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盾构刀盘设计 ① 第一章 盾构刀盘设计综述 ⑤ 第二章 浅谈盾构刀盘的设计与工程应用 13 盾构刀盘设计 盾构机是一种用于隧道暗挖施工 ,具有金属外壳 ,壳内装有整机及辅助设备 ,在钢壳体掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业 ,而使隧道一次成形的机械。盾构机按掘进方式分为人工、半机械和机械化形式。目前机械化盾构发展较快 ,它由刀盘旋转切削地层 ,采用螺旋输送机或泥浆管运送渣土 ,在壳体内拼装预制管片 ,依靠液压千斤顶推进。 盾构机在地下开挖中会遇到各种不同地层 ,从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在开挖中刀盘受力复杂 ,工作环境恶劣。刀盘的质量关系到开挖效率、使用寿命、工程费用及盾构施工的成败。然而 ,由于刀盘不可避免的磨损往往给工程带来干扰和隐患 ,这就需要在短时间内对盾构机刀盘磨损进行焊接修复 ,从而为盾构机开始新的掘进任务提供良好的设备条件。 1.刀盘布置及磨损分析 1. 1　刀盘布置 刀盘的结构既要考虑刀盘的开挖性能 ,又要考虑渣土的流动性及掌子面的稳定性。刀具的布置方式需要充分考虑工程地质情况。本工程中盾构主要穿越砂性土 ,砂性土摩擦阻力大 ,渗透性强,在盾构的推进挤压下水分很快排出 ,土体强度提高 ,故不仅盾构推进摩擦阻力大 ,而且开挖面土压力也较大 ,对刀盘的磨损会比较严重。另外 ,盾构土仓内刀具切削下来的砂土不易搅拌成均匀的塑流体 ,因此需要设置渣土改良设备。鉴于上述工程实际情况 ,本工程盾构机采用了如图 1所示的辐板式刀盘。盾构刀盘由钢结构件焊接而成 ,目前其主流形式有面板式、辐条式及介于二者之间的幅板式。辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘特点 ,由较宽的辐条和小块幅板组成 ,刀具分别布置在宽辐条的两侧和内部。辐板式刀盘不仅使得土压平衡更易于控制 ,土砂流动顺畅 ,不易堵塞刀盘开口 ,且刀盘扭矩阻力小 ,保证有较好的掘进性能 ,又能节省设备投资 ,而且较大的面板有利于布置较多的刀具 ,同时较小的开口率也有利于保护本工程中容易坍塌的砂性土围岩的稳定。 1. 2　磨损情况 盾构机到达重工街站后 ,立即对盾构机及刀盘进行清理、检查 ,发现盾构机刀盘外周磨损非常严重。盾构刀盘本体外缘侧板磨损在纵向方向上呈现中间大、两头小近似 V形 ,在整个侧环面上形成一圈磨损凹槽 ,凹槽中部磨损平均为 22 mm,两侧磨损平均为 15 mm,如图 2 a 所示。刀盘本体外周边缘在纵向方向上磨损约为 160 mm,从外周边缘到刀盘中心径向方向上磨损约为 180 mm,以致在刀盘外周边缘形成一个近似三角形的磨损区 ,如图 2 b 所示。刀盘辐板外圈上的 16把周边刮刀及其安装基座损坏 ,14把切刀及先行刀损坏 ,如图 2 c 、 d 所示。刀盘中心及辐板中部的刀具磨损量相对较小从整体上看 ,刀盘及刀具呈现外周及边缘侧板磨损 大 ,中心及圆周中部磨损小的特点。 2.刀盘修复设计方案 从盾构机刀盘磨损情况来看 ,由于刀盘本体基本完好 ,大部分刀具磨损在容许范围内 ,剩余刀刃高 度能够满足右线掘进任务 ,没有必要更换整个刀盘或者是全部刀具 ,只需要对磨损的刀盘本体和刀具 进行焊接修复和更换 ,即可保证盾构机正常进行下阶段的掘进施工。刀盘修复的原则是保证修复后的 刀盘本体性能不低于原设计制造的水平 ,保证更换的刀具与出厂配备的刀具性能相匹配。 为此 ,在深入分析和研究之后 ,决定采取以下焊接修补方案。 1 对刀盘本体外缘侧板环面 ,采用埋弧堆焊的方式 ,首先填平一圈凹槽 ,然后堆焊整个侧板环面 ,在环面上形成一圈耐磨层 ,使得刀盘本体直径恢复到出厂时的 6240 mm。2 刀盘外周边缘的倒角磨损采用加焊一圈耐磨钢板的方式对其进行恢复补强。钢圈外径为6240 mm,内径 5920 mm,厚度 30 mm。钢圈面与刀盘本体面平齐 ,钢圈与刀盘本体焊接采用二氧化碳保护焊 ,用埋弧堆焊把钢圈与刀盘面板之间的缝隙和钢圈与刀盘外缘侧板环面之间的凹槽填平。钢圈表面采用二氧化碳保护焊堆焊栅格状的耐磨金属 条。 3 磨损刀具的更换。 刀具与刀盘连接方式有2种 ,一种是直接焊接在辐板上 ,另一种是通过基座与辐板螺栓连接。对于直接焊接在辐板上损坏的刀具而言 ,需要用氧炔焰把损坏的刀具从根部切割 ,然后打磨平 ,在原位置焊接相应的刀具。对于经由基座与刀盘辐板螺栓连接的刀具 ,如果基座完好 ,则在清除基座污泥的基础上 ,直接用螺栓把刀具固定在上面。如果基座也被损坏 ,则需要把新的基座焊接在辐板上 ,然后再用螺栓把刀具固定在基座上。基座与刀盘辐板的焊接采用二氧化碳保护焊 ,焊缝高度采用 5层 8 mm,以提高基座与刀盘本体的连接强度。刀具材质为硬质合金 ,其强度不低于原装刀具。刀盘中心部位磨