土壓平衡盾構機刀盤裝配難點解析

莫 森

(太原重工股份有限公司，山西030024)

我公司為太原地鐵2號線生產了規(guī)格為?6410 mm的土壓平衡盾構機，土壓平衡盾構屬封閉式盾構，盾構推進時，其前端刀盤旋轉掘削地層土體，切削下來的土體進入土艙，當土體充滿土艙時，其被動土壓與掘削面上的土、水壓基本相同，故掘削面實現(xiàn)平衡(即穩(wěn)定)。這類盾構靠螺旋輸送機將碴土(即掘削棄土)排送至土箱，運至地表。由裝在螺旋輸送機排土口處的滑動閘門或旋轉漏斗控制出土量，確保掘削面穩(wěn)定。根據(jù)不同地區(qū)的地質情況，需要設計不同形狀、不同開口度的刀盤，刀盤作為盾構機的核心部件，裝配精度直接影響其磨損情況及使用壽命[1]。

本文通過引入專用工裝等措施，有效地保證了刀盤裝配精度。

1 土壓平衡盾構機刀盤組成及工作原理

1.1 刀盤主要功能

刀盤具有開挖功能：對掌子面的地層進行開挖，開挖后的渣土順利通過渣槽，進入土艙。

穩(wěn)定功能：支撐掌子面，具有穩(wěn)定掌子面的功能。

攪拌功能：對土艙內的渣土進行攪拌，使渣土具有一定的塑性，能通過螺旋輸送機來調整控制土艙內的壓力。

1.2 刀盤刀具工作原理

對于不同地層的開挖，采用不同型式的盾構刀具[2]：開挖地層為硬巖時，采用盤形滾刀；地層為較軟巖石時，采用齒刀；地層為軟土或破碎軟巖時，可采用切刀(或刮刀)。太原地鐵項目主要采用切刀與刮刀組合的方式對地層進行開挖，刀盤上面布置有各種方向角度切刀78把、貝殼刀48把、魚尾中心刀1把、橫向保徑刀6把，刀具布置見圖1。其按照坐標位置與平面度及刀具間的相對位置關系直接影響刀具的使用壽命，因此保證所有刀具能達到圖紙裝配精度要求是刀盤裝配的難點。

圖1 刀具布置圖Figure 1 Cutter arrangement

1.3 刀盤管路及其余附件

1.3.1 刀盤管路

刀盤基體輻條垂直表面設置有4路泡沫/膨潤土噴口，刀盤中間設置有1路泡沫/膨潤土噴口，在刀盤90°方向設置有1路磨損檢測器管路，在0°與180°方向設置有4路超挖刀管路。在刀盤開挖地層時，為了防止管路損壞，所有管路全部要求暗裝在刀盤基體的輻條內部，要求在裝配時必須將部分管路在焊接刀盤基體時進行預裝。由于后期管路布置時，需緊貼基體并有多處折彎，在管路布置與其余附件裝配時，必須提前規(guī)劃，管路與其余附件交叉進行才能完成最終裝配。

1.3.2 刀盤其余附件

刀盤大法蘭處裝有回轉接頭[3]，此回轉接頭主要用于泡沫、膨潤土、壓力油的分配；在0°、180°處各布置1把超挖刀，其主要作用是當遇到特殊地層時，需對局部進行擴大開挖直徑時，超挖刀在油缸作用下沿徑向伸出對超挖部分進行切削；在90°方向布置有磨損檢測器，此磨損檢測器仿照刀具的形式焊接在輻條上，其內部通壓力油，當?shù)毒吣p到要求值時，磨損檢測器與其刀具磨損程度同步并泄壓，反饋給操作人員，提醒進行刀具更換。

2 刀盤裝配難點及攻關

2.1 刀盤刀具裝配

2.1.1 刀盤刀具裝配難點分析

刀盤上共有各種刀具133把，所有刀具或刀具座全部焊接在?6410 mm刀盤的毛坯管面上，裝配高度方向誤差和半徑方向誤差要求控制在±3 mm以內，最外側成型刀半徑誤差控制在0～3 mm以內。如果安裝無法滿足圖紙要求，可能會造成刀具磨損不均勻，在開挖地層時導致部分刀具嚴重磨損，需提前更換，影響工程進度。裝配的難點在于133把刀具要求安裝在刀盤輻條及面板部位，且要求平面度、位置度一致，由于刀盤表面為非加工表面，找不到合適的測量基準，如果按照傳統(tǒng)打水平及拉尺寸的方法進行裝配，勞動強度大，周期長，且很難保證裝配精度。

