程主要完成各刀具接口部件的鉚焊；刀盤拆解后，開展常壓換刀裝置的安裝與測試工作、管路的安裝與測試工作；然后進行刀盤整體拼裝、檢測、涂裝；最后拆解刀盤，并與盾構整機進行總裝。

刀盤在工地組裝時，需在合適的承重地面上進行。先進行各主結構的拼裝與調整，需重點保證各刀具尺寸要求，然后進行焊接。焊接完后需再次核對各刀具尺寸，然后進行再次涂裝，最后下井與盾構主機總裝。

3 鉚焊前準備

3.1 原材料質量控制

常壓刀盤的母材材質主要是Q345R 厚鋼板，鋼板需滿足GB 713《鍋爐和壓力容器用鋼板》要求[2]。采購的鋼材應進行抽樣檢測，檢驗內容依據GB 713 進行，包括化學成分和機械性能檢驗。檢驗結果需與供方提供的材質證明書及GB 713 進行比對，以保證原材料質量。

3.2 焊接工藝評定

根據ISO 15614 焊接工藝評定標準的相關規定，開展了對常壓刀盤母材進行焊接工藝評定實驗。實驗時需注意根據常壓刀盤中實際應用的鋼板厚度，選取合適的實驗板厚，以確保能夠以最少的實驗板材，覆蓋刀盤中所有的鋼板厚度。同時還應注意按等強匹配的原則，選取合適型號的焊材。

實驗板材焊接完成后，按標準進行了各項機械性能的測試，測試結果滿足標準要求。

3.3 鋼板下料及坡口制備

常壓刀盤的原材料大部分為板厚大于40mm的厚鋼板，需采用數控火焰切割機下料。下料前制定了主要零件的工藝尺寸，以減小下料過程對零件自身尺寸的影響，抵消焊接收縮產生的影響。

切割下料完成后采用切割機器人或者半自動小車進行坡口制備，需重點保證坡口角度及鈍邊尺寸。坡口制備完成后需按圖紙及下料工藝要對所有零件進行檢測，以確保尺寸合格。

4 刀盤制造關鍵技術

4.1 邊塊、中心塊鉚焊

邊塊、中心塊結構為半封閉箱形結構，該類型結構屬不穩定結構，易發生較大焊接變形。所以邊塊鉚焊過程的控制重點是大圓環半徑、總高度、開口處尺寸。為提高效率，6 個邊塊與1 個中心塊的主結構需分別制造。

組對前需在平臺上放地樣線，其中對大圓環半徑適當放量5～10mm。組對過程中需在結構內部預制工藝支撐，保證總高度符合設計公差要求。組對完成后需在結構開口處設置X 形工藝支撐，以有效減小角變形。

焊接過程按照焊接工藝規程嚴格執行，焊接順序按照先焊接立焊縫，再焊接橫焊縫的順序進行。對于要求全熔透的焊縫，需先焊接坡口較深的一側，然后在坡口較淺的一側清根并焊接。焊接完成后消除應力處理。

4.2 刀具焊接座鉚焊

刀具焊接座鉚焊前需準備組合型焊接平臺，平臺尺寸與刀盤總尺寸相當，平臺平面度2mm 以內。檢測刀具焊接座機加工質量，主要包括尺寸檢查與粗糙度檢查。將邊塊與中心塊整體組裝在一起，檢測平面度、高度、大圓環半徑并調整。安裝刀具定位工裝，調平并對正中心。

刀具焊接座分為常壓滾刀焊接座，常壓切刀焊接座，普通刮刀焊接座3 種。組裝常壓滾刀焊接座及常壓切刀焊接座時，需預先安裝好刀具仿形裝置并確認其安裝尺寸，然后采用刀具定位工裝定位。刀具焊接座定位過程必須精準，誤差盡可能小。所有刀具焊接座定位完成后，需采用有效的測量方法測量所有刀具的尺寸，確認無誤后才能進入焊接工序。對測量儀器的校準是保證測量結果可靠性的重要手段。

滾刀焊接座焊接時應采用較小的焊接規范，采用多層多道焊焊接，焊道寬度應盡量窄，以減小熱輸入，減小焊接變形；焊前的預熱是十分有必要的，但應保持均勻，以利于應力的均勻釋放。

4.3 工地焊接

刀盤啟運前需確認工地資源配備情況，包括吊裝能力，地面承重能力，電力、氣體的供應，應急措施等。刀盤到達工地后可立即開展刀盤整體組裝、調整工作，主要調整內容包括各刀具平面度、半徑和開挖直徑。刀盤整體組裝時，需考慮邊塊與中心塊對接焊縫的焊接收縮，需對邊塊上的刀具半徑適當放量，以保證焊后刀具尺寸符合要求。

組裝調整完成后需靜置一段時間，以消除地面沉降對平面度的影響。然后采用2 種測量方法測量所有刀具的尺寸，確認無誤后才能進入焊接工序。

刀盤工地焊接在臨時廠房中進行。焊接過程按照焊接工藝規程嚴格執行，焊接順序按照先焊接立焊縫，再焊接橫焊縫的順序進行。

5 結論

1）采用合理的焊接順序及有效的工藝支撐，可以有效控制邊塊、中心塊的焊接變形，可以實現邊塊與中心塊順利對接；通過精確的工裝、有效的測量手段及合適的焊接收縮余量，刀盤刀具的尺寸可以得到保證。

2）通過對?12.26～15.8m 常壓刀盤的制造實踐，對常壓刀盤制造工藝過程進行了深入的研究與驗證，解決了相關制造工藝難點，為超大直徑盾構常壓刀盤的制造提供了參考。