新型隧道支護(hù)作業(yè)設(shè)備鋼拱架安裝臺(tái)車的研究及應(yīng)用

倪平利

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

1 鋼拱架安裝臺(tái)車的研究背景及意義

國內(nèi)鐵路、公路隧道以鉆爆法施工為主，立鋼拱架是隧道支護(hù)作業(yè)的一道關(guān)鍵工序。鋼拱架安裝臺(tái)車主要用于鐵路、公路隧道內(nèi)鋼拱架（工字鋼拱架、H 型鋼拱架、鋼格柵拱架）的安裝，可輔助實(shí)現(xiàn)安裝錨網(wǎng)錨桿、裝藥、欠挖處理、隧道檢測(cè)、排險(xiǎn)等作業(yè)。鋼拱架安裝臺(tái)車的研究及推廣應(yīng)用，將會(huì)在鐵路、公路隧道鋼拱架施工作業(yè)中真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，保證鋼拱架安裝的安全和質(zhì)量，同時(shí)起到減少勞動(dòng)力、有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度、預(yù)防隧道職業(yè)病的作用,對(duì)提高我國隧道施工技術(shù)整體水平具有重要意義。

1.1 隧道施工需求大背景分析

中國提出“一帶一路”全球性的倡議，基礎(chǔ)建設(shè)配套設(shè)施必將會(huì)有持久性的需求；國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的繼續(xù)大力投入和城際快速通道的加快開發(fā)方興未艾；西部大開發(fā)的不斷深入，新建鐵路、公路網(wǎng)近期將不斷增加；我國各地區(qū)多種地質(zhì)條件決定了各類隧道的建設(shè)將會(huì)越來越多；國家安全環(huán)保節(jié)能相關(guān)法律法規(guī)的要求。

1.2 隧道施工工法變革需求背景分析

隧道施工市場對(duì)隧道施工技術(shù)提出了越來越高的要求；廣泛采用的傳統(tǒng)的人工開挖的成本逐年攀升，職業(yè)病、安全質(zhì)量事故頻發(fā)；圍繞傳統(tǒng)鉆爆法隧道施工的機(jī)械設(shè)備面臨升級(jí)換代并國產(chǎn)化的變革需求；響應(yīng)國家大力推行“隧道施工機(jī)械化”號(hào)召，中鐵、中交、中建等“中”字頭單位對(duì)提高隧道施工機(jī)械化水平、加快隧道施工全面機(jī)械化已明確地提出了具體要求。

1.3 隧道鋼拱架安裝車在國內(nèi)外應(yīng)用情況

在20 世紀(jì)80年代起，在歐洲、日本已經(jīng)作為專業(yè)配套隧道施工設(shè)備。

截至目前，國外進(jìn)口鋼拱架安裝臺(tái)車設(shè)備在中國隧道施工中沒有推廣應(yīng)用，國內(nèi)個(gè)別單位研發(fā)的拱架安裝臺(tái)車還處于初步的試用階段。

國內(nèi)已經(jīng)有對(duì)挖機(jī)、裝載機(jī)進(jìn)行改造作為鋼拱架安裝的施工設(shè)備，但是施工效率仍然較低，應(yīng)用效果不好。

2 新型拱架臺(tái)車的研究

2.1 國內(nèi)外拱架臺(tái)車現(xiàn)狀

圖1 芬蘭NORMET UTILIFT 2000

芬蘭NORMET UTILIFT 2000 四臂鋼拱架安裝臺(tái)車：4 輪驅(qū)動(dòng)，剛性重載底盤，2個(gè)拱架安裝臂，2個(gè)作業(yè)平臺(tái)臂。（見圖1）

圖2 中國鐵建重工的SCD112

中國鐵建重工的SCD112 隧道多功能作業(yè)車：4 輪驅(qū)動(dòng)，剛性重載底盤，2個(gè)拱架安裝臂，1 至2個(gè)作業(yè)平臺(tái)臂。（見圖2）

圖3 北京新能正源環(huán)境科技有限公司JC3B1250

北京新能正源環(huán)境科技有限公司：多功能三臂拱架安裝臺(tái)車JC3B1250；履帶行走底盤，三臂拱架安裝，三臂作業(yè)平臺(tái)。（見圖3）

2.2 拱架安裝臺(tái)車技術(shù)狀況

進(jìn)口拱架安裝臺(tái)車：以NORMET UTILIFT 2000為代表的進(jìn)口拱架安裝臺(tái)車，2 根抓臂+2個(gè)工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，輪式自行走方式，抓臂底座滑架式，在國外（主要是在歐洲）嚴(yán)格的現(xiàn)場工藝規(guī)范下能順利地進(jìn)行鋼拱架的安裝；在國內(nèi)，由于鐵路隧道、公路隧道的工況條件已發(fā)生很大變化，很難適應(yīng)，因而在國內(nèi)應(yīng)用少，推廣面不大。

國產(chǎn)拱架安裝臺(tái)車：其代表機(jī)型主要為兩個(gè)廠家，一是鐵建重工SCD112A，該款機(jī)型主要技術(shù)來源是在NORMET UTILIFT 2000 基礎(chǔ)上做了局部改進(jìn)和提高。另一個(gè)是北京新能正源環(huán)境科技有限公司JC3B1250，3 根抓臂+3個(gè)工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、液壓操作，履帶式自行走方式，抓臂底座采用固定擺動(dòng)式，行駛速度2.8km/h，立拱過程需6個(gè)人靠近拱頂和掌子面，適應(yīng)于大截面的隧道拱架安裝。

