梁 飛

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)前盾的制作工藝

梁 飛

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

前盾位于盾構(gòu)機(jī)的最前端，其作用是保持開挖面的穩(wěn)定，前盾需要保證任意輪廓直徑尺寸必須相同或者尾部稍小于前部。制作時(shí)需從下料放樣余量、組對(duì)尺寸控制、焊接的順序及電流電壓等方面進(jìn)行控制，最終保證結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到圖紙要求。

盾構(gòu)機(jī)；前盾；制作工藝

1 概述

盾構(gòu)，英文名稱為“Shield Machine”，它是一種用于隧道暗挖施工的筒狀機(jī)械，由金屬外殼、刀盤、出渣系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)及導(dǎo)向系統(tǒng)等部分組成，可以同步完成土體開挖、土渣排運(yùn)、整機(jī)推進(jìn)和管片安裝等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)隧道一次性開挖成型[1]。盾構(gòu)機(jī)是隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，現(xiàn)代盾構(gòu)集機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，所有的主要部件都安裝在盾體的內(nèi)部，盾體由前、中、尾3部分組成[2]，這3大部件均由許多零件焊接而成，體積較大，但是整體尺寸、精度要求較高，因此合理的盾體制作工藝是能否制造出合格盾體的關(guān)鍵。本文以昆明地鐵四號(hào)線375號(hào)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的前盾制作工藝為例，進(jìn)行討論分析。

2 前盾的特點(diǎn)

前盾是由鋼板圍成的筒狀金屬結(jié)構(gòu)，由法蘭、殼體、隔板、中心環(huán)、旋機(jī)座子、錐板、人艙、渣土閘門等部件構(gòu)成[3]，詳見圖1。前盾殼體高度為2 018 mm，殼體直徑為Φ6 410 mm，板厚為60 mm；中心環(huán)高度為625 mm，直徑為Φ3 446 mm，厚度為140 mm；法蘭厚度為70 mm，直徑為Φ6 410 mm/Φ5 520 mm。中心環(huán)與殼體通過隔板進(jìn)行連接，隔板與殼體圓周方向上有很多豎向筋板加固連接，隔板留有螺旋機(jī)孔洞，用來裝螺旋機(jī)座子。所有拼接焊縫均按Ⅰ類探傷要求進(jìn)行探傷。根據(jù)圖紙要求尺寸，前盾整體焊接后要求殼體前端尺寸為Φ6 410+5 mm，后端尺寸為Φ6 410 mm，即殼體任一斷面的直徑尺寸必須相同或者后端尺寸小于前端尺寸，總共的尺寸差不得超過5 mm，也就是殼體直線度≤2.5 mm。中心環(huán)上有35個(gè)Φ24 mm，深度在330～550 mm的油脂孔，以及64個(gè)M60-H6的螺紋孔。

圖1 前盾結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 前盾的制作工藝

通過對(duì)前盾的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定前盾的主要工序：下料→卷圓→組拼→焊接→校正→機(jī)加工。

3.1 下料

根據(jù)前盾焊接完畢后的前大后小尺寸要求，再考慮焊接收縮，因此殼體的下料是最關(guān)鍵的。要達(dá)到焊后尺寸為錐形，必須將殼體放樣下料成錐形，考慮到前盾底部有法蘭，中間有隔板，上口沒有任何部件約束殼體，焊接最容易收縮。所以決定將上口的放樣尺寸定位為 Φ6 420 mm，下口放樣尺寸定位Φ6 412 mm，殼體高度為2 028 mm，預(yù)留10 mm余量，由于鋼板材料限制，殼體分為1/2下料。法蘭是前盾與中盾連接的重要部件，端面需要精加工，法蘭在厚度方向上預(yù)留5 mm加工余量，分4瓣下料。中心環(huán)內(nèi)部是與主驅(qū)動(dòng)精配合面，且中心環(huán)板厚140 mm，考慮到焊接收縮、加工余量以及板材卷制后的拉伸量，所以中心環(huán)板厚方向應(yīng)預(yù)留15 mm余量。

3.2 卷圓

殼體放樣下料為錐形，卷圓時(shí)要制作兩塊樣板，上口樣板尺寸為R 3 210 mm，下口樣板尺寸為R 3 206 mm，樣板長(zhǎng)度≥1 200 mm。卷制過程中用樣板檢驗(yàn)尺寸，必須保證樣板與殼體的間隙≤2 mm。為了保證卷制的精度，在殼體兩端必須焊接壓頭余量，卷制完畢后對(duì)殼體的直線度應(yīng)進(jìn)行火焰校正。

3.3 組拼

為了保證組拼的精度，組拼前將法蘭外徑立車加工至Φ6 420 mm。將法蘭放在平臺(tái)上校平加固，保證法蘭平面度在2 mm以內(nèi)，并找正法蘭的圓心，做永久標(biāo)識(shí)。按照組對(duì)尺寸，將2瓣殼體組拼在法蘭上，保證下口尺寸為 Φ6 412 mm，上口尺寸為Φ6 420 mm，在圓心上固定求心器，掛鋼琴線錘找正殼體圓心。整個(gè)圓周分24點(diǎn)測(cè)量，做好測(cè)量記錄，達(dá)到尺寸要求后，在殼體外壁用工字鋼或者槽鋼對(duì)殼體進(jìn)行加固，減少焊接變形。完畢后對(duì)殼體兩條縱焊縫進(jìn)行焊接，焊接完畢測(cè)量殼體收縮情況，并根據(jù)收縮記錄，用火焰進(jìn)行校正殼體的同心度。殼體焊接完畢后開始組裝筋板、隔板、中心環(huán)等各類筋板，使其形成一個(gè)整體，增加剛性，然后開始全方位焊接。

