一種新型隧道施工用拱架安裝機(jī)

康寶生

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

在隧道施工中，當(dāng)遇到軟弱巖層時(shí)，需要進(jìn)行拱架安裝支護(hù)，以提高圍巖的穩(wěn)定性，防止塌落。拱架一般采用鋼拱和花拱，配合鋼筋網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。鋼拱一般由I18或I20工字鋼彎制而成，部分采用H型鋼，花拱則由螺紋鋼組成框架形狀組焊而成。在國(guó)外，隧道施工機(jī)械化程度高，拱架安裝機(jī)也得到了比較廣泛的使用。

對(duì)于國(guó)外有關(guān)安裝機(jī)制造使用情況，日本科技刊物有簡(jiǎn)單介紹［1］，法國(guó)、芬蘭、德國(guó)也有廠家生產(chǎn)安裝機(jī)［2］，西班牙有工程使用簡(jiǎn)易安裝機(jī)［3］。

國(guó)內(nèi)隧道修建安裝拱架普遍由人工進(jìn)行，即:借助人工臺(tái)架(該臺(tái)架也普遍用于鉆爆作業(yè)——打炮眼、錨桿等)靠人工將拱架安放于巖層邊上，然后用錨桿固定，依次連接形成環(huán)狀。拱架單件質(zhì)量為100 kg以上，一般每個(gè)勞動(dòng)班組人員為12人或以上，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差、勞動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。因此，急需開(kāi)發(fā)研制一種新型隧道施工用的拱架安裝設(shè)備，進(jìn)行拱架安裝的機(jī)械化操作，實(shí)現(xiàn)隧道施工的機(jī)械化配套作業(yè)。

1 國(guó)內(nèi)外拱架安裝機(jī)研制、使用情況

1.1 國(guó)外研制、使用情況

國(guó)外拱架安裝機(jī)分為輪胎式和履帶式，有的帶銑刨頭(見(jiàn)圖1)、有的兩臂兩籃(或一籃，見(jiàn)圖2)，有的帶混凝土噴射機(jī)械手(見(jiàn)圖3)，有的單臂(見(jiàn)圖4)。有些安裝機(jī)的夾持機(jī)構(gòu)可根據(jù)需要更換吊籃、銑刨頭、沖擊錘等，實(shí)現(xiàn)多工序作業(yè)要求。

國(guó)外也有利用現(xiàn)有設(shè)備改裝的簡(jiǎn)易拱架安裝機(jī)，如圖5所示。據(jù)了解，國(guó)外拱架安裝機(jī)整機(jī)的體積及通用性與我國(guó)國(guó)情不相適應(yīng)，且價(jià)格昂貴，目前還未見(jiàn)國(guó)內(nèi)進(jìn)口使用鋼拱架安裝機(jī)的案例介紹。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

到2008年底，我國(guó)建成鐵路隧道總長(zhǎng)超過(guò)4 200 km，在建鐵路隧道總長(zhǎng)超過(guò)4 700km，即將開(kāi)工和規(guī)劃建設(shè)的隧道總長(zhǎng)超過(guò)5 000 km。預(yù)計(jì)到2012年，我國(guó)建成通車的鐵路隧道的總數(shù)量將突破10 000座，總長(zhǎng)度將突破10 000 km，總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先世界其他國(guó)家鐵路隧道;但是，我國(guó)鐵路軟巖隧道施工的快速修建技術(shù)水平、施工裝備及國(guó)產(chǎn)化剛進(jìn)入隧道施工機(jī)械化初期。主要表現(xiàn)在:以鉆爆法為基礎(chǔ)的機(jī)械化設(shè)備立足于從國(guó)外引進(jìn)，自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的品種少、質(zhì)量較差、故障多、主要技術(shù)性能參數(shù)與鐵路隧道現(xiàn)有施工條件不匹配，因而影響作業(yè)效率，難以在大多數(shù)工程上形成先進(jìn)的機(jī)械化作業(yè)線，制約了全行業(yè)整體技術(shù)的全面發(fā)展和進(jìn)步。

