盾構刀盤緊急焊接修復
【摘 要】在盾構前部開挖面上對刀盤進行焊接修復作業，要求在盡可能短的時間內完成任務。本文從保持開挖面穩定的維護措施的采取，修復材料的選擇，修復工藝的優化和修復工藝流程的安排等方面進行了闡述。井對一些有待解決的問題提出了自己的意見和看法。
【關鍵詞】 盾構 刀盤 焊接修復 工藝
0 前言
s-169地鐵盾構隧道施工工程，在TBM推進過程中停機進行例行檢查時，發現周邊刀及其安裝基座和部分緊挨周邊刀的齒刀及其基座磨損嚴重。遂決定對刀盤本體和刀具安裝基座進行緊急焊接修復。在修復的同時，還對部分刀盤本體表面進行了耐磨層堆焊處理。筆者以下對刀盤的修復工作進行回顧、分析和總結，并對相關的問題進行分析和探討。
1 作業面開挖尺寸的確定
正常情況下，刀盤與開挖面土體緊密相依。在開挖面上對刀盤進行焊接，需要在刀盤前方挖出一個洞，以保證作業人員對刀盤進行焊接作業時有適當的作業空間。洞的大概尺寸為個直徑1 500mm，深度400mm的半球形洞。具體位置和尺寸見圖1。
2保持開挖面穩定的維護措
2.1土倉排土量的控制
盾構土倉排土高度主要是根據焊接作業需要及開挖面地層特點綜合考慮的。因為該處地層上部是粘土層，下部是沙層。排土高度控制控制在刀盤直徑的1／3左右，即2m，以盡量減少對開挖面的影響范圍。
2．2 以氣壓代替土壓保持開挖面的穩定
當長時間停止作業時，為了保持開挖面的穩定，必須向土倉內充氣加壓。在加壓時，開挖面地層內的水被排擠流向它處。但氣體加壓無法保持長久，時間稍長有些地方會漏氣；為了控制漏氣，我們向土倉內加注膨潤土，在開挖面表面形成泥膜，這樣可以較長時間保持土倉內的壓力。
2．3 拱頂支護
對拱頂的局部坍塌處，用裝有粘土的編織袋及木板進行支護，來控制坍塌的范圍，保持開挖面的穩定。
2．4 縮短修復時間
實施24小時連續工作，以減少較大面積和范圍的坍塌情況的發生。
通過上述措施，有效地保證了開挖面的穩定性，刀盤修復期間地表沉降得到了有效的控制，圖2、圖3。從圖3中就可以看出：隨著停機時間的延長，地面沉降呈增大趨勢，但斜率明顯減緩通過采取上述措施，較好地控制r地面沉降。在進行修復施工的一周里，最大沉降控制在12mm以內。因為隨著時間的延長，沉降在增大。因此，加快修復速度，縮短維修作業時間顯得尤為重要。
3 刀盤本體及刀具安裝基座的焊接修復
在土倉內開挖面上進行焊接作業，受到了操作空間、通風條件等多種因素的限制，作業難度較大對焊工的操作水平也有較高的要求。由于在本次作業過程中開挖面地層情況比較隱定，加之措施得力所以焊接作業進行的較為順利。
3．1 鋼材的選擇
刀盤修復工作，時間緊、任務重。但我們還是進行了認真的調查、分析和準備。首先根據刀盤本體采用St52-3鋼號。相當于國產的低碳鋼。刀盤本體及刀具安裝基座的修復寬度為350mm，厚度為100mm，高度為150mm。從材料的機械性能和可焊性等多方面因素綜合考慮，并經與有關單位的焊接專家研究，最終決定采用國產20#鋼對刀盤及安裝基座進行修復。
3．2 刀盤修復方案的優化
如何保證修復后的刀盤本體性能不低于原設計制造的水平，我們進行了深入的分析和研究，并加工了樣塊在現場進行了模擬裝配分析。
3.2.1 從焊接工藝考慮采用左右塊加支撐塊的方案
原設計修復方案中采用兩塊150mm厚的鋼塊，對刀盤大臂左右兩側進行焊接修復。我們通過分析及樣塊的模擬安裝發現：在土倉內，受操作空間的限制，焊接作業只能從兩個側面進行無法正面對刀盤進行焊接作業。在345mm的寬度上，焊接兩塊150mm的鋼塊，第一塊可以焊接，而第二塊與第一塊相鄰的部分與刀盤本體間的焊縫無法實施焊接作業。所以，改為采用兩塊100mm厚的鋼塊加中間支撐板；先焊接左、右塊，再焊接中間連接板。這樣既保證了焊接作業的司達性、方便性，也保證了修復體與刀盤本體之間有較高的連接強度。
3．2．2 周邊刀連接螺栓數量的確定
