一种盾构保护刀具的再制造方法与流程

本发明涉及一种在地铁盾构施工过程中根据刀具实际磨损情况，充分利用废弃刀具和现场资源进行保护刀具的再制造，节约刀具制造的钢材以及合金，延长盾构刀盘周边刀具的使用寿命，有效规避因刀具的严重磨损必须开仓换刀所带来的一系列安全风险的方法，属于土木工程技术领域。

背景技术：

盾构刀盘尺寸如图1所示，刀盘圈直径为A为6250mm，刀盘配置1把或2把最大开挖直径刀具，刀盘设计最大开挖直径B比刀盘圈直径A大30mm。

以ZTE6250型盾构机为例：该机最大开挖直径6280mm，刀盘为辐板式结构，原配置刀具为中心滚刀8把，正面滚刀23把，边缘滚刀8把，其中偏心滚刀4把，切刀64把，贝壳刀14把，边缘刮刀32把，其中左右各16把，保径刀8把，此配置主要应对含有风化泥岩的复合地层。各类刀具的功能及作用如下：

切刀：切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生沿隧道前进方向的轴向推力，和沿刀盘旋转切线方向的径向切削力，在刀盘的转动下，刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。切刀一般适用于砂、砂卵石、粘土等松散体地层。

齿刀：齿刀是先行切削土体的刀具，齿刀又可以分为两个部分，即齿刀刀座和焊接在刀座上的贝壳刀。在齿刀设计中主要考虑与其它刀具的组合协同工作，齿刀比切刀超前布置，先于切刀进行土体切削，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。一般齿刀宽度为60mm，切刀宽度为160mm，齿刀相较于切刀的切削效率较高。采用齿刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低刀盘的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。在软土地层，尤其是砂卵石地层齿刀的使用效果十分明显，适用于单轴饱和抗压强度大于5MPa、小于15MPa的软岩地层刀具。

滚刀：盾构在土质较硬的地层中掘进时，宜采用滚刀破岩。滚刀破岩的原理是刀盘旋转的同时滚刀自转，依靠刀具滚动产生挤压力、剪切力，达到压碎、碾碎岩层的目的。滚刀分单刃、双刃及三刃滚刀，安装于刀盘中心的滚刀为中心滚刀，刀盘正面的为正面滚刀，边缘的为边缘滚刀。

鱼尾刀：安装于刀盘中心，成鱼尾状，高度为450mm，盾构掘进中鱼尾刀先行切入土体，翻转渣土，利于减少刀盘中心结泥饼的风险，同时还可以起到定心作用，也是软岩刀具的一种。

边缘刮刀和保径刀：边缘刮刀的主要作用是清理刀盘外围开挖的渣土，保证开挖直径；保径刀的主要作用是降低刀盘圈外边缘的直接磨损。

盾构掘进过程中依靠刀盘旋转削切土体，此时刀盘不同半径各点的角速度相同，根据线速度与角速度的关系V＝Rω，式中V为刀盘某点的线速度m/s，R为该点的半径，ω为刀盘的角速度rad/s。在砂层中掘进，刀盘转速一般为0.8～1.2rpm，刀盘外径为6.28米，当刀盘转速为1.0rpm时，距刀盘中心0.8米、1.5米、3.14米处刀具的线速度分别为：0.0834、0.157、0.3287m/s；由此可知，若刀盘转速1.0rpm时，刀盘半径3.14米处刀具的线速度为刀盘半径0.8米处刀具线速度的4倍；随着半径的增大，刀具的线速度迅速增大，即外周刀具的运行轨迹远大于内周刀具，决定了外周刀具的磨损速度远大于内周刀具。

盾构在富水的砂卵砾地层、上软下硬、高石英含量的砂砾岩地层中掘进，刀具磨损情况较其他地层条件严重，周边刀具磨损达到12～15mm时，盾构将无法正常推进；若在上软下硬地层，盾构姿态将无法控制且推进困难导致管片破裂严重；若为全断面硬岩地层盾体将被卡住导致无法推进。

