浅谈TBM、盾构刀盘修复焊接技术      

浅谈TBM、盾构刀盘修复焊接技术      

唐山

中隧股份有限公司 河南郑州 450003

摘要本文通过青海引大济湟引水总干渠引水隧洞维尔特TB 593 E/TS双护盾TBM施工中对刀盘的改造过程中的焊接技术相关要求及经验，浅谈TBM刀盘改造、修复中的焊接技术要求及注意事项。同时理论联系实践经念，提出刀盘焊接技术要求及注意事项，为类似施工提供借鉴。

关键词  TBM  刀盘修复焊接技术

0引言

随着我国经济建设、社会的发展、人民生活水平质量的要求提高，长大铁路、公路、引水、城市地铁等隧道越来越多，特长、大断面、地质条件复杂的隧道难度越来越大，对安全、环保、质量、进度的要求也越来越高，采用TBM掘进施工是解决此类问题的有效手段。

实施过程受地质影响，个别项目需要刀盘进行改造、维护。实施过程也存在对焊接质量、使用认识、保护刀盘意识淡薄等，造成刀盘焊缝开裂、磨损。先后中天山项目、西安地铁、引红济石、青海引大济湟等项目，需要对刀盘进行修复或改造。根据本项目现场特点结合类似项目对刀盘的焊接，总结相关经验。本文以本项目改造焊接为例分析，总结工艺原理及焊接要求为类似工程提供借鉴。

1 工程简介

“引大济湟”调水总干渠工程位于大通县境内宝库河牛场至孔家梁之间的纳拉，由引水隧洞（K3+000～K24+165）、出口明渠段（K24+165～K24+711）及施工通风竖井深325m组成(K9+820)。引水隧洞出口工程隧洞全长21165米，其中出口钻爆段长263米，TBM拆卸洞25m，TBM施工段长20877米。本工程采用知名厂家生产的全新双护盾TBM进行掘进施工。

2 TBM刀盘改造接原因

2.1适应设备改造

本项目受区间地质条件影响，TBM在掘进中多次盾体被卡，从2008年4月至2010年7月，期间盾体被困达十次。

不良地质段围岩破碎，地下水丰富，砾石高岭土化严重。TBM掘进过程中，受围岩变形，速率快，坍塌严重，并有泥水混合物涌出，TBM无法快速通过，随时间延长受坍塌体、地质收敛围岩挤压等被卡。

专家评价结论，青海引大济湟调水总干渠引水隧洞工程的地质条件复杂程度和施工难度在国内外已建和在建的TBM施工水工隧洞项目中十分罕见，也无可借鉴的成功经验。

为确保剩余施工洞段顺利通过，结合地质条件及施工单位理论与实践经念总结，提出：需对该TBM进行适应性设备升级改造。

2.2刀盘磨损

2.2.1磨损原因

掘进中刀盘结构旋转范围内只与松散碎石接触，异常情况下出现超设计磨损，掘进中我们认真分析、检查，避免刀盘非正常磨损。造成刀盘异常磨损与刀具磨损、围岩强度、石英含量高、括板磨损过标、转速等原因。掘进中最为重要的是保证刀盘开挖净空、刀具升出量及碎碴的清理。无论是面板或侧板磨损，磨损量超过设计要求时需要刀盘进行维护，再则，磨损量直接影响焊接厚度，焊缝质量下降易出现裂缝，也必须进行刀盘修复。

2.2.2刮板影响

影响刮板的安装质量有：刮板螺栓等级、型号、紧固，刮板座磨损、清理、变形等。使用过程中刮板磨损后刀盘内碎碴体无法清理干净，刀盘旋转过程中结构直接与碴体摩擦，造成结构磨损。由此可见刮板的磨损量直接关系刀盘结构的磨损，异常时应及时采取措施。

3 TBM刀盘修复

3.1材料选择及特性

3.1.1钢板的特性

本项目刀盘钢材原设计选用为Q345C型钢，考虑与原设计材质相匹配改造刀盘时同样选用Q345C型，此钢属于低合金高强度结构钢的一种，在20度常温中冲击，广泛适用于低温，Q345C钢在焊接冷却过程中，受热影响容易形成淬火组织－马氏体，使在焊接区域内的硬度提高，塑性下降，结果易导致焊接后发生裂纹，主要是冷裂纹。

