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(hào)線生產(chǎn)了規(guī)格為?6410 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，土壓平衡盾構(gòu)屬封閉式盾構(gòu)，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，其前端刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)掘削地層土體，切削下來(lái)的土體進(jìn)入土艙，當(dāng)土體充滿土艙時(shí)，其被動(dòng)土壓與掘削面上的土、水壓基本相同，故掘削面實(shí)現(xiàn)平衡(即穩(wěn)定)。這類盾構(gòu)靠螺旋輸送機(jī)將碴土(即掘削棄土)排送至土箱，運(yùn)至地表。由裝在螺旋輸送機(jī)排土口處的滑動(dòng)閘門(mén)或旋轉(zhuǎn)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(zhì)情況，需要設(shè)計(jì)不同形狀、不同開(kāi)口度的刀盤(pán)，刀盤(pán)作為盾構(gòu)機(jī)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(guò)引入專用工裝等措施，有效地保證了刀盤(pán)裝配精度。

1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)組成及工作原理

1.1 刀盤(pán)主要功能

刀盤(pán)具有開(kāi)挖功能：對(duì)掌子面的地層進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖后的渣土順利通過(guò)渣槽，進(jìn)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(duì)土艙內(nèi)的渣土進(jìn)行攪拌，使渣土具有一定的塑性，能通過(guò)螺旋輸送機(jī)來(lái)調(diào)整控制土艙內(nèi)的壓力。

1.2 刀盤(pán)刀具工作原理

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

圖1 刀具布置圖Figure 1 Cutter arrangement

1.3 刀盤(pán)管路及其余附件

1.3.1 刀盤(pán)管路

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

1.3.2 刀盤(pán)其余附件

刀盤(pán)大法蘭處裝有回轉(zhuǎn)接頭[3]，此回轉(zhuǎn)接頭主要用于泡沫、膨潤(rùn)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(dāng)遇到特殊地層時(shí)，需對(duì)局部進(jìn)行擴(kuò)大開(kāi)挖直徑時(shí)，超挖刀在油缸作用下沿徑向伸出對(duì)超挖部分進(jìn)行切削；在90°方向布置有磨損檢測(cè)器，此磨損檢測(cè)器仿照刀具的形式焊接在輻條上，其內(nèi)部通壓力油，當(dāng)?shù)毒吣p到要求值時(shí)，磨損檢測(cè)器與其刀具磨損程度同步并泄壓，反饋給操作人員，提醒進(jìn)行刀具更換。

2 刀盤(pán)裝配難點(diǎn)及攻關(guān)

2.1 刀盤(pán)刀具裝配

2.1.1 刀盤(pán)刀具裝配難點(diǎn)分析

刀盤(pán)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(pán)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(nèi)，最外側(cè)成型刀半徑誤差控制在0～3 mm以內(nèi)。如果安裝無(wú)法滿足圖紙要求，可能會(huì)造成刀具磨損不均勻，在開(kāi)挖地層時(shí)導(dǎo)致部分刀具嚴(yán)重磨損，需提前更換，影響工程進(jìn)度。裝配的難點(diǎn)在于133把刀具要求安裝在刀盤(pán)輻條及面板部位，且要求平面度、位置度一致，由于刀盤(pán)表面為非加工表面，找不到合適的測(cè)量基準(zhǔn)，如果按照傳統(tǒng)打水平及拉尺寸的方法進(jìn)行裝配，勞動(dòng)強(qiáng)度大，周期長(zhǎng)，且很難保證裝配精度。

2.1.2 刀盤(pán)刀具裝配方案

結(jié)合現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)手段，為滿足裝配效率及裝配精度必須設(shè)計(jì)專門(mén)工裝。刀具要準(zhǔn)確定位在刀盤(pán)指定位置處，必須滿足3個(gè)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?，F(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(biāo)即可，以刀盤(pán)的加工表面作為基準(zhǔn)，并要求工藝在增加輔助基準(zhǔn)的前提下提出專用工裝，如圖2所示。

該工裝包括旋轉(zhuǎn)及上下垂直運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方向的自由度，伸縮拉桿用于調(diào)整標(biāo)尺與回轉(zhuǎn)中心的垂直度；調(diào)整頂絲用于調(diào)整回轉(zhuǎn)中心與刀盤(pán)表面的垂直度；升降桿用于調(diào)整不同高差下刀具的水平定位。

