珠海城轨金融区间盾构施工过程中, 水底段上软下硬和全段面不良地质长约400m, 刀盘工作环境恶劣、受力复杂, 刀盘从淤泥质黏土进入到上软下硬地层后, 刀盘中心区域滚刀、刀盘、耐磨板损坏加剧, 32mm厚的刀盘面板最大磨损量达25mm;刀盘刀箱座与刀箱间的前端锚固端焊缝严重磨损和开裂, 导致刀箱变形, 滚刀窜动间隙加大, 部分滚刀压紧楔块的固定螺栓松动甚至断裂脱落;掘进到 115m时已将近有1/2的刮刀由于螺栓断裂而脱落, 严重影响了盾构的正常掘进, 原位舱内进行刀盘修复是恢复盾构机机械能力的唯一途径。

金融岛-横琴段采用土压平衡盾构机, 盾构机刀盘开挖直径为8 820mm, 采用6辐条和6个面板;共60把滚刀, 56个轨迹线, 中心区域滚刀为1～20号刀位, 21～56号为正滚刀, 55号和56号轨迹线上各3把滚刀;拳型刮刀130把, 分别为中心区域焊接刮刀10把, 平头刮刀84把, 转角刮刀36把。中心区域滚刀设计荷载为25t (250kN) , 正滚刀设计荷载为30.6t (306kN) , 如图1所示。

在上软下硬地段, 387环换刀后掘进至396环, 千斤顶推力最大值达到4 900kN, 扭矩最大值达到6 500kN·m, 掘进十分困难, 只能停机开舱进行刀盘刀具检查。检查后发现中心刀1～8号滚刀刀箱、17～19号、18～20号滚刀刀箱楔块安装板磨损严重, 楔块安装板侧面与滚刀摩擦损坏严重, 1～8号刀箱隔板变形、脱落, 刀盘面板受损, 刀箱与刀盘焊接处开裂。17～19号、18～20号双联滚刀刀箱的楔块安装位焊缝开裂。中心区域的刮刀损坏严重, 部分刮刀底座已磨损。磨损最严重为17～20刀号区域, 刀盘面板磨损约25mm, 接近穿透, 如图2～4所示。

刀箱设计时, 刀箱整体强度、刚度偏低, 配合间隙过大, 最大间隙量超过6mm, 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, 造成滚刀偏磨;穿越上软下硬地层, 上部为淤泥质黏土+抛填石, 抛填石离盾构机最近约为3m, 土体被扰动后泄压严重, 无法实现压气法检查刀具; 随着中心滚刀非正常损坏数量增多和磨损加剧, 以至于刀盘面板磨损, 磨损量达到25mm, 并造成刀箱前端与刀盘焊接锚固点磨损。刀盘修复前和修复后中心刀、楔块损耗如表1所示。

需要在中心区域的1～20号滚刀范围内, 将受损的刀箱、刀盘腹板、面板及耐磨板进行焊接修复, 泡沫管前端法兰及保护刀重新恢复并疏通。

由于中心滚刀偏磨严重, 刀箱与刀盘面板磨损, 致使刀箱与刀盘主梁脱焊, 同时, 刀箱在使用过程中出现开裂。需要将受损的刀箱从刀盘刀座内取出, 更换新刀箱。

中心8联刀箱为整体刀箱, 受空间限制, 改为2个4联刀箱, 进入刀盘掌子面用螺栓连接, 再焊接为整体8联刀箱, 焊缝打磨平整后重新装入刀盘内。

在刀盘中心区域面板磨损较大, 须将磨损严重刀盘面板予以更换, 磨损较少面板采用填焊。同时, 将刀盘面板上耐磨板一起更换和修复。

刮刀和面板已磨损, 刮刀刀座一部分损坏。因在全断面硬岩, 刮刀容易磕坏, 且刮刀在硬岩作用不明显, 只需修复刮刀座, 完成全断面硬岩掘进后将刮刀安装。

滚刀偏磨造成刀箱附近产生较大应力集中及侧向分力, 应检查主梁与刀箱之间的焊接是否出现开裂现象;最外圈圈梁是刀盘接触岩土最多的部位, 磨损最为严重, 需对外圈梁的磨损进行检查;检查其他刀箱及构件的损坏情况。