盾构施工过程中，施工单位在盾构接收后，一般采用更换磨损较为严重的刀具的方式保证下一阶段盾构施工的正常进行，更换下来的刀具将直接废弃掉，因此经常出现贝壳刀、齿刀、边缘刮刀和保径刀未达到或接近达到报废标准时即被替换掉的情况，刀具的更换会产生经济和进度成本，但如果不及时更换，则会出现在下一个盾构施工过程中因刀具磨损严重而影响施工的工况，如推进困难、姿态难以控制等，此时施工单位只有采用开仓更换刀具的方法，该方法会造成工期延误和较大的经济损失，更为严重的是，在不稳定地层进行带压开仓换刀时存在重大的安全风险及由此带来的环境风险。所以本发明就是针对这一实际情况，在现场将废弃刀具再制造成周边保护刀具，在节约经济成本和进度成本的同时，有效规避了在特定地层中周边保护刀具磨损严重而带来的施工风险。

本发明选取的再制造保护刀具对象为齿刀，齿刀是在砂卵石地层中的常用刀具。齿刀在富水的砂卵砾地层、上软下硬、高石英含量的砂砾岩地层中的磨损情况也比较严重，但逊于周边刀具，齿刀合金高度为50mm，报废标准为剩余合金高度小于25mm，齿刀价格为10284元/个，其中贝壳刀为7114元/个，周边刮刀价格为7196元/个，单个废弃齿刀可制作成1～2个保护刀具，可有效减少周边刮刀和保径刀的磨损，在节约成本的同时降低工程风险。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现场实际情况，提供一种盾构保护刀具再制造的方法。

本发明的工艺步骤如下：

(1)刀具测量、数据记录

盾构过站或转场期间，刀盘拆卸后清洗刀盘、刀具间的渣土，测量刀具的实际尺寸并按刀具编号做好记录，滚刀使用生产厂商提供的模板检测，切刀、贝壳刀使用按新刀制作的自制模板与钢板尺检测其高差，周边刮刀、保径刀使用钢板尺测量剩余合金高度并与新刀比较得出磨损值，整理检测数据，分析刀具磨损原因，测量周边刮刀背部最低处刨除耐磨网格后与刀盘圈的实测间距C(如图2所示)，并测量刀盘圈实际直径并与原设计直径尺寸相比较得出刀盘圈实际磨损量D/2；

(2)再制造保护刀具高度确定

为了提高周边刀具的使用寿命，应保证带有周边保护刀具的刀盘实际开挖直径E大于刀盘设计开挖直径B，即实际开挖直径E比设计开挖直径B增加10～20mm；当管片宽度为1.2m时，未采用保护刀具时理论出土37.1m3/环，当采用保护刀具后超挖土方0.12～0.24m3/环。

此时，如图3所示，再制造保护刀具的高度为H，H的计算公式为

H－再造保护刀具高度；

A－刀盘圈初始直径6250mm；

B－刀盘设计开挖直径6280mm；

C－周边刮刀背部最低处刨除耐磨网格后与刀盘圈的实测间距；

E－带有周边保护刀具的刀盘实际开挖直径6290～6300mm,E＝B+10～20mm；

即再制造保护刀具的高度H等于周边刮刀背部最低处刨除耐磨网格后与刀盘圈的实测间距C、刀盘设计开挖直径与刀盘圈初始直径差值的一半带有周边保护刀具的刀盘圈实际直径与原直径差值的一半带有周边保护刀具的刀盘实际开挖直径与刀盘设计开挖直径差值的一半四项之和。

(3)再制造保护刀具制作

a:选用合金高度低于25mm，大于20mm的齿刀，将贝壳刀从刀座上面刨除下来，刨除时保证原刀座的尺寸精度。

b:齿刀原设计如图4所示，其中上部的贝壳刀刀头由5块合金组成，再制造过程中根据刨下贝壳刀的实际几何尺寸，采用气刨方式沿水平面图5所示x位置刨断，使水平面与贝壳刀的顶部距离与再制造保护刀具高度H相等，再沿垂直方向图5所示y位置刨断成两块,一块长度为170mm，另一块长度为120mm，刨断时应由刀体母材处刨断，不能伤害到合金，以保证刀体合金的原焊接强度，刨切示意三维示意如图6所示。

