盾构机刀盘刀箱损坏原因分析及改造技术

彭 飞，胡青山，单昊忞，林赉贶

（1.中交天和机械设备制造有限公司，江苏常熟 215500；2.中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083）

0 引言

刀盘刀具是盾构机的主要工作部件，刀盘部件的形式和质量决定了盾构机的掘进性能[1]。盾构机在穿越孤石群、上软下硬等复杂地层时，刀盘部件结构通常会受到严重磨损，当刀盘部件严重失效时必将影响施工进度，甚至损坏盾构机，故必须采取全面检修，以确保盾构机正常掘进性能[2]。为了避免开挖地面将刀盘拆解吊出维修所造成的成本高、周期长等不良影响，本次施工采用洞内维修、常压换刀方案。

1 工程概况

1.1 项目概况

滨海快线（福州—长乐机场城际铁路工程）土建施工第3 标段4 工区，包括一个区间，即机场站—大鹤站区间土建工程，其中包含盾构段、中间风井、明挖段三部分，总体平面线路如图1 所示。区间出机场站后沿规划道路红线西侧向北敷设，在里程ZBK62+008.227 处接入中间风井，出中间风井后下穿大鹤省级森林公园及仙昙路，并于仙昙路北侧通过盾构井由盾构转明挖，继续往北延伸至文岭站。盾构区间采用2 台Φ8580 mm复合式土压平衡盾构机，从中间风井小里程端始发，掘进抵达至机场站端头解体吊出。

图1 机场站—文岭站区间总体平面线路图

1.2 地质情况

机场站—中间风井区间地质、水文情况复杂，存在多段孤石群、凸起基岩、上软下硬及全断面中风化硬岩地层。根据详勘及补勘显示，区间孤石岩石强度最高为177.2 MPa，基岩岩石强度最高达205.8 MPa，且岩石强度普遍为120～170 MPa。

2 损坏原因及改造方案

2.1 损坏原因

盾构机在孤石区、上软下硬及全断面硬岩地层等不良地质中掘进作业时，对刀盘、刀箱和刀具损伤较大，易造成刀具螺栓剪切断裂、刀箱卷边变形、刀具镶入间距变小等后果，严重时可造成刀盘结构损伤[3]。

本工程采用刀具的磨损情况如图2 所示，从方框区域可以看出，滚刀刀圈普遍存在刀刃崩裂情况。刀具固定螺栓采取子母垫片的防松方式（图3），但在高强度岩石及上软下硬、基岩凸起地质中，刀盘、刀具在掘进过程中受到的冲击力较大，单纯依靠螺栓防松方式无法确保螺栓在不断承受振动冲击时不松脱。

图2 刀具磨损、刀刃崩裂情况

图3 螺栓防松装置

2.2 改造方案

由于只能在工区加固后带压进仓，进仓一次投入较大，且通过该工区后又不具备进仓条件，无法按照上述方法实施。为此，盾构机进入本区间全断面硬岩地层后，对盾构机刀箱结构进行改造，优化刀箱和刀具螺栓受力性能，进而有效控制刀具螺栓断裂问题。同时对在前期掘进过程中异常磨损的刀盘部件进行修复，确保在后续不良地层掘进作业时盾构机性能完好。

3 盾构机刀箱改造施工

3.1 施工空间构建及停机

（1）施工空间构建方案。通常在全断面硬岩地层等条件下，采用直接在掌子面开凿硐室的方法创造作业空间，但本区间全断面硬岩地层岩石强度高，开凿硐室施工难度大，所需时间较长。经研究讨论，采用气压使盾体后退的方式，使盾构机刀盘与掌子面之间形成作业空间，后退距离满足人员进仓作业条件[4]。

（2）停机位置。盾构机在进入中区间右线314 环全断面硬岩地层后，因掌子面上部区域存在较大风化夹层且有渗水现象，不具备停机后实施气压后退的条件；在掘进至366 环时观测发现掌子面风化夹层较少且无渗水情况。为确保盾构机整体进入孤石地层便于后续更换盾尾刷，决定使盾构机再向前掘进7 环（掘进距离大于盾构机整体长度），即在372 环位置停机。

（3）停机前后准备工作。通过在停机前对渣土进行改良、加大盾尾油脂注入等措施降低盾构机后退时的摩擦力。在盾构机停机后，通过对盾尾施作止水环等措施，使土仓形成密闭空间，具备良好的密封性。

（4）土仓加压盾体后退。采用盾构机萨姆森系统对土仓进行加压，压力控制在3.0 bar（0.3 MPa）左右，每次收缩5～8 cm，多次收缩完成盾构机整体后退。在盾构机刀盘与掌子面间形成1 m 作业空间，具备足够的空间进行刀箱改造及刀盘整体检查维修（图4）。