2.3 新型拱架安裝臺(tái)車的研發(fā)

2.3.1 整車外觀

圖4 輪式工程底盤+三臂的總體結(jié)構(gòu)

2.3.2 新型拱架安裝臺(tái)車的技術(shù)特點(diǎn)

2.3.2.1 整機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)

整機(jī)采用正T 型結(jié)構(gòu)全工程底盤，四輪驅(qū)動(dòng)；三臂全回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，展臂收臂靈活，國內(nèi)首創(chuàng)，已獲國家發(fā)明專利；整機(jī)模擬工況下最優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，重心位置佳、通過性好、抗傾覆性強(qiáng)。

2.3.2.2 動(dòng)力及行駛性能優(yōu)越

采用雙動(dòng)力系統(tǒng)，滿足全工況下拱架安裝施工要求；最大時(shí)速20km/h，爬坡度30%，隧道進(jìn)場、山路轉(zhuǎn)場輕松快速；離地間隙450mm，接近角、離去角20°，行駛通過性優(yōu)越。

2.3.2.3 作業(yè)功能多用途、幅域大、效率高

滿足鐵路、公路隧道鋼拱架（工字鋼拱架、H 型鋼拱架、鋼格柵拱架）安裝；具備安裝錨網(wǎng)、錨桿、裝藥、欠挖處理、隧道檢測(cè)排險(xiǎn)等輔助作業(yè)功能；拱架機(jī)械手可加裝工作吊籃，三工作臂可單獨(dú)或平行作業(yè)；拱架機(jī)械手可近地面抓取，快捷裝夾；拱架機(jī)械手電比例控制，能夠靈活、精準(zhǔn)、快速實(shí)現(xiàn)對(duì)拱架的安裝；單臂機(jī)械手最大夾持重量1t，作業(yè)高度可達(dá)12.8m（目前國內(nèi)最高）；工作平臺(tái)機(jī)械手額定荷載500kg，平臺(tái)面積1.2mx1.6m。

2.3.2.4 操作、維護(hù)、保養(yǎng)方便

雙無線遙控器操作，工作平臺(tái)獨(dú)立操控盒，三臂機(jī)械手獨(dú)立控制，同時(shí)工作；操作手柄、按鈕、操作位置符合操控習(xí)慣，人機(jī)交互流暢；設(shè)備儀表位置明顯，能方便有效監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；整機(jī)布置合理，維護(hù)保養(yǎng)、檢修空間大，便于操作；配置旋轉(zhuǎn)駕駛室，操作人員操作舒適，視野開闊。

2.3.2.5 專注安全、環(huán)保、節(jié)能

控制系統(tǒng)：

（1）采用低壓控制系統(tǒng)。

（2）配置倒車警示燈、機(jī)械手作業(yè)指示燈。

（3）機(jī)械臂回轉(zhuǎn)安全限位。

（4）整車實(shí)時(shí)全景監(jiān)控。

行車制動(dòng)采用雙回路液壓制動(dòng)，安全可靠；機(jī)械手、平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平設(shè)計(jì)，作業(yè)平穩(wěn)；國Ⅲ電噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油經(jīng)濟(jì)性好，廢氣排放低；IE3 高效三相交流異步電機(jī)，高效節(jié)能，低噪音。

3 XZGT311 拱架安裝臺(tái)車應(yīng)用推廣情況

3.1 截至目前推廣應(yīng)用的鐵路公路線路

鐵路線：鄭萬高鐵線、成蘭高鐵線、牡佳客運(yùn)專線。

公路線：貴黃高速、綿九高速、理小環(huán)線。

3.2 設(shè)備實(shí)際使用情況

（1）顯著優(yōu)點(diǎn)

滿足鐵路公路隧道所有拱架（I 字鋼、H 型鋼、格柵）的安裝施工；滿足全斷面及臺(tái)階法開挖工法；極大降低勞動(dòng)強(qiáng)度；有效降低臺(tái)班人數(shù)（與人工立架可減少4 至6人）；極大提高作業(yè)安全性。

（2）急需優(yōu)化改進(jìn)方向

與人工立架全過程（含立架、焊連接筋、掛網(wǎng)片）比較，工作效率沒有顯著提高，重點(diǎn)放在提高焊接連接筋和掛網(wǎng)片的工作效率上；安裝拱架過程中快速處理拱面缺陷的工具缺失，影響整體安裝工作效率；操控性能的穩(wěn)定性。

4 新型拱架安裝臺(tái)車的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，國內(nèi)鐵路、公路隧道拱架安裝臺(tái)車的發(fā)展趨勢(shì)分析結(jié)果：更傾向于輪式自行走方式，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)；抓臂、工作平臺(tái)臂更靈活、快速反應(yīng)，操作性好，安裝工作效率高；隧道施工的適應(yīng)性更強(qiáng)（隧道截面的變化、開挖方式的變化等）；能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能，多功能輔助作業(yè)；更多節(jié)能減排、低碳環(huán)保、減震降噪、安全保護(hù)等技術(shù)的應(yīng)用；維護(hù)檢修更方便；智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)無人操作。

總之，穩(wěn)定可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用、易操作性、易維護(hù)性、高安全性、環(huán)保降噪、智能化程度高的新型拱架安裝臺(tái)車是未來技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。