2.1.2 刀盤刀具裝配方案

結合現(xiàn)有的測量技術手段，為滿足裝配效率及裝配精度必須設計專門工裝。刀具要準確定位在刀盤指定位置處，必須滿足3個方向的尺寸要求，即高度方向要求、徑向尺寸要求、角度方向要求。現(xiàn)角度方向已經(jīng)由輻條的位置決定，只需控制刀具的高度位置及徑向坐標即可，以刀盤的加工表面作為基準，并要求工藝在增加輔助基準的前提下提出專用工裝，如圖2所示。

該工裝包括旋轉及上下垂直運動兩個方向的自由度，伸縮拉桿用于調整標尺與回轉中心的垂直度；調整頂絲用于調整回轉中心與刀盤表面的垂直度；升降桿用于調整不同高差下刀具的水平定位。

該工裝應嚴格按照以下步驟進行調整與刀盤的相對位置精度：

(1)標尺回轉一周，測量標尺同一點處與基準面2的距離，通過調整頂絲來達到任意位置處此距離相等，從而保證標尺回轉中心與刀盤頂面垂直。

(2)工裝旋轉一周測量多處標尺L型位置立面與基準面1的距離，移動該工裝回轉底座在刀盤頂面的位置，保證該工裝回轉中心與刀盤中心重合。

(3)測量標尺底部最大位置處與基準面2及基準面3的高差距離，通過調整伸縮拉桿來達到此高差距離為855 mm，從而保證標尺與刀盤頂面平行。專用工裝在刀盤上的安裝位置如圖3所示。

1—伸縮拉桿 2—標尺 3—回轉中心座 4—升降桿 5—配重 6—調整頂絲圖2 刀具焊接專用工裝Figure 2 Special tool of cutter welding1—標尺 2—刀盤 3—升降桿 4—調整頂絲 5—配重

1—標尺 2—刀盤 3—升降桿 4—調整頂絲 5—配重圖3 專用工裝安裝位置圖Figure 3 Mounted location of special tool

該工裝調整完成后，將刀座或刀具的測量點通過標尺定位到刀盤的坐標位置處，標尺既可以作為刀具水平的基準，也可作為其徑向的測量工具，實現(xiàn)了所有刀具的精確定位。此工裝的成功應用解決了刀具定位的難點，并提高了生產效率，降低了勞動強度，為盾構機刀盤的制作積累了經(jīng)驗。

2.2 刀盤焊接管路組的安裝

2.2.1 刀盤焊接管路組的特點

刀盤焊接管路組中，在刀盤基體輻條垂直表面設置有4路泡沫/膨潤土噴口，刀盤中間設置有1路泡沫/膨潤土噴口，在刀盤90°方向設置有1路磨損檢測器管路，在0°與180°方向設置有4路超挖刀液壓管路，管路數(shù)量較多，均為隱蔽安裝，且安裝管路中由軟管與硬管交叉排布，如不設置好管路與刀盤基體的安裝順序，會導致管路滿焊后無法回裝到刀盤基體，或者無法實施管路對接處的焊接。刀盤管路位置如圖4所示。

圖4 刀盤管路安裝位置圖Figure 4 Mounted location of cutter tube

2.2.2 刀盤管路附件的安裝

結合刀盤基體的結構特點，按照以下順序管理附件，進行裝配：

(1)將小法蘭吊裝到與刀盤基體對應位置處，輔助定位泡沫管路(注意其方向要正確)。

(2)預制支腿內部泡沫管路，包括中心蓋板及小法蘭上的泡沫管路。

(3)將小法蘭吊離刀盤基體，取出預制的泡沫管路進行滿焊。

(4)管路滿焊完成后，置于對應位置，再次將小法蘭吊裝到與刀盤基體輔助定位管路，定位完成后，將泡沫管路接頭處進行焊接。

(5)對所有管路按圖進行壓力試驗，保證規(guī)定時間內不泄露。

(6)再次將小法蘭吊離刀盤基體，將中心背板吊裝到與刀盤基體對應位置處，進行滿焊。

(7)最后再將小法蘭吊裝到刀盤基體上，翻身一次進行滿焊，焊接完成后，對焊接部位進行檢測。按照此裝配順序方可將所有管路及刀盤基體其余部件安裝到位，且能保證裝配精度[4]。

3 總結

作為盾構機核心的部件，根據(jù)不同地質形式對刀盤結構形式有不同的要求，安裝方法也不盡相同，但以上工裝及管路附件對于大多數(shù)的土壓平衡盾構機都適用，只需在標尺及底座上做相應調整即可。目前我公司生產的10臺同規(guī)格土壓平衡式盾構機已服務施工現(xiàn)場，經(jīng)現(xiàn)場使用符合各項性能要求，也證明了上述刀盤裝配方法切實可行。