图4 盾构机刀盘与掌子面工作空间

图5 螺纹轴套式刀箱

图6 TBM 式刀箱

3.2 盾构机刀箱改造

3.2.1 常压进仓刀盘整体检查

盾构机气压后退完成后，在刀盘前方将脚手板焊接固定刀盘上作为作业平台，同时对刀盘进行全面检查，确定本次停机期间作业内容[5]：

（1）按照既定计划对中心刀箱进行改造，由螺纹轴套式刀箱刀箱更换为TBM 式刀箱，改善刀具螺栓受力性能，减少刀具螺栓断裂、刀具偏磨等问题。

（2）根据前期专家意见，在刀盘上增加焊接型先行刀保护刀箱结构，增加刀盘格栅降低螺旋机断轴风险，保证后续在孤石、上软下硬地层安全、快速掘进。

（3）充分利用盾体后退创造的作业空间，主动检查刀盘其他各部件结构性能，对前期在孤石、上软下硬地层中磨损的部件全面检修。检修内容包括：①对在孤石地层掘进中磕碰导致结构变形的4 把单刀刀箱进行更换；②对在孤石地层掘进中磕碰导致脱落的33 把刮刀进行焊接；③对在孤石地层掘进中磨损的磨损检测刀、搅拌棒等结构进行修复或更换；④对中心区域耐磨板进行焊接加强，保护中心刀箱结构。

3.2.2 刀箱改造施工

针对盾构机6 个中心刀箱，由螺纹轴套式刀箱更换为TBM 式刀箱。更换前后刀箱特性如表1 所示。

表1 螺纹轴套式刀箱与TBM 式刀箱对比

（1）刀箱定位及刨除。盾构机中心刀箱利用在辐条上焊接的定位板对刀箱进行定位，共4 个平面、焊接4块定位板。通过割除背部及面板共8 条原焊缝刨除原装刀箱并保留定位板，割除完成后将旧刀箱自中间分割成两部分取出。

（2）刀箱定位、安装及焊接。将新刀箱运输到刀盘前方作业平台前方，调整刀箱结构角度，通过定位块进行调整，初步控制刀箱的位置并点焊固定；然后使用特制工装进行精准定位、安装，同时对中心刀箱刀高进行检测，确保整盘刀具刀刃位于同一平面；随后对刀箱进行焊接，焊接完成后再次进行校核。刀箱焊接时通过焊前加热、焊接过程中层间温度控制、焊后保温等措施，确保焊缝质量。在焊接作业完成后，对刀箱焊缝进行100%磁粉探伤检测，均为一级焊缝，质量满足要求。中心刀箱改造完成后，再对在前期孤石及上软下硬地层中磨损的单刀刀箱进行更换。

3.3 刀盘刀具检修

（1）刀盘增加先行刀、格栅施工。为进一步加强刀盘结构的保护措施，同时对刀盘切削下来的渣土进行导流分流，在刀盘正面增加14 把焊接型先行刀，焊接后的先行刀如图7 所示。

图7 焊接型先行刀

为安全顺利通过后续孤石地层，避免螺旋机断轴问题再次发生，在刀盘辐条开口位置增加刀盘格栅，控制进入盾构机土仓内的孤石粒径，从而避免大块孤石进入螺旋机发生卡轴、断轴问题。

（2）刀盘检修。在增加先行刀及刀盘格栅作业期间，加强焊接前期在孤石地层脱落的主刮刀，通过增大焊缝坡口（由原来的15 mm 增至20 mm）、增加焊缝数量及长度等方式加强刮刀的整体稳固性，防止在后续孤石地层再次脱落。为防止在不良地层掘进时搅拌棒变形脱落，对搅拌棒焊接筋板加强整体稳固性。同时对前期在孤石地层中掘进磨损的部件进行更换，包括磨损检测刀、喷口保护刀、焊接型刮刀等。在刀箱改造及检修作业完成以后，对刀盘整体结构进行复检，同时对仓内进行全面检查、清理，最后安装刀具。

4 结束语

本区间Φ8580 mm 盾构机采用气压后退工法使盾体完成后退，进行刀箱改造及刀盘检修，自2022 年9 月25 日停机，计划2022 年10 月30 日完成，共计耗时35 d。

刀箱改造作业过程中，通过对刀箱等各部件精准定位、把控焊接焊缝质量、合理组织施工安排，顺利完成本次刀箱改造及检修施工，使盾构机刀盘保持良好的状态，有效保障盾构机在区间后续复杂地层中安全、顺利掘进，为今后盾构机刀盘刀箱设计、改造和检修提供相关经验。