由于刀盘磨损, 部分刀盘前端保护刀及法兰座损坏, 需要予以恢复。完成后检查清理添加剂管路, 保证添加剂管路的畅通。

刀盘修复工期约为30d, 刀盘修复作业场地的合理选择是刀盘修复成败的关键。刀盘修复需要实施气体切割和电焊作业, 最好能在常压通风条件下进行, 否则风险极大, 应尽可能选择围岩能够在常压状态下自稳的区间, 如达不到条件则必须提前对围岩进行加固预处理, 达到掌子面能够自稳、基本无地下水、无有毒有害气体渗漏的状态。然后才能在掌子面开辟维修槽, 为作业人员提供必需的作业空间。维修槽 (L形) 选择刀盘中心部位至人闸舱进口方向凿出, 宽2m, 长7m, 深度约为1m, 如图5所示。维修槽的开凿采用静态爆破。

1) 刨除原有滚刀刀箱, 从刀盘掌子面方向拆出, 打磨刀箱安装位, 要求平整、光滑, 表面无凸起。

2) 中心滚刀1～8号刀箱由2个4联滚刀刀箱对接而成, 需先吊至刀盘掌子面维修槽内, 对位完成后, 采用螺栓固定、对焊, 焊膏高度≥15mm, 焊接完成后打磨平整、探伤。

3) 将刀箱装入刀盘刀座内, 刀箱保持水平和垂直, 刀箱高度安装尺寸与原安装尺寸一致。

4) 焊接时要求间断、对称焊接, 减少焊接应力影响, 刀箱与刀盘焊缝高度≥15mm, 在刀箱正、反面堆耐磨焊, 外侧焊高为20mm, 内侧为10mm, 如图6所示。

5) 焊接完成后, 打磨焊接面, 做磁粉探伤。

6) 试装滚刀, 检测刀箱安装是否正确, 以及滚刀安装是否顺畅, 如图7所示。

7) 滚刀安装完成后, 检查滚刀与其他滚刀的平面度, 平面高度差要求<±2mm。

1) 刨除原有刮刀刀座, 打磨平整后做好标识。

2) 在刀座周围区域, 磨损比较严重的堆焊至原有高度, 并打磨平整。

3) 安装刀座时需与相邻完好的刀座高度持平。

4) 吊运刮刀刀座至相应位置, 调整好后点焊固定。

5) 焊接完成后, 打磨焊接面, 做磁粉探伤。

1) 刨除磨损严重的面板打磨平整并做好标识, 将要修复的面板吊运至相应位置后进行定位焊接。

2) 焊接时要求间断、对称焊接, 减少焊接应力影响。

3) 焊接完成后, 打磨焊接面, 做磁粉探伤。

4) 耐磨板的焊接参照面板的步骤进行安装 (不需要探伤) 。

1) 磨损量较小以及不能更换的 (辐条等) 进行贴板、堆焊。

2) 采用不同厚度大小Q345B钢板贴板, 减少堆焊量。

3) 焊接高度超出原焊接面2～3mm, 进行打磨。

4) 对贴板的表面焊接耐磨网。

5) 磨损深度较小不能贴板的区域用耐磨焊补焊。

1) 采用碳弧气刨将磨损的刀箱取下并运出, 按图纸要求开出坡口。

2) 将碳刨完成的坡口打磨干净, 去除表面的氧化皮等。

3) 采用烘枪对焊接区域烘干, 以去除焊接区域的水分。

4) 先将刀箱与刀座点焊, 并用烘枪对焊接区域进行预热, 预热温度80～100℃。

5) 焊接采用71Ni药芯焊丝, ϕ1.2mm;平焊、横焊时控制焊接电流120～280A, 电压24～33V;立向上焊时控制焊接电流120～260A, 电压25～29V; CO₂保护气体流量20～25L/min。

6) 控制焊接层间温度不超过250℃。

7) 焊后立即用石棉保温缓冷。

8) 刀箱两端焊接完成后, 将焊渣和堆焊高出处打磨, 确保不高出刀箱面, 滚刀进出顺畅。

9) 焊缝冷却完全后去除焊缝表面的焊渣等, 做100%MT探伤, 确保焊缝表面无裂纹。

通过对刀箱、刀盘腹板、面板等焊接修复, 恢复了盾构机机械能力。修复后多次检查刀盘和刀箱, 无损坏现象, 消除了因磨损造成的隐患, 为后续上软下硬地层掘进提供了安全保障。

刀盘修复后在上软下硬不良地质段的应用数据显示, 中心滚刀的非正常损坏损耗下降了80%, 而盾构施工效率提升了50%以上。同时在刀盘维修中发现的问题, 可为今后盾构机刀盘、刀箱设计和改造提供相关经验。