該工裝應(yīng)嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行調(diào)整與刀盤(pán)的相對(duì)位置精度：

(1)標(biāo)尺回轉(zhuǎn)一周，測(cè)量標(biāo)尺同一點(diǎn)處與基準(zhǔn)面2的距離，通過(guò)調(diào)整頂絲來(lái)達(dá)到任意位置處此距離相等，從而保證標(biāo)尺回轉(zhuǎn)中心與刀盤(pán)頂面垂直。

(2)工裝旋轉(zhuǎn)一周測(cè)量多處標(biāo)尺L型位置立面與基準(zhǔn)面1的距離，移動(dòng)該工裝回轉(zhuǎn)底座在刀盤(pán)頂面的位置，保證該工裝回轉(zhuǎn)中心與刀盤(pán)中心重合。

(3)測(cè)量標(biāo)尺底部最大位置處與基準(zhǔn)面2及基準(zhǔn)面3的高差距離，通過(guò)調(diào)整伸縮拉桿來(lái)達(dá)到此高差距離為855 mm，從而保證標(biāo)尺與刀盤(pán)頂面平行。專用工裝在刀盤(pán)上的安裝位置如圖3所示。

1—伸縮拉桿 2—標(biāo)尺 3—回轉(zhuǎn)中心座 4—升降桿 5—配重 6—調(diào)整頂絲圖2 刀具焊接專用工裝Figure 2 Special tool of cutter welding1—標(biāo)尺 2—刀盤(pán) 3—升降桿 4—調(diào)整頂絲 5—配重

1—標(biāo)尺 2—刀盤(pán) 3—升降桿 4—調(diào)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(diào)整完成后，將刀座或刀具的測(cè)量點(diǎn)通過(guò)標(biāo)尺定位到刀盤(pán)的坐標(biāo)位置處，標(biāo)尺既可以作為刀具水平的基準(zhǔn)，也可作為其徑向的測(cè)量工具，實(shí)現(xiàn)了所有刀具的精確定位。此工裝的成功應(yīng)用解決了刀具定位的難點(diǎn)，并提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的制作積累了經(jīng)驗(yàn)。

2.2 刀盤(pán)焊接管路組的安裝

2.2.1 刀盤(pán)焊接管路組的特點(diǎn)

刀盤(pán)焊接管路組中，在刀盤(pán)基體輻條垂直表面設(shè)置有4路泡沫/膨潤(rùn)土噴口，刀盤(pán)中間設(shè)置有1路泡沫/膨潤(rùn)土噴口，在刀盤(pán)90°方向設(shè)置有1路磨損檢測(cè)器管路，在0°與180°方向設(shè)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(shè)置好管路與刀盤(pán)基體的安裝順序，會(huì)導(dǎo)致管路滿焊后無(wú)法回裝到刀盤(pán)基體，或者無(wú)法實(shí)施管路對(duì)接處的焊接。刀盤(pán)管路位置如圖4所示。

圖4 刀盤(pán)管路安裝位置圖Figure 4 Mounted location of cutter tube

2.2.2 刀盤(pán)管路附件的安裝

結(jié)合刀盤(pán)基體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照以下順序管理附件，進(jìn)行裝配：

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

(2)預(yù)制支腿內(nèi)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(pán)基體，取出預(yù)制的泡沫管路進(jìn)行滿焊。

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

(5)對(duì)所有管路按圖進(jìn)行壓力試驗(yàn)，保證規(guī)定時(shí)間內(nèi)不泄露。

(6)再次將小法蘭吊離刀盤(pán)基體，將中心背板吊裝到與刀盤(pán)基體對(duì)應(yīng)位置處，進(jìn)行滿焊。

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

3 總結(jié)

作為盾構(gòu)機(jī)核心的部件，根據(jù)不同地質(zhì)形式對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)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(duì)于大多數(shù)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)都適用，只需在標(biāo)尺及底座上做相應(yīng)調(diào)整即可。目前我公司生產(chǎn)的10臺(tái)同規(guī)格土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)已服務(wù)施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用符合各項(xiàng)性能要求，也證明了上述刀盤(pán)裝配方法切實(shí)可行。