盾构机刀盘堆焊技术研究

盾构机刀盘堆焊技术研究

北京地区地层中含有大量的砂砾和卵石，地铁盾构施工时盾构机刀具受到高应力下的磨粒磨损和冲击作用，损耗严重。进口刀具仅能掘进250米左右，这不仅增加了地铁施工成本，影响了施工进程，还增加了因刀具更换次数过多而带来的塌方隐患。盾构机刀盘堆焊在此过程中发挥着重要作用，北京固本科技从刀具的堆焊修复着手开展了盾构机刀具强化研究，开发了KB999系列堆焊药芯焊丝。KB999系列焊丝所制堆焊层硬度在HRC51以上，堆焊时无需对刀体进行预热和焊后热处理，堆焊层无裂纹。通过冲击实验和磨粒磨损实验，考察了堆焊层的硬度、组织及其磨粒磨损性能，实验结果表明堆焊层具有优异的耐磨耐冲击性能。通过合理的堆焊层设计，强化的盾构机刀具达到掘进780余米的使用寿命。

盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法，具有安全高效、对地面干扰小等优点，是当前城市隧道建设的最佳选择。2001年7月北京地铁五号线盾构试验段进行始发掘进，这是北京地区首次将盾构施工法引入地铁隧道建设。在北京市科委的大力资助下，通过对盾构机刀具、刀盘的详细失效分析，研发了刀具、刀盘修复专用系列堆焊焊丝和耐磨复合钢板，有效解决了刀具刀盘的磨损问题，大幅提高了刀具寿命。

1 北京地区地质特征及盾构机刀具失效原因。

北京市地处永定河洪冲积扇的中上部[1]，地层中含有大量的砂卵石（见图1），而且一般级配良好，含砂率在25％ ～40％之间[2]，盾构机在此地层中施工远比在砂性土层中施工困难。地铁隧道施工时，盾构机刀具受到强烈的冲击和高应力的磨粒磨损，这是造成刀具迅速失效的主要原因[3]。图2为刀具的失效形貌图，可见刀具的失效主要是刃口上镶嵌的硬质合金的脱落和折断。刀具作为盾构机的主要损耗件之一，全部依赖进口，不但造价昂贵，运输耗时、耗资，对地铁施工的进程造成了很大的影响,而且频繁更换刀具使得开仓次数增加，加大了塌方危险发生的可能性。因此，开展盾构机刀具、刀盘的修复研究，显得尤为必要。

1 北京地区地层渣土 2盾构机刀具失效形貌

图3盾构刀具不同失效部位的SEM分析

表1 盾构刀具磨损特性分类表

刀具部位 内侧本体 外侧本体 外侧球齿

刃口 磨损性质 犁沟式磨粒磨损 犁沟磨损+碾压磨损 犁沟磨损+塌陷

北京固本科技通过对进口盾构刀具在砂卵石地层的磨损特点分析，我们得出的结论是：盾构刀具在砂卵石地层施工中，主要的失效形式为：冲击破坏、犁沟式磨粒磨损和碾压磨损。由此，我们开成功开发了盾构机刀具专用耐磨堆焊丝和耐磨复合钢板。

2 KB999系列药芯焊丝及其性能 2.1 KB999系列药芯焊丝

KB999系列焊丝是针对盾构机刀具修复开发的一种堆焊药芯焊丝，直径为1.6mm，采用CO2气体保护焊或者自保护焊（无需保护气体）。KB999系列焊丝具有良好的焊接工艺性能，堆焊层焊态硬度可达58～64HRC，堆焊层裂纹倾向小，而且可以满足盾构机刀具现场修复时苛刻的施焊要求：难以进行焊前预热和焊后热处理、施焊空间狭小、通风条件差等。

堆焊试样所用的试板为Q235钢板，尺寸为100×200×10mm，堆焊层数为三层，层间温度控制在150℃以下。

2.2 KB999系列药芯焊丝熔敷金属的组织 由盾构机刀具的工况可知，刀具既要具备较高的硬度以抵御高应力的磨粒磨损，又要有足够的韧性来吸收砂卵石的冲击。所以选择Fe-Cr-Ni-Nb- Mo等元素组成的合金系设计了KB999系列堆焊药芯焊丝。堆焊层冲击前后的组织见图3。可见堆焊层为断续网状的奥氏体（白色）与低碳马氏体（细针状）的混合组织，冲击后堆焊层的组织得到一定的细化，马氏体组织明显增加。

4 3.5Kg铅球1m自由落体冲击10次前的组织

随着冲击次数的增加，堆焊层的耐磨粒磨损性能逐步提高。堆焊层受冲击后，一方面其显微组织中的部分残余奥氏体转变为马氏体，另一方面显微组织得到一定的细化[4]，堆焊层表面位错增加，使得冲击后堆焊层的硬度增加，耐磨粒磨损性能提高。

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