(4)再造保护刀具的焊接

a：如图9、10所示，再制造保护刀具的焊接在周边刮刀的背部，用气刨方式将保护刀的焊接部位制作V形10×45°坡口，保留原刀体的耐磨层；

b：保护刀焊接时，使用二氧化碳保护焊，焊丝直径1.2mm，电流控制在180～220A，焊缝为V形、高度10mm；

c：焊接过程中保护刀头合金；

d：焊缝经探伤后，发现有气孔、夹渣的缺陷，用碳弧气刨进行刨除。

e：返修的焊缝刨削缺陷后，去除氧化层后重新焊接。

(5)检测验收

刀具焊接完毕后进行检测，若焊缝无夹渣、裂纹且焊缝未伤到保护刀合金，视为焊接合格，履行相应的记录手续后交付使用；若发现焊缝有夹渣、裂纹应刨除夹渣或裂纹处，重新焊接，焊接后再次检测，直到验收合格后交付使用。

当焊缝过高导致刀头合金受伤时，刨除该保护刀，更换新保护刀并重新焊接，重复上述检测验收过程。

本发明的有益效果：

(1)本发明是根据不同区间的地质结构及刀具的磨损情况，利用废弃刀具进行边缘保护刀具的再制造，延长了周边刀具的使用寿命，保证了盾构的顺利掘进，提高了掘进效率，降低了施工成本。

例如，南昌轨道交通一号线土建6标施工过程中，采用本方法在齿刀更换时重复利用齿刀刀座50个，将刨除的贝壳刀制作成为周边刮刀保护刀具，减少更换周边刮刀52把。

刀具配件价格为：贝壳刀7114元、齿刀10284元、周边刮刀7196元。

该项目节约刀具成本为：

齿刀：(10284元－7114元)×50＝18500元

周边刮刀：7196元×52＝374192元

总计：18500元+374192元＝392692元。

南昌地铁一号线项目共9个土建施工标段，本发明在全线推广时预计可节约刀具成本3534228元，在二、三、四号线全线推广预计可节约资金10602684元，具有良好的推广应用价值。

(2)本发明功效高，成本低,充分利用废弃刀具和现场资源进行刀具再制造，节约刀具制造的钢材及合金，有效延长既有刀具的使用寿命。因此本发明有较大的创新和实践意义。

(3)本发明能有效规避因刀具的严重磨损必须开仓换刀所带来的一系列风险,适用于不同规格型号的土压或泥水平衡盾构刀具的保护及再制造，可在现场操作，不需特殊设备，因此有较大的推广价值和产业化前景。如在刀具更换时，增加了周边刮刀的保护刀具，有效保证了刀盘的开挖直径不小于切口环直径6250mm，成功规避了盾构在富水的砂砾地层掘进中因周边刀具磨损严重必须带压开仓换刀的风险及经济损失，通常带压开仓换刀一次约15天，不计停工费用，只人工费用一次不低于30万元；一次带压开仓换刀总费用不低于100万元。

附图说明

图1为盾构刀盘尺寸示意图；

图中：A－刀盘圈初始直径6250mm；B－刀盘设计开挖直径6280mm；

图2为刀盘实测距离示意图；

图中C－周边刮刀背部最低处刨除耐磨网格后与刀盘圈的实测间距；

图3为再制造保护刀具高度计算示意图；

图中：H－再造保护刀具高度；A－刀盘圈初始直径6250mm；B－刀盘设计开挖直径6280mm；C－周边刮刀背部最低处刨除耐磨网格后与刀盘圈的实测间距；E-带有周边保护刀具的刀盘实际开挖直径6290～6300mm,E＝B+10～20mm；

图4-1为齿刀设计立面图；图中：a－贝壳刀刀头长度；

图4-2为图4-1中1-1剖面图；图中：b－贝壳刀刀头宽度；

图4-3为图4-1中2-2剖面图；

图中：a－贝壳刀刀头长度，b－贝壳刀刀头宽度；

图5为刨切示意图，

图中：H－再造保护刀具高度；a－贝壳刀刀头长度296mm；c－再制造保护刀具长度，一般为170mm；d－再制造保护刀具长度，一般为120mm；x-水平线；y-垂直线；