圖5 國(guó)外用汽車吊改裝的拱架安裝機(jī)Fig.5 Steel rib installing machine modified from truck crane in foreign countries

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)隧道施工安裝鋼(花)拱架主要依靠人工，無(wú)論是施工企業(yè)還是設(shè)備生產(chǎn)廠家對(duì)采用機(jī)械進(jìn)行拱架安裝重視程度不夠，沒(méi)有開(kāi)發(fā)研制隧道施工用拱架安裝機(jī)。隧道施工用拱架安裝機(jī)是“長(zhǎng)大隧道鉆爆法快速施工關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究”——隧道施工裝備國(guó)產(chǎn)化研究項(xiàng)目之一。目前，研制處于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，主要參照國(guó)外兩臂一籃結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)造價(jià)較高;采用挖掘機(jī)底盤、單臂單籃拱架安裝機(jī)［4］，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、造價(jià)低的特點(diǎn)，安裝機(jī)樣機(jī)已經(jīng)通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)收。

2 拱架安裝機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研制

拱架安裝機(jī)具有降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)安全性、節(jié)約循環(huán)時(shí)間等特點(diǎn)，可取代人工密集型的鋼拱架安裝，同時(shí)對(duì)今后的施工方式是一種較大的改進(jìn)。我國(guó)鐵路客運(yùn)專線和高速鐵路建設(shè)對(duì)隧道施工機(jī)械化配套要求越來(lái)越高，逐步用拱架安裝機(jī)取代人工臺(tái)架作業(yè)安裝拱架(鋼拱架、花拱架等)已成必然趨勢(shì)。

2.1 國(guó)產(chǎn)化研制的基本思路

總體思路是:把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，由易到難，由單一到綜合，即利用挖掘機(jī)作底盤，將其小臂改造為專用臂，在其末端設(shè)計(jì)一套能實(shí)現(xiàn)六自由度的夾持機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將拱架夾取后到達(dá)任意位置的功能。主要組成部分包括:一套四連桿結(jié)構(gòu)、廻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、輔助作業(yè)平臺(tái)(吊籃)、獨(dú)立精確的液壓控制系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)。

2.2 需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

作為首臺(tái)鋼拱架安裝機(jī)樣機(jī)，既要實(shí)現(xiàn)拱架的安全、快速安裝，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，價(jià)格又要適合國(guó)情，研制的指導(dǎo)思想就是將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。設(shè)計(jì)研制主要考慮以下幾點(diǎn):1)選用一種能適應(yīng)國(guó)內(nèi)鐵路、公路隧道開(kāi)挖面的可移動(dòng)底盤，使之具有廣泛的適應(yīng)性;2)能抓取弧形工件的安全夾具;3)能實(shí)現(xiàn)拱架全方位移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工件的六自由度移動(dòng)、任意位置就位;4)與抓舉系統(tǒng)配合，確保拱架準(zhǔn)確、快速安裝的吊籃系統(tǒng);5)安全的液壓、電氣操控系統(tǒng)。

2.3 主要工作機(jī)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

采用液壓挖掘機(jī)底盤提供穩(wěn)定可靠的平臺(tái)，改造挖掘機(jī)小臂提供運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝基礎(chǔ)，研制其他工作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)、圓周運(yùn)動(dòng)、左右擺動(dòng)以及工件的抓取與夾緊，研制工作吊籃提供工作平臺(tái)。夾持機(jī)構(gòu)包括夾具回轉(zhuǎn)馬達(dá)、開(kāi)合油缸、傾斜油缸，吊籃機(jī)構(gòu)由吊籃回轉(zhuǎn)平臺(tái)、伸縮臂、伸縮油缸、水平油缸、變幅油缸、作業(yè)平臺(tái)等組成;新增控制部分包括液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng);夾具可迅速更換，實(shí)現(xiàn)花拱、工字鋼拱架安裝的切換。安裝機(jī)樣機(jī)主要組成部分見(jiàn)圖6，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖6 安裝機(jī)主要組成部分示意圖Fig.6 Main parts of steel rib installing machine

