TBM 施工中刀盤損壞現象的機理分析及維修

程永豐

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

隨著我國大規模基礎設施[1]項目的實施，各種不同類型的隧道需要建設。由于工程規模、地質條件、施工速度、環保等要求的限制，傳統鉆爆法施工技術[2]已經難以應對。采用開敞式全斷面巖石TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘進機）法隧道施工技術，不僅可以創造很高的掘進記錄，而且能夠穿越不良地質洞段。TBM 在施工過程中，刀盤的檢查，刀具的檢查、更換與維修等作業時間在掘進施工總時間中占有很大比例，同時刀具的損耗費用在總掘進施工費用中也占有很大比例。因此在刀盤設計和制造[3]中需要對此給予足夠的考慮。惡劣和不可預測的地質環境[4]必然會對刀盤造成各種不同程度的損壞，因此需要在掘進過程中密切觀察刀盤的運行狀態，注意維護和保養。

2018 年9 月，中鐵大橋局某TBM 施工項目，刀盤格柵斷裂，格柵撕裂主機皮帶，更換主機皮帶花費10 萬元，停機3 d，后大石塊從格柵斷裂處進入主機皮帶，再次撕裂皮帶，更換皮帶后重新對格柵斷裂處打坡口，按照相關工藝修復，恢復正常。2019 年6月，中國水利水電三局某TBM 施工項目，刀盤耐磨塊不同程度丟失，刀盤主體磨損，刀座壓潰變形嚴重，滾刀異常消耗大，最多曾發現同一區域7 把滾刀偏磨，被迫停機修復。更換刀座，堆焊刀盤磨損部分，重新焊接耐磨塊，整體停工修復1 個月。2019 年8 月，中鐵十八局某TBM 施工項目，滾刀V 形保護塊丟失，造成38#滾刀連續磨損，重新焊接新的滾刀V 形保護塊后恢復正常。由此可以看出，在TBM 施工項目中，刀盤損壞時常發生，對刀盤損壞機理的分析是進一步提出合理有效維修方法的必要保障[5]。為此，本文將介紹某引水項目刀盤損壞現象和后期的修復過程。

1 工程背景

該工程是新疆某引水項目，圍巖以泥盆系凝灰質砂巖、凝灰巖、夾炭質粉砂巖為主，局部洞段存在石英閃長巖、花崗巖[7]。石英閃長巖和花崗巖部位巖石強度高、耐磨性強，TBM 長時間處于高推力，低貫入度狀態，設備本身振動較大，容易造成鋼結構疲勞開裂。刀盤刀座結構本身和相關焊縫在應力集中點向四周開裂[8]；滾刀容易松動，發現不及時楔塊就會對刀座承載面造成錘擊，造成刀座壓潰變形。

根據本工程長距離硬巖隧道特點采用焊接扁平式結構，刀盤體采用低合金高強度鋼板焊接而成，同時為了滿足長距離硬巖隧道的掘進，刀盤易磨損區域進行針對性的耐磨設計，特點如下：刀盤面板焊接20 mm 的SA1750CR 或Kenna 復合耐磨板或者Hardox 耐磨板；刀盤過渡弧面及后部錐面焊有Hardox 耐磨板；滾刀側部焊有Hardox 耐磨保護塊；大圓環外側焊有鑲嵌合金耐磨板。刀盤面板和過度弧面及后部的耐磨材料是為了保護刀盤主體結構，滾刀側面的Hardox 耐磨保護塊是為了撥開掌子面的石渣，使滾刀作用在巖面上，同時也可以保護滾刀，防止大石塊卡在刀座和刀盤主體之間，造成滾刀卡轉偏磨。

2 現場故障情況

2.1 刀盤損壞初期特征

在2020 年1 月初，TBM 掘進11.7 km 左右，發現刀盤在相同巖層、同推力下刀具磨損異常，同時刀具固定螺栓松動、掉落現象比以前明顯增加，2 月初發現刀盤刀座部分焊縫，鋼結構磨損嚴重，2 月中旬發現面刀塞板部分丟失，刀盤格柵斷裂，同時刀盤刀座部分焊縫開裂，局部鋼結構磨損更加嚴重。由于外部因素，廠家服務人員不能及時到現場進行維修，只能降低刀盤推力，導致現場掘進效率低，平均日進尺僅8.6 m，嚴重影響施工進度。