3.4 焊接

前盾的殼體立焊縫、與法蘭的環(huán)縫、隔板的焊縫為主要焊縫，需要探傷。其余焊縫為角焊縫，但是坡口較大，填充量也較大。必須遵循焊接順序，先焊接立焊縫、再焊接橫焊縫，仰焊縫必須翻身后再進(jìn)行焊接。焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，實(shí)施多層多道焊接，每道焊縫熔寬不超過10 mm，焊工人數(shù)為8個(gè)，分2班連續(xù)對(duì)稱焊接。平焊的焊接工藝參數(shù)：電流I=180～270 A，電壓 U=19～30 V，氣體流量 L=15～25 L/min，焊接速度V=40～60 cm/min，層間溫度≤300℃；立焊縫的焊接電流I=140～160 A。對(duì)于≥40 mm厚的鋼板需要焊前預(yù)熱至100～150℃，后熱溫度200～250℃，保溫2 h。由于焊縫填充量較大，焊后保溫措施必不可少，這樣可以減少裂紋的產(chǎn)生。焊接過程中需要根據(jù)焊縫的位置調(diào)整，有些焊縫需要翻身后才能焊接，在盾體上焊接吊耳，注意翻身必須空翻，不允許工件著地。工件主要焊縫焊接完畢后，開始對(duì)隔板上的附件以及螺旋機(jī)座子進(jìn)行焊接。整體焊接完畢后還需要對(duì)整個(gè)盾體進(jìn)行時(shí)效振動(dòng)，以消除其焊接應(yīng)力。

3.5 校正

前盾整體焊接完畢以后，需要拆除所有加固支撐及定位塊。利用圓心上的求心器測(cè)量出殼體實(shí)際焊接收縮數(shù)據(jù)，測(cè)量點(diǎn)為之前組對(duì)時(shí)的同一位置，測(cè)量區(qū)域從上至下共4層數(shù)據(jù)，要求半徑實(shí)際數(shù)據(jù)在0～+2.5 mm以內(nèi)。由于焊接收縮不一樣，對(duì)于尺寸超差的區(qū)域，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行火焰校正。并遵循火焰校正的原則，采用線狀或點(diǎn)狀加熱方式進(jìn)行校正。加熱圓點(diǎn)的直徑一般為50～90 mm，當(dāng)鋼板厚度和變形區(qū)域較大時(shí)直徑也應(yīng)放大，可按d=（4δ+10）mm（d 為加熱點(diǎn)直徑，δ為鋼板厚度）計(jì)算得出值加熱，烤嘴從超標(biāo)點(diǎn)起做螺旋形移動(dòng)，采用中溫矯正?；鹧嫘ＵY(jié)束后應(yīng)對(duì)盾體進(jìn)行時(shí)效振動(dòng)，以消除焊接和火焰校正產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.6 機(jī)加工

以法蘭面為基準(zhǔn)，等高塊墊起，平放于工作臺(tái)上，以法蘭外圓找正殼體，要求筒體圓度在3 mm以內(nèi)，筒體直徑滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，且軸向三環(huán)最大值與最小值偏差在5 mm以內(nèi)，并在殼體外側(cè)標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)值，確定待加工面加工余量。然后8 m立車加工殼體上口，加工完畢后翻身，以加工后的上口為基準(zhǔn)加工法蘭以及內(nèi)部的中心環(huán)。加工完畢后轉(zhuǎn)數(shù)控落地鏜銑床加工中心環(huán)上的螺孔及深孔，螺孔是連接主驅(qū)動(dòng)的重要孔位，必須采用鉆銑的方式進(jìn)行加工，加工完畢后采用通止規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)，法蘭連接孔可自制鉆孔模子進(jìn)行配鉆。

4 總結(jié)

前盾的關(guān)鍵尺寸是由組對(duì)尺寸及焊接變形來控制的，通過以上的制作工藝，能夠成功將前盾的焊后尺寸嚴(yán)格控制在圖紙要求尺寸內(nèi)，完全滿足各項(xiàng)技術(shù)要求，成功解決了4個(gè)技術(shù)難題：

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接量大的大型圓筒鋼結(jié)構(gòu)件的防變形收縮余量問題；

（2）控制圓筒型鋼結(jié)構(gòu)的殼體任意輪廓直徑尺寸前部稍大于后部；

（3）大型圓筒鋼結(jié)構(gòu)件焊接順序確定的問題；

（4）大型圓筒鋼結(jié)構(gòu)件機(jī)加工基準(zhǔn)確定的問題。

盾構(gòu)機(jī)為新型制作行業(yè)，以上制作工藝對(duì)盾構(gòu)機(jī)盾體的制作有借鑒及指導(dǎo)作用，可用于同類型、不同直徑盾構(gòu)機(jī)及相似圓筒類鋼結(jié)構(gòu)件的制作，具有推廣意義。

[1]陳饋，洪開榮，吳學(xué)松，等.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]吳巧玲.盾構(gòu)構(gòu)造及應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]中國(guó)機(jī)械焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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1672-5387（2017）10-0064-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.10.022

2017-07-21

梁 飛（1988-），男，助理工程師，從事水利水電、風(fēng)電、盾構(gòu)機(jī)制造技術(shù)質(zhì)量管理工作。