山于刀盤周邊刀安裝基座上的中間一個螺栓連接孔被磨掉1／2，無法對半個螺栓孔進行焊接修復。我們最初決定只用兩端的連接孔進行螺栓連接固定，中間一個不固定。后經我們分析研究認為：如果中間螺栓孔不連接，一是周邊刀與刀盤的連接強度降低了1／3；二是如果該螺栓連接孔不進行封堵，在刀盤旋轉過程中，會有泥沙從孔內通過，且由于該部位位于刀盤邊緣，其線速度較大，容易導致刀盤和刀具的磨損；因此，決定對該螺栓孔進行連接封堵。具體做法是：加工一個帶有內螺紋孔的光套，在原套的位置上與刀盤殘體進行焊接，螺栓與套的內螺紋連接固定。這樣既封堵了刀盤上的孔洞，也提高了周邊刀與刀盤本體的機械連接強度。
3．2．3 增加焊縫高度，以提高修復體與刀盤基體的連接強度
經設備制造商確認：刀盤制作時，周邊刀安裝基座與刀盤本體焊縫高度為3層5mm。修復時們規定了5層8mm焊縫高度。保證了修復質量不低于原制造過程中的焊接強度。
3．2．4 采取多項措施，保證焊接質量
(1)選派經驗豐富、焊接技術高的電焊工進行連續作業；
(2)選用直流電焊機，保證焊接電弧能夠穩定燃燒，以提高焊縫成型質量；
(3)選用J506焊條，焊接前對焊條進行烘干處理，并在焊接作業過程中，用保溫箱對焊條進行保，
溫。從而減少焊縫出現氣孔的可能性；
(4)用砂紙、磨光機對焊接面進行打磨處理，并用丙酮對焊接面進行擦拭，確保焊接面的清潔
從而保證焊縫質量；
(5)嚴格防水措施，確保焊縫質量。
為縮短盾構的停機時間，我們采取了24小時連續作業的方式。作業分成兩班，每班12小時，兩名電焊工在12小時內輪換進行作業。這樣在一周之內，就順利地完成了刀盤的修復工作，并對磨損刀具進行了更換。
4 提高修復精度的工藝措施
由于周邊刀是用3個連接螺栓固定到刀盤上的。因此，焊接作業中如何保證修復體上螺栓孔的定位精度，成為判斷本次修復質量好壞的關鍵。技術人員精心思考、仔細研究，制訂了詳細的施3232藝，并編寫了施Ⅱ藝流程圖，見圖4；并要求電焊工在焊接作業過程中，對稱交叉施焊，確保焊接件受熱均勻，避免工件由于受熱不均而導致移位。由于各項措施制定的具體合理，加上作業人員積極配合，確保了焊接后的定位精度，沒有出現返工現象。在保證質量的同時，也確保了作業進度。
5幾點建議和思考
從本次焊接修復工作中，我們發現和想到了一些問題。
5.1應加強進倉檢查的數次
在開挖面上實施焊接作業，對地層的穩定性有較高的要求。我們停機地層的開挖面很穩定，可以向前超挖出作業空間，如果開挖面土體自穩性差的話，則首先需要對土體進行加固處理，要耗費較長的時間。這就要求我們在今后要及時進倉檢查刀具和刀盤的磨損的情況，并做好檢查記錄。
5．2 刀盤大修工藝規范應盡早制訂
從本次搶修的情況看，刀盤磨損情況較嚴重。在完成下一區間推進TBM出洞時，必須對刀盤進
行大修，而如何修，怎樣保證質量?這些問題我們心中沒底。因此，必須投入—定的人力和財力盡早開展這方面的工作，進行必要的方案研究和試驗，并制定出合理的刀盤修復施工工藝及表面強化處理方案。
5．3 刀具急劇磨損原因的簡要分析
從施工過程分析，刀具及刀盤急劇磨損的情況發生在第500環以后，在500環以前每個工班8h正常一般可以完成4環的掘進，而在500環以后，推進速度明顯減慢。推力、扭矩明顯增大的結果使刀具的磨損加劇；而刀具的磨損加劇，又導致了刀盤扭矩的增大。這兩者之間互為因果，就使情況變得越來越糟。這僅是筆者個人的初淺分析判斷，真正的原因還有待專家綜合施工記錄、施工參數等諸方面的因素進行深入的分析研究，給出一個正確的結論。這里不多贅述。
5．4 關于TBM國產化刀盤材料的選擇
本次修復工作，也給我們TBM的國產化在材料選擇方面提供了有價值的參考。并且由于35#鋼的含碳量較高，硬度也就高，耐磨性就較好；此外，35#鋼的可焊性尚可國產盾構機刀盤可以選用35#鋼做母體材料。
參考文獻
【1】李智誠等．世界常用鋼號手冊，北京：中國物資出版社，1993
【2】吳樹堆 電焊條選用指南．北京：化學工業出版社，1996