3.1.2焊材的选择

焊接方式选择：一般采用手焊接与二氧化碳气体保护焊，打底焊接采用手工焊接，其他焊接为保证良好的焊接性能一般都采用二氧化碳气体保护焊,焊丝选用与线材强度、韧性要兼顾。

由于Q345C钢的冷裂纹倾向较大，应选用低氢型的焊接材料，同时考虑到焊接接着应与母材等强度的原则，可选用J506C型焊丝或焊条，该焊材一般用于焊接中碳钢或某些重要的低合金钢结构，具有焊缝成型美观、电弧稳定性好、飞溅小，脱碴易，熔深适中等优点，在焊缝金属时具有良好的抗裂性能，可适用于交流或直流反接。

3.2焊接环境要求

焊接环境影响焊接质量，焊接时创造良好的焊接环境，保持焊接场地的空气质量、温度、风速、防潮等措施。当出现不良条件影响焊接质量时，应停止焊接作业，在措施落实后不因环境影响焊接质量时继续焊接作业。

3.3焊接技术

3.3.1焊接顺序：

坡口处理→坡口清理（碳弧气刨氧化铁或其他残留杂质）→点焊定位→预热→施焊→药皮、杂质清除→层间检测→再施焊→自检、专检→焊后热处理→无损检验（焊缝质量合格）。

3.3.2相关焊接技术要求：

先进行焊接工艺试验，根据焊接工艺评定报告结果制度技术交底。对引进的材料检查满足技术要求；对工具、设备的检查，确认一切能满足正常焊接前提条件，还需有一定预备应急措施；试块的制作与正式焊接条件一样，焊接人员原则选用试块制作人员，不易在中途任意更换，确实需要进行人员变更时，还需重新进行试块焊接，试验达到合格要求后才可进行正式焊接作业。

坡口角度可控制到45度左右；坡口角度完成后需要对焊接部位进行认真清理，杂质、油脂必须清理干净，保证焊接面干净、干燥，还需有一定的保护空间；在满足以上条件后对钢板进行定位，采用点焊方式进行临时固定，检查定位尺寸满足要求后（±3mm）再进行定位焊缝，间距可达100~150m；由于Q345C钢的Ceq〉0.45%，在焊接应进行预热，预热温度T0=100℃~150℃；长距离焊接时需采用间段焊接，焊接高度控制5mm左右，宽度不能超过15mm，在开始下一个焊道之前，前一道焊道必须全部完成（如有必要请打磨或用刷子清理）；焊后进行热处理为降低焊接残余应力，减少焊缝中的氢含量，改善焊缝的金属组织和性能；热处理（预热和后热），如果所有连接部位都良好并已作好热处理准备，开始焊接前预热（温度约100-150），准备一些保温措施，尽可能保持温度也是必须的，这就意味不仅在焊接过程中要保持温度，焊接完后也要保持温度，让温度慢速降低，降温速度不超过150℃/2h。

3.3.3焊接检查

焊接检查主要分为过程中的检查、焊接完成后的检查焊接检查。为及时发现焊缝里的裂纹，就有必要在焊接过程中检查焊缝，第一步在最初3个焊道后进行，焊缝长度方向至少20%需作渗透检测（探伤）。另外在每一道焊道完成后，都必须进行自我检查，看有无缺陷（未熔合、气孔等）。焊接完成后还要进一步进行全面无损检测，检查结果满足技术要求后才可算是焊接结束。

4结论及建议

由于TBM在掘进中主要用于长距离隧道中使用，在洞内作业时间长、环境条件差，对刀盘磨损有直接影响；坍塌地段碴量增加，无法及时有效清理，留置在刀盘内，旋转过程中磨损刀盘，设备改造时为适应相关条件，对刀盘进行必要的改进。TBM在掘进过程中只能减少刀盘磨损，才能保证刀盘使用寿命。本文介绍的设备升级改造中双护盾TBM刀盘改造，不良环境、技术问题及注意事项，理念经合实践进行总结，为刀盘在以后的工程中组装、维修提供类似情况借鉴，当然出现刀盘损坏的原因还很多，需要大家在以后的工作中慢慢分析总结。

5参考文献

[1]邹积波,朱华锋. 盾构机刀盘的应急修复[J]. 工程机械与维修,2003(6):95-96.

[2] 中铁隧道局集团有限公司,盾构及掘进技术国家重点实验室. TBM刀盘刮板维修方法:CN201810204570.0[P]. 2018-08-21.

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