盾构机在上软 (淤泥质黏土) 下硬 (80~150MPa) 地层中施工, 掘进十分困难, 刀盘振动激烈, 刀具磨损严重。在软硬交换的岩面掘进过程中, 滚刀受力复杂, 承受径向和轴向的交变冲击载荷;因国内厂家对刀盘、刀箱设计时, 刀箱整体强度、刚度偏低, 配合间隙过大, 导致楔块锚固螺栓断裂、楔块脱落;部分楔块卡死在滚刀和刀箱之间, 还造成滚刀偏磨;同时因楔块脱落造成滚刀退出、掉落入土仓, 造成刀盘、搅拌棒和隔舱板的损坏。

珠海城际四航盾1采用三菱技术, 刀箱、滚刀、楔块、拉紧块和螺栓构成滚刀与刀箱安装结构, 中心区域1~8号滚刀为单刃8联刀箱, 9~20号滚刀为单刃双联刀箱。17号滚刀设计荷载为25t (250k N) , 1~20号滚刀为中心滚刀, 滚刀宽度为179mm, 双联滚刀刀箱宽度为362mm, 8联中心滚刀单个刀箱宽度为182mm。偏磨、楔块脱落和螺栓断裂主要发生在1~20号中心区域滚刀, 刀箱与滚刀间隙较大, 双联刀箱与滚刀最大可产生4~6mm间隙, 8联刀箱与滚刀间隙为3~4mm, 如图1, 2所示。

中心滚刀与刀箱间隙较大, 在80MPa以上的硬岩段, 滚刀轴向力与径向力快速交替变化, 滚刀发生偏移, 螺栓被拉伸, 超出螺栓强度极限时造成螺栓断裂。

安装楔块的V型块硬度 (强度) 低、出现变形, V型块与楔块接触面由面接触变为线接触或点接触, 楔块在交变受力情况下无法稳固在V型块上。振动较大, 滚刀在摆动过程中, 螺栓除断裂外, 还容易造成螺纹变形、部分螺栓退丝松动, 楔块、拉紧块掉落, 楔块卡在滚刀和刀箱之间造成滚刀偏磨, 如图3所示。

通过减少刀箱与滚刀间隙, 可减少刀箱与滚刀摆动量, 使螺栓伸长率满足使用要求, 避免螺栓断裂。同时, 增加V型块硬度 (强度) , 并在V型块处加焊挡板, 在滚刀发生偏转产生间隙时, 确保楔块不会脱落。

中心滚刀采用2个单列圆锥滚子轴承, 轴承代号为H924045, 滚刀轴承精度为2级, 轴承内径为111.125mm, 轴承列宽为55.562mm, 单个轴承列宽公差值最大+0.203mm, 最小+0mm。刀圈与刀毂过盈量为0.18~0.22mm, 刀毂与轴承外圈收缩0.08~0.10mm。滚刀装配完成后, 滚刀宽度178.3~178.7mm。双联滚刀刀箱宽度358.5~359mm;8联滚刀刀箱宽度179~179.5mm。

原刀箱V型块材料采用Q345B, 使用一段时间后, V型块发生变形, 滚刀楔块与V型块产生间隙, 由面接触变为线接触。重新制作刀箱, V型块由原材料Q345B改为35Cr Mo, 并进行热处理, 本体硬度为HB240~280, 抗拉强度δ_b=800~900MPa;屈服强度δ_s=600~700MPa;并进行表面淬火处理, ≥HRC50, 深度为2~3mm。

刀箱围板材料为低碳合金结构钢Q345B, V型块为中碳合金钢35Cr Mo, 焊接时需要200~300℃预热, 焊接完成后整体去应力回火, 回火温度为500~550℃。