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of steel rib installing machine

2.4 安裝機(jī)主要組成部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

設(shè)備由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、液壓動(dòng)力單元、液壓控制單元、夾持機(jī)構(gòu)、載人吊籃及其上集中控制單元構(gòu)成。采用國(guó)際知名品牌神鋼挖掘機(jī)底盤和進(jìn)口液壓控制單元，具有使用效率高、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)合理、檢修簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

1)履帶底盤行走機(jī)構(gòu)適用于惡劣的施工環(huán)境。發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)，保證其可靠性能，主要負(fù)責(zé)行進(jìn)功能并提供動(dòng)力源;其后部增加了配重，以平衡機(jī)械抓手抓舉工件時(shí)造成的重力轉(zhuǎn)矩。

2)利用底盤上部中心位置的回轉(zhuǎn)平臺(tái)，安裝大臂和夾持機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)包含大小臂和活動(dòng)抓手，隨回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)。通過(guò)大小臂實(shí)現(xiàn)活動(dòng)抓手的遠(yuǎn)近高低調(diào)整，通過(guò)活動(dòng)抓手的夾具完成工件的抓緊工作，通過(guò)活動(dòng)抓手的回轉(zhuǎn)軸承和擺動(dòng)用油缸實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)等位置調(diào)整。除回轉(zhuǎn)軸承使用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)以外，其余部分運(yùn)動(dòng)均采用油缸驅(qū)動(dòng)。

3)液壓動(dòng)力單元和液壓控制單元為整臺(tái)設(shè)備所有的液壓部件提供動(dòng)力并進(jìn)行控制。主要由油泵、油箱、濾油器、控制閥、操作桿等組成。

4)電氣系統(tǒng)采用集成控制方式，吊籃、夾具各項(xiàng)控制均可在吊籃內(nèi)操作。

5)載人吊籃的升降由一個(gè)三段伸縮的液壓臂控制，安裝在回轉(zhuǎn)平臺(tái)右前側(cè)的回轉(zhuǎn)支撐上，回轉(zhuǎn)支撐負(fù)責(zé)吊籃的左右位置調(diào)整，其上裝有限位裝置，以防止設(shè)備碰撞;吊籃上設(shè)有平衡油缸和自動(dòng)水平儀，負(fù)責(zé)吊籃的平衡調(diào)整，其上的控制單元使安裝操作人員自己進(jìn)行控制自身位置，保證其安全。

拱架安裝機(jī)安裝作業(yè)范圍見(jiàn)圖7，夾持機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖8，吊籃作業(yè)范圍見(jiàn)圖9和圖10。

3 安裝機(jī)的穩(wěn)定性問(wèn)題

工程機(jī)械作業(yè)時(shí)，由于外載荷(切削阻力、土斗重力等)迫使機(jī)械的合成重心移動(dòng)，重力與外力的合力作用線一旦超出機(jī)械在地面的支承底面，機(jī)械將失去穩(wěn)定(縱向或橫向);因此，需要確定合成重心的位置以及由于外部原因所產(chǎn)生的傾覆力與重力的合力作用位置。穩(wěn)定性的計(jì)算方法多采用穩(wěn)定系數(shù)法、傾斜平臺(tái)法、穩(wěn)定度法等。履帶式機(jī)械的穩(wěn)定性計(jì)算包括縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性計(jì)算［5］。