2.2 刀盤檢查情況

在3 月中下旬廠家服務人員到達現場全面檢查刀盤，發現刀座壓潰（約4 mm），中心刀座焊縫，面刀承載面磨損嚴重（約6 mm），鏟刀焊縫開裂、溜渣擋板破損，同時格柵、面板磨損，需迅速修復。

3.3 刀盤損壞分析

刀座壓潰的主要原因是巖石耐磨性強，設備在高推力低貫入度時振動大，部分焊縫交界處焊接設計不合理，沒有考慮應力釋放，造成刀座和刀盤各焊縫不同程度開裂。

3 刀盤修復方法

更換損壞的中心刀刀座，用J807 焊條修復壓潰刀座，修補刀盤主體結構的開裂，保證中心刀刀座正常，壓潰的刀座能鎖緊滾刀，刀盤主體具備大推力破巖條件及耐磨屬性。

3.1 刀盤修復準備

TBM 在掘進4.502 km 處停機，確認圍巖完整，無裂隙、無滲水，適合焊接工作；退刀50 cm，由專業工程師和鉚工結合圖紙，對中心刀座定位，確認兩組以上的基準點；刀盤班組人員集中拆刀，49 把刀全部拆除；繼續退刀2 m，由焊工對作業位置進行確定，用噴漆進行位置標記；掘進工班對標記位置打鉆，完成后聯系炮工和相關人員放炮，炸出“貓洞”，以滿足焊工正常施工；刀盤前進1 m，搭接好工作腳手架，維保班配合廠家服務人員對刀盤進行修復。

3.2 刀盤修復

為了恢復刀盤性能，對壓潰5 mm 以上的刀座進行修復，開裂的刀盤結構進行打磨處理后重新焊接，補齊缺失的刀座賽板和保護塊。

（1）刀座部分。1#3#、2#4#中心刀座更換，刀座取出后，發現刀箱四處直角位置發現3 處裂紋，長約10 mm，深5 mm，修復后打磨平整；修復壓潰的44 處刀座承載面。

（2）刀盤體部分。內外刀座板焊縫開裂修復，刀座外側支撐板焊縫開裂修復，背板裂紋修復，支撐板與背板接觸處開裂修復。

（3）鏟斗部分。鏟斗大圓環、后錐板開裂修復；鏟刀座焊縫開裂：掉落格柵換新補齊。

（4）耐磨組件部分。刀座位置刀座保護塊均磨損嚴重，上層復合耐磨板均已局部缺失，下層handox 板磨掉肉嚴重，均堆焊后堆耐磨處理，上層耐磨板缺失位置均耐磨網格處理。

3.3 刀盤修復注意事項

（1）焊接前應檢查并確認焊接設備及輔助工具等處于良好狀態，利用風機或風扇增加刀盤內部的空氣流通和除濕，若溫度過低則采用電暖片加熱環境溫度，若有漏水必須采取措施避免對焊接造成影響。

（2）焊機地線搭接必須靠近焊接區域，避免焊接電流損壞主驅動。

（3）焊前清除焊縫坡口及兩側20～50 mm 內表面的鐵銹、油污、水分等雜質，至露出金屬光澤。

（4）嚴格按預熱溫度和范圍進行焊前預熱。

（5）氣體保護焊所用的氣為瓶裝氣，應配有預熱器和流量計，當壓力低于1.0 MPa 或氣體流量小于10～25 L/min 時停止使用。選用瓶裝氣體為氬氣（Ar）和二氧化碳氣體（CO2），混合比為8∶2。