V型块制造、焊接工艺流程:下料→锻造→调质→一次机械加工→与围板焊接→去应力回火→二次机械加工→表面淬火→刀箱围板焊接。

滚刀侧向受力时, 楔形块与刀箱产生间隙, 楔块向外脱落, 为了避免楔形块脱落, 为刀箱V型块焊接挡块, 如图4所示。

刀箱与刀盘安装时, 焊接控制不当会造成较大变形, 最大变形量可达4~5mm, 需要控制好刀箱焊接工艺。

1) 焊接前在刀箱正、反面宽度和长度两个方向焊接工艺撑。

2) 完成刀盘与刀箱定位后, 用2~3mm厚的铁板将刀箱与刀盘之间的空隙填充、塞紧。

3) 定位完成后, 用烘枪将刀盘表面水汽烘干, 用断续点焊将刀箱固定到刀盘上。

4) 焊接预热温度控制在100~120℃, 火焰加热方向由内侧向外侧。焊接时采用连续焊接, 焊接刀箱时保证焊接部位内、外侧的温度接近。

刀箱与滚刀间隙减小, 滚刀刀座 (端盖) 前端部与岩面接触部分容易出现变形翻边, 拆卸滚刀时难以取出, 需要对滚刀作出相应调整 (见图5) 。

1) 滚刀刀座的中心区域为整刀宽度尺寸, 刀座其余部分减少1.5mm。

2) 滚刀刀座前端部倒角5mm, 并堆焊耐磨层, 耐磨层厚度≥5mm, 硬度≥HRC60。

3) 统一各厂家滚刀宽度尺寸178~179mm。

4) 刀座与刀轴连接螺栓需打螺纹胶, 避免螺栓振动产生退丝。

拉紧块螺栓频繁出现断裂、退出, 需要相应调整螺栓长度、扭矩及垫片以确保螺栓在使用过程中不出现类似问题。中心滚刀采用M20×90外六角螺栓, 螺栓主要技术参数:螺栓等级12.9, 屈服点1 080MPa;应力面积245mm²;最少拉力荷载为29.9t (299k N) ;断后伸长率8%;硬度HRC为39~44。

当滚刀受到轴向拉力时, 螺栓被拉伸, 在螺栓锁紧过程中, 扭矩应控制在螺栓荷载的50%~60%, 扭力值520N·m× (1+10%) 。

设计螺栓时需要考虑螺栓伸长率。螺栓采用半牙螺栓, 螺纹应力面积小于圆柱面积, 设计时确保1.5倍安全系数, 螺纹伸长率按4%设计, 如螺栓长度无法满足伸长率时, 需要增加螺栓长度。

螺栓加装带齿防松垫片, 垫片由一对相互咬合的齿面垫圈构成, 螺栓和拉紧块锁紧后嵌入到垫片中。垫片相互咬合的角度α大于螺纹的升角β (见图6) , 有效阻止螺丝松动。选择垫片时, 硬度>HRC50, 确保螺栓锁紧后可嵌入垫片内。

同时可将螺栓由粗螺纹改为细螺纹, 减小螺纹的升角β, 可增加螺栓的止退效果。

1) 刀箱V型块增加挡块后, 楔块需要减薄2mm。

2) 楔块硬度、强度应低于刀箱V型块, 将楔块由原热处理硬度为HRC35~40的42Cr Mo材料改为Q345B。

3) 为了减少楔块和拉紧块脱落, 重新设计楔块和拉紧块, 用螺栓将楔块和拉紧块固定在一起。

4) 根据螺栓长度, 增加拉紧块的厚度。

为了提升换刀效率和换刀质量, 减少压块螺栓松动、楔块脱落、滚刀掉出等现象, 需对现场换刀制定新的工艺要求。

1) 滚刀安装前, 需要登记滚刀刀号和装入的刀位号。拆刀后标记上刀位号, 拍照, 填写磨损情况与磨损量。

2) 拆卸滚刀时, 出现拆卸困难的滚刀, 先用螺栓将楔块顶出, 再用拆刀工具拆卸滚刀。当措施无效时, 需要通过值班工程师现场确认后方可动火拆卸, 决不允许损伤刀箱。

3) 安装刀具前, 每把滚刀和刀箱内泥砂必须清洗干净, 安装滚刀进入刀箱时需顺畅、无阻塞, 楔块和拉紧块需要靠紧刀箱、无歪斜现象, 滚刀刀圈挡环朝向刀盘圆心。

4) 每根螺栓必须加装项目部指定防松垫片或其他防松措施, 螺栓出现损坏应及时更换。防松垫片不能与其他垫片同时使用。

5) 螺栓用气动扳手锁紧后, 每颗螺栓必须复紧3次以上, 每颗螺栓每次采用气动扳手连续锁紧时间≥10s, 螺栓复紧次序 (1) - (2) - (3) - (4) , (1) - (2) - (3) - (4) , (1) - (2) - (3) - (4) 。并用扭力扳手复测扭矩, 中心滚刀螺栓为520N·m, 正滚刀螺栓为910N·m, 如图8所示。

6) 其他刀具出现螺栓松动或楔块掉落应及时用扭力扳手复紧。

7) 掘进200mm后, 进行二次复紧, 二次复紧扭矩:中心滚刀螺栓复紧扭矩为520N·m, 正滚刀螺栓复紧扭矩为910N·m。

8) 每次换刀完成后, 检查其他滚刀螺栓是否紧固, 楔块、拉紧块是否有脱落, 刀具有无倾斜, 刀圈是否完好。

通过对刀箱、楔块改进及对现场安装工艺改进, 中心刀非正常损坏由每环5~8把减少至掘进40环共6把;同时减少了螺栓断裂、退丝导致楔块脱落的问题;由于中心滚刀非正常损坏的数量减少, 加快了掘进速度, 盾构施工在硬岩段的掘进工效由每月20~30m提升至每月50~60m, 使盾构机能顺利通过不良地质段。