縱向穩(wěn)定性計(jì)算考慮:在水平地段以Ⅰ檔進(jìn)行作業(yè)，在坡道上行駛，牽引力允許的最大穩(wěn)定坡角、附著牽引力允許的最大穩(wěn)定坡角和緊急制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。橫向穩(wěn)定性是為了求出機(jī)器在多大的橫坡時(shí)不傾翻、不滑動(dòng)，以確定機(jī)器的許用坡角。就該機(jī)而言主要考慮:1)安裝機(jī)底盤采用挖裝機(jī)底盤，重新設(shè)計(jì)制作了工作小臂和夾持機(jī)構(gòu)，作業(yè)時(shí)舉升拱架質(zhì)量不足1 000 kg，其使用的舉升力要遠(yuǎn)小于挖掘作業(yè)時(shí)需要的挖掘力;2)增加的作業(yè)吊籃載人(物)不足300 kg，左擺20°、右擺120°，按照右擺考慮其穩(wěn)定性;3)在隧道內(nèi)進(jìn)行拱架安裝時(shí)，履帶式底盤停止不動(dòng)，隧道的縱向坡度不大，橫向坡度也不大。結(jié)論:利用22 t級(jí)挖掘機(jī)底盤制造的拱架安裝機(jī)對(duì)重心偏移影響很小。在樣機(jī)制造過(guò)程中，采用試驗(yàn)法檢驗(yàn)安裝機(jī)的穩(wěn)定性，證明安裝機(jī)樣機(jī)穩(wěn)定可靠。

圖10 吊籃水平作業(yè)范圍俯視圖Fig.10 Horizontal working scope of basket

4 安裝機(jī)樣機(jī)的工業(yè)性試驗(yàn)

安裝機(jī)樣機(jī)出廠驗(yàn)收合格后，在貴廣鐵路三都隧道進(jìn)口和高田頭隧道分別進(jìn)行了鋼拱架和花拱架安裝工業(yè)性試驗(yàn)。

4.1 三都隧道鋼拱(花拱)試驗(yàn)

在三都隧道進(jìn)口共進(jìn)行5次試驗(yàn)作業(yè)，作業(yè)情況見(jiàn)表2。

表2 三都隧道作業(yè)情況Table Commissioning of steel rib installing machine in Sandu tunnel

試驗(yàn)證明:安裝機(jī)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備運(yùn)行良好，性能可靠，提高了拱架安裝的安全性、可靠性及工作效率，節(jié)省了人工，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題:單臂單籃對(duì)于工作面的適應(yīng)性較弱，雖能進(jìn)行全作業(yè)面的覆蓋，但是需要在拱架機(jī)松開(kāi)拱架并轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)身后才可實(shí)現(xiàn);吊籃空間小，載質(zhì)量小;原有的施工方法和流程不符合機(jī)械化施工和安裝機(jī)作業(yè)要求。針對(duì)這些問(wèn)題，專門制訂了《鋼拱架安裝機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)大綱》，以此指導(dǎo)工業(yè)性試驗(yàn)和安裝施工。

4.2 高田頭隧道花拱架試驗(yàn)

三都隧道試驗(yàn)后，在高田頭隧道進(jìn)行了安裝花拱試驗(yàn)。高田頭隧道人工與安裝機(jī)安裝花拱情況見(jiàn)表3。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隧道欠挖、拱腳不平整、格柵拱架的變形對(duì)作業(yè)時(shí)間影響較大，特別是當(dāng)花拱架強(qiáng)度、剛度不足，焊接不牢固，抓舉后撓度過(guò)大時(shí)，會(huì)使拱架安裝困難，作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)。

表3 高田頭隧道花拱安裝對(duì)比Table 3 Comparison and contrast between steel rib installing by had and that by installing machine:case study on Gaotiantou tunnel

5 持續(xù)改進(jìn)、形成批量生產(chǎn)的幾點(diǎn)思考

1)進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化夾持機(jī)構(gòu)，主要解決與掌子面的密貼性。根據(jù)安裝鋼拱架、花拱架的不同要求，可以自由選擇夾持力，實(shí)現(xiàn)對(duì)拱架的靈活加持。

2)借鑒盾構(gòu)管片安裝以及混凝土噴射機(jī)械手操作方式，安裝線控和無(wú)線遙控裝置，操作人員可離開(kāi)駕駛室順利操作，以實(shí)現(xiàn)拱架夾持和安裝更迅速。

