超大直径盾构常压刀盘制造工艺研究

王 旭，赵慧芳，谷建军，武胜圈

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

1 项目背景

大连地铁5 号线梭鱼湾南站至火车站站区间是该条地铁的控制性工程，区间长3 317.044m，单洞双线设计，地质条件极其复杂，需穿越超大溶洞群，是盾构法施工中技术难度和风险最大的工程之一。针对该项目量身定制了“海宏号”配备常压换刀刀盘的超大直径泥水平衡盾构，设备总长158m，整备质量2 840t，开挖直径12.26m，其中常刀换刀刀盘总重量超400t。

类似工程还有汕头海湾隧道工程，全长3 047.5m，采用开挖直径15.03m 的盾构施工，该盾构总长130m，整备质量4 600t，其中常压换刀刀盘总重量超过570t；深圳春风隧道工程，隧道全长4 820m，采用开挖直径15.8m 的“春风号”盾构施工，该盾构总长135m，整备质量4 800t，其中常压换刀刀盘总质量超过600t[1]。

以上工程中所用的盾构均配备了常压换刀刀盘。刀盘是隧道施工中最核心的部件，对隧道的开挖效率及质量有重大影响，也起到了对施工人员的保护作用。据不完全统计，隧道施工过程中因刀盘产生的停机率约占总停机率的50%以上。

2 工艺路线

考虑到刀盘整体尺寸超宽、总质量较大，公路运输难度大，所以常压刀盘在工厂制造时被分为7 部分，包含1 个中心块、6 个边块，中心块单重约110t，边块单重约30～50t。以上7 部分需要在工厂内制作完成，然后分别发运至工地，再组装、焊接成整体，最终装配至盾构主机上。

刀盘在工厂制造时，先将中心块、边块结构件单独铆焊，完成后分别去应力处理，再对中心块进行机加工，以完成结构件主体制造；然后将中心块、边块整体组装在一起，进行滚刀焊接座、切刀焊接痤、耐磨部件的铆焊，铆焊过程中根据起重能力需对刀盘进行拆解并翻身，此过程主要完成各刀具接口部件的铆焊；刀盘拆解后，开展常压换刀装置的安装与测试工作、管路的安装与测试工作；然后进行刀盘整体拼装、检测、涂装；最后拆解刀盘，并与盾构整机进行总装。

刀盘在工地组装时，需在合适的承重地面上进行。先进行各主结构的拼装与调整，需重点保证各刀具尺寸要求，然后进行焊接。焊接完后需再次核对各刀具尺寸，然后进行再次涂装，最后下井与盾构主机总装。

3 铆焊前准备

3.1 原材料质量控制

常压刀盘的母材材质主要是Q345R 厚钢板，钢板需满足GB 713《锅炉和压力容器用钢板》要求[2]。采购的钢材应进行抽样检测，检验内容依据GB 713 进行，包括化学成分和机械性能检验。检验结果需与供方提供的材质证明书及GB 713 进行比对，以保证原材料质量。

3.2 焊接工艺评定

根据ISO 15614 焊接工艺评定标准的相关规定，开展了对常压刀盘母材进行焊接工艺评定实验。实验时需注意根据常压刀盘中实际应用的钢板厚度，选取合适的实验板厚，以确保能够以最少的实验板材，覆盖刀盘中所有的钢板厚度。同时还应注意按等强匹配的原则，选取合适型号的焊材。

实验板材焊接完成后，按标准进行了各项机械性能的测试，测试结果满足标准要求。

3.3 钢板下料及坡口制备

常压刀盘的原材料大部分为板厚大于40mm的厚钢板，需采用数控火焰切割机下料。下料前制定了主要零件的工艺尺寸，以减小下料过程对零件自身尺寸的影响，抵消焊接收缩产生的影响。

切割下料完成后采用切割机器人或者半自动小车进行坡口制备，需重点保证坡口角度及钝边尺寸。坡口制备完成后需按图纸及下料工艺要对所有零件进行检测，以确保尺寸合格。

4 刀盘制造关键技术

4.1 边块、中心块铆焊

边块、中心块结构为半封闭箱形结构，该类型结构属不稳定结构，易发生较大焊接变形。所以边块铆焊过程的控制重点是大圆环半径、总高度、开口处尺寸。为提高效率，6 个边块与1 个中心块的主结构需分别制造。

组对前需在平台上放地样线，其中对大圆环半径适当放量5～10mm。组对过程中需在结构内部预制工艺支撑，保证总高度符合设计公差要求。组对完成后需在结构开口处设置X 形工艺支撑，以有效减小角变形。

焊接过程按照焊接工艺规程严格执行，焊接顺序按照先焊接立焊缝，再焊接横焊缝的顺序进行。对于要求全熔透的焊缝，需先焊接坡口较深的一侧，然后在坡口较浅的一侧清根并焊接。焊接完成后消除应力处理。

4.2 刀具焊接座铆焊

刀具焊接座铆焊前需准备组合型焊接平台，平台尺寸与刀盘总尺寸相当，平台平面度2mm 以内。检测刀具焊接座机加工质量，主要包括尺寸检查与粗糙度检查。将边块与中心块整体组装在一起，检测平面度、高度、大圆环半径并调整。安装刀具定位工装，调平并对正中心。

刀具焊接座分为常压滚刀焊接座，常压切刀焊接座，普通刮刀焊接座3 种。组装常压滚刀焊接座及常压切刀焊接座时，需预先安装好刀具仿形装置并确认其安装尺寸，然后采用刀具定位工装定位。刀具焊接座定位过程必须精准，误差尽可能小。所有刀具焊接座定位完成后，需采用有效的测量方法测量所有刀具的尺寸，确认无误后才能进入焊接工序。对测量仪器的校准是保证测量结果可靠性的重要手段。

滚刀焊接座焊接时应采用较小的焊接规范，采用多层多道焊焊接，焊道宽度应尽量窄，以减小热输入，减小焊接变形；焊前的预热是十分有必要的，但应保持均匀，以利于应力的均匀释放。

4.3 工地焊接

刀盘启运前需确认工地资源配备情况，包括吊装能力，地面承重能力，电力、气体的供应，应急措施等。刀盘到达工地后可立即开展刀盘整体组装、调整工作，主要调整内容包括各刀具平面度、半径和开挖直径。刀盘整体组装时，需考虑边块与中心块对接焊缝的焊接收缩，需对边块上的刀具半径适当放量，以保证焊后刀具尺寸符合要求。

组装调整完成后需静置一段时间，以消除地面沉降对平面度的影响。然后采用2 种测量方法测量所有刀具的尺寸，确认无误后才能进入焊接工序。

刀盘工地焊接在临时厂房中进行。焊接过程按照焊接工艺规程严格执行，焊接顺序按照先焊接立焊缝，再焊接横焊缝的顺序进行。

5 结论

1）采用合理的焊接顺序及有效的工艺支撑，可以有效控制边块、中心块的焊接变形，可以实现边块与中心块顺利对接；通过精确的工装、有效的测量手段及合适的焊接收缩余量，刀盘刀具的尺寸可以得到保证。

2）通过对∅12.26～15.8m 常压刀盘的制造实践，对常压刀盘制造工艺过程进行了深入的研究与验证，解决了相关制造工艺难点，为超大直径盾构常压刀盘的制造提供了参考。