（6）焊接需滿足以下要求：施焊前一般應預熱至100～150 ℃，必須預熱區應在焊縫兩側，每側寬度不應小于焊件厚度的兩倍且不小于100 mm；根據具體情況選用合理的焊接參數進行焊接，不允許超大電流焊接。打底焊時，使用的焊接電流要小；焊填充焊道時，為提高效率，通常使用較大的焊接電流；而蓋面焊道時，為防止咬邊和獲得較美觀的焊縫，使用電流較小；所有焊縫不允許在拐角處起弧及收弧，需采用繞焊的方式施焊且確保接頭位置錯開拐角處30 mm 以上；氣體保護焊除根部和蓋面層，坡口焊縫每層厚度不應超過5 mm，平焊、橫焊焊層的寬度不應超過12 mm，立焊焊層的寬度不應超過18 mm，超過以上參數，采用多層多道焊；多層多道焊，各層道相連接的部位必須相互錯開30 mm 以上，不允許在同一斷面起弧及收弧；對接接頭及T形接頭息弧處熔合不良的焊縫采用氣刨方式刨除，刨除焊縫長度≥50 mm，深度為焊縫截面。刨除過程中留出錯邊焊接位置，采用工藝要求的焊接參數補焊，并且小電流收弧，將弧坑填滿，收弧處不允許存在缺陷；焊接過程中使用風鏟逐層逐道敲擊焊縫，減少焊接應力，并清除焊渣等雜物；焊后用氣割槍重新加熱焊縫至100～150 ℃，再采用石棉布對焊縫進行緩冷保溫：用寬度大于400 mm，3 層以上的石棉布覆蓋緩冷。

4 刀盤修復效果

刀盤修復后檢查確認：刀座部分、中心刀座更換；中心刀座18 處承載面修復完成；12 處正滾刀座處刀座承載面修復完成；20 處刀座承載面修復完成。刀盤體焊縫開裂部分：4 處刀座外刀座板焊縫開裂修復完成；2 處刀座支撐板焊縫開裂修復完成；11個刀座塞板丟失，全部補齊修復。鏟斗部分：3 處鏟斗大圓環缺失，現場修復完成；10 處后錐板開口開裂修復；溜渣擋板破損嚴重，加固焊接，無法加固處割除處理，刨除后加塊支撐；6 處鏟斗所掉落格柵換新，磨損格柵修復，6 處加強格柵筋板過高影響鏟刀更換，統一高度割除1/2，共割除18 處50 mm 厚筋板。耐磨組件部分：刀座保護塊缺失1/4 以上均長肉后堆耐磨處理，上層耐磨板缺失位置均耐磨網格處理，共30 處；耐磨板開裂補焊處理后堆耐磨。探傷結果：所有焊接焊縫均滿足要求。

修復前限制推力，掘進速度較慢，月進尺不足300 m，滾刀偏磨和擋圈斷裂等道具異常損耗嚴重，單月異常損耗可達60把；焊接修復后，推力恢復最大，月進尺高達703 m，單月滾刀異常消耗8 把，修復效果顯著。

5 結語

刀盤的壽命是TBM 快速掘進的重要保證，其中，刀盤的設計、加工制造又是影響刀盤壽命的重要因素，否則后期會嚴重影響掘進效率，給施工方造成不可估量的損失。同時，現場施工方也需注意對刀盤的檢測、保養，發現異常現象要及時處理。本文通過介紹刀盤損壞初期推力受限、掘進速度慢，到全面排查問題，發現中心刀刀座損壞，20 個刀座承載面不同程度壓潰，大圓環和鏟刀座開裂，以及耐磨保護塊磨損嚴重，后對損壞中心刀座進行更換，壓潰刀座承載面進行修復，大圓環和鏟刀座以及磨損嚴重的耐磨保護塊進行打磨焊接，恢復大推力快速掘進的性能。

焊縫交界位置預留應力釋放點，應力可以釋放，掘進過程中后續檢查發現焊縫正常，刀盤格柵焊接修復后，無大石塊進入皮帶，出渣情況滿足皮帶正常運行，刀座塞板修復后，刀座振動情況好轉，刀座開裂減少，刀座壓潰修復后滾刀共同受力，無突出、偏磨減少。