3)開(kāi)發(fā)出專用多功能底盤(輪胎、履帶式等)，形成系列產(chǎn)品。如多臂多籃安裝機(jī)，帶銑挖頭、混凝土噴射機(jī)械手的安裝機(jī)。從高田頭隧道安裝花拱架試驗(yàn)可以看出:在大斷面隧道安裝花拱時(shí)，由于拱架撓度大，單臂安裝機(jī)只有1個(gè)抓舉點(diǎn)，不易克服拱架撓度，造成就位困難，增加安裝時(shí)間。此時(shí)若采用多臂(2個(gè)抓舉臂)就能有效解決問(wèn)題。

4)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)專用工作吊籃，增加吊籃載質(zhì)量，使其具備承擔(dān)錨桿、超前導(dǎo)管等作業(yè)以及在吊籃內(nèi)進(jìn)行拱架聯(lián)接焊接作業(yè)等功能(見(jiàn)圖11)。

5)充分開(kāi)發(fā)設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。如可快速更換安裝銑挖頭、破碎錘等，處理掌子面，進(jìn)行非爆破開(kāi)挖作業(yè)等(見(jiàn)圖12)。

拱架安裝機(jī)樣機(jī)見(jiàn)圖13。

圖11 超大的吊籃作業(yè)平臺(tái)Fig.11 Super-large basket working platform

6 結(jié)論與建議

本鋼拱架安裝機(jī)樣機(jī)適用于高速鐵路隧道半斷面或全斷面施工時(shí)鋼拱架安裝;三臺(tái)階施工時(shí)受限條件較多，難以適用;大斷面隧道全斷面施工時(shí)由于花拱剛度差、撓度大，該樣機(jī)只有一個(gè)夾具，抓起花拱后擺動(dòng)、變形大，定位困難。

拱架安裝機(jī)是一種新型拱架安裝設(shè)備，與人工作業(yè)相比具有投入人員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，是隧道施工拱架安裝機(jī)械化發(fā)展趨勢(shì)，值得在隧道施工中加以推廣。

2011年6月12 日拱架安裝機(jī)通過(guò)了工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)收。驗(yàn)收結(jié)論:1)拱架安裝機(jī)采用履帶式挖掘機(jī)底盤，單臂、單籃進(jìn)行鋼拱架安裝，并具有一機(jī)多用功能，是一種新型施工機(jī)械;2)通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)表明，該拱架安裝機(jī)可減少施工人員數(shù)量，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在施工質(zhì)量、效益等方面具有一定優(yōu)勢(shì);3)拱架安裝機(jī)適用于兩臺(tái)階、大斷面隧道拱架安裝。安裝機(jī)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，應(yīng)盡快推廣應(yīng)用。

建議:1)進(jìn)一步改進(jìn)夾持裝置，實(shí)現(xiàn)貼近工作面的快速安裝;2)進(jìn)一步研制系列化產(chǎn)品，拓展拱架安裝機(jī)應(yīng)用范圍。

［1］ 武友，憲重，久保田，等.未固結(jié)地山にぉけゐ超大斷面トソネルの施工［J］.トソネルと地下，2005，36(5):391 －399.

［2］ 法國(guó)曼尼通集團(tuán).MANISCOPIC Equipments［EB/OL］(2009)［2011 －07 －20］http://www.mannitou.com.

［3］ 中鐵隧道集團(tuán)有限公司.貴廣客專隧道施工設(shè)備配套考察報(bào)告［R］.洛陽(yáng):中鐵隧道集團(tuán)有限公司，2008.

［4］ 中鐵隧道集團(tuán)有限公司.隧道施工用拱架安裝機(jī)產(chǎn)品試制報(bào)告［R］.洛陽(yáng):中鐵隧道集團(tuán)有限公司，2011.

［5］ 唐經(jīng)世.工程機(jī)械:下冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1981:117－121.