图6为三维刨切示意图；图中：x-水平线；y-垂直线；

图7为再制造保护刀具1示意图，

图中：H－再造保护刀具高度；c－再制造保护刀具长度，一般为170mm；

图8为再制造保护刀具2示意图，d－再制造保护刀具长度，一般为120mm；

图9为保护刀安装立面图；

图中：1-周边刮刀；2-再制造保护刀；图中：a-焊缝；b-焊缝；c-焊缝；

图10为保护刀安装三维示意图,图中：1-周边刮刀；2-再制造保护刀；c-焊缝；

图11为实例中一号机刀具配置图；

图中：1-正面齿刀；2-周边刮刀；3-偏心齿刀；4-中心齿刀；

图12为实例中二号机刀具配置图；

图中：1-正面齿刀；2-周边刮刀；3-偏心齿刀；4-中心齿刀。

具体实施方式

实施例

本方法在南昌轨道交通1号线土建六标的成功应用，用于本工程的盾构机由中国铁建重工集团有限公司生产，型号ZTE6250，开挖直径6280mm，刀盘为辐板式结构。

如图11和12所示，刀盘采用的齿刀包括正面齿刀、周边刮刀、偏心齿刀、中心齿刀；刀具生产厂供货皆为整体供货。在实际使用中刀座磨损很少，可多次重复使用。为此在施工刀具更换时将磨损的贝壳刀刨除，在原刀座重新焊接新的贝壳刀。

⑴彭家桥站～师大南路站区间的刀具磨损情况

盾构完成彭家桥站～师大南路站区间661米掘进后清洗刀盘、刀具间的渣土，测量刀具实际尺寸，齿刀平均磨损量为20mm，其中齿刀剩余合金高度不足25mm的需进行更换22把；齿刀剩余合金高度大于25mm的13把齿刀继续保留使用，更换下的22把齿刀作为再制造保护刀具的备选材料。

周边刮刀磨损情况为：在前一施工区间过程中，未使用保护刀具时，周边刮刀平均磨损量为8mm，其中12把周边刮刀崩裂损坏，将磨损量超过8mm以及已损坏刀具进行更换，8把磨损不足8mm且合金完好的周边刮刀继续使用。

测得周边刮刀背部最低处刨除耐磨网格后与刀盘圈的实测间距C为50mm，由于刀盘圈周边焊接耐磨复合板，刀盘圈掘进661m没有磨损，因此D＝0。

(2)再制造保护刀具高度确定

采用再制造保护刀具，盾构刀盘在下一区间段施工的实际开挖直径、刀盘设计开挖直径分别为6290～6300mm、6280mm，实际开挖直径比设计开挖直径增加10～20mm,保证带有周边保护刀具的刀盘实际开挖直径大于刀盘设计开挖直径。

此时，确定再制造保护刀具的高度H，H的计算公式为

即H＝70～75mm，

(3)再制造保护刀具制作

选择剩余合金高度不低于20mm的报废齿刀制作保护刀具，共增加8把保护刀具。将贝壳刀从刀座上面刨除下来，刨除时保证原刀座的尺寸精度，其中上部的贝壳刀刀头由5块合金组成，再制造过程中根据刨下贝壳刀的实际几何尺寸，采用气刨方式沿水平面位置刨断，使水平面与贝壳刀的顶部距离与再制造保护刀具高度H相等，再沿垂直方向刨断成两块,一块长度为170mm，另一块长度为120mm，刨断时应由刀体母材处刨断，不能伤害到合金，以保证刀体合金的原焊接强度，此外刀头的高度比周边刮刀高出约5～8mm，相当于的周边刮刀直径为6270～6275mm；为提高周边刮刀、切刀背部的耐磨性，在其背部焊接耐磨网格；在边缘齿刀内侧补焊一把合金高度不低于20mm的废贝壳刀进一步提高其使用寿命。

(4)再造保护刀具的焊接

a：将再制造保护刀具的焊接在周边刮刀的背部，用气刨方式将保护刀的焊接部位制作V形10×45°坡口，保留原刀体的耐磨层；

b：保护刀焊接时，使用二氧化碳保护焊，焊丝直径1.2mm，电流控制在180～220A，焊缝为V形、高度10mm；

c：焊接过程中保护刀头合金；

(5)检测验收

刀具焊接完毕后进行检测，焊缝无夹渣、裂纹且焊缝未伤到保护刀合金，视为焊接合格。

(6)再制造保护刀具使用效果

添加再制造保护刀具的盾构机经过师大南路站～丁公路北站施工并顺利接收后，下部的保护刀具磨损后磨块较为完好，与下部其保护的周边刮刀高度基本相同，在保护刀具的保护下,下部周边刮刀合金的平均磨损量为3mm，无崩裂损坏现象发生。该区间的盾构掘进顺利进行以及周边刀具的实际磨损情况均说明再制造保护刀具收到了很好的使用效果。