高海拔地區(qū)長軸線小斷面隧洞施工機(jī)械的研究

王虎山

（中國水電基礎(chǔ)局有限公司 天津 武清 301700）

1 概況

近十幾年我國基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展，水利水電開發(fā)已從大型流域往小型流域逐漸擴(kuò)展，從而也導(dǎo)致中小型水利水電項(xiàng)目中的小斷面輸水、引水隧洞工程不斷增多。目前市場上沒有完全適應(yīng)小斷面隧洞施工的一整套施工機(jī)械，故導(dǎo)致小斷面施工難度較大，所需用的施工工期較長，往往成為工程的關(guān)鍵線路。

崗色水電站是西藏自治區(qū)重點(diǎn)水利建設(shè)項(xiàng)目，受到高度關(guān)注，它的建設(shè)將對當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。該電站的建成將在推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)地方實(shí)力的增強(qiáng)，改善民生，提升地域影響力，并對國家領(lǐng)土完整、領(lǐng)土安全起到積極的保障作用。

崗色水電站的引水隧洞工程，隧洞斷面為2.9m×3.85m（寬×高），整條隧洞的長度為2.6km，中間無任何的施工支洞，在施工過程中將面臨以下困難：1）開挖斷面較小，洞內(nèi)作業(yè)空間狹窄；2）洞身穿過地層巖性為花崗片麻巖，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高，爆破出渣效果不好；3）沿線山體較厚，局部地段張裂隙發(fā)育，圍巖完整性差；4）在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)未考慮施工實(shí)際情況，沒有合理的設(shè)計(jì)支洞；5）受隧洞斷面尺寸小影響，襯砌時(shí)混凝土澆筑只能逐倉進(jìn)行，最終導(dǎo)致工期保證率大大降低；6）工程地處高原亞寒帶和高原溫帶，具有空氣稀薄、氣溫低、晝夜溫差大、太陽輻射強(qiáng)、風(fēng)大且頻繁、霜凍期長等特點(diǎn)，冬季缺氧可達(dá)50%左右，施工條件較為艱苦，人工及設(shè)備生產(chǎn)效率較低，一般的設(shè)備較難適應(yīng)在這種環(huán)境下的高強(qiáng)度運(yùn)行；7）目前市場上還沒有完全適用于本工程隧洞施工的機(jī)械。

因此，在開挖階段有必要對目前市面上的小斷面施工設(shè)備進(jìn)行選型、組裝方面的研究，以加快施工進(jìn)度。

2 設(shè)備的研究

結(jié)合本工程所在地實(shí)際情況，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，對其中的缺點(diǎn)部分進(jìn)行分析研究論證，適當(dāng)改進(jìn)，滿足完全適應(yīng)小斷面施工的要求，從而提高機(jī)械設(shè)備使用效率。

2.1 現(xiàn)有出渣設(shè)備缺點(diǎn)

①現(xiàn)有扒渣機(jī)存在五個(gè)缺點(diǎn)：一是扒渣機(jī)擺臂水平方向擺動(dòng)存在一定的局限性，扒渣時(shí)存在較多的死角，導(dǎo)致出渣殘留較多，需通過人工輔助來完成；二是由于輸送寬度固定，導(dǎo)致粒徑超過皮帶輸送機(jī)寬度的渣塊，不能被輸送，需通過二次爆破來完成；三是輸送帶由尼龍皮質(zhì)材料制作，其磨損消耗較大；四是龍門架高度固定，導(dǎo)致粒徑超過龍門架高度的渣料不能被輸送；五是扒渣機(jī)為柴油驅(qū)動(dòng)，在洞內(nèi)長時(shí)間出渣時(shí)，尾氣污染空氣較為嚴(yán)重，在本工程高原缺氧的環(huán)境中，易導(dǎo)致施工人員中毒。

②現(xiàn)有運(yùn)渣車輛存在三個(gè)缺點(diǎn)：一是受固定駕駛樓影響，在小斷面隧洞內(nèi)必須通過掉頭來完成運(yùn)輸任務(wù)；二是車體裝渣數(shù)量有限，導(dǎo)致出渣時(shí)間較長；三是由于出渣時(shí)間較長，導(dǎo)致柴油驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸車輛尾氣污染空氣較嚴(yán)重，在高原缺氧的環(huán)境中，不但會(huì)使設(shè)備功率進(jìn)一步降低，而且也易導(dǎo)致施工人員中毒。

2.2 襯砌材料及設(shè)備缺點(diǎn)

現(xiàn)有支模設(shè)備、材料存在缺點(diǎn)是：一是占用空間較大，阻斷洞內(nèi)交通，不能形成多倉同時(shí)澆筑的局面；二是支模時(shí)間較長，致使功效較低；三是使用人力資源較多，導(dǎo)致工程成本較高；四是支模所用材料較多，材料消耗較大，造成施工成本較高；五是由于現(xiàn)有材料、設(shè)備局限，容易出現(xiàn)爆模、漏漿、移位等質(zhì)量問題。

針對以上設(shè)備存在的缺點(diǎn)，結(jié)合工程的實(shí)際對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，從而達(dá)到滿足工程施工需求。

3 設(shè)備改進(jìn)

根據(jù)確定的小斷面隧洞施工機(jī)械改進(jìn)方案，采購材料、元器件等，請專業(yè)人士進(jìn)行機(jī)械改裝。具體改進(jìn)為以下幾點(diǎn)：

3.1 扒渣機(jī)改進(jìn)

扒渣機(jī)改進(jìn)為以下幾點(diǎn)：

①扒渣機(jī)擺臂增加活動(dòng)節(jié)及擺動(dòng)液壓缸。具體改進(jìn)方法是，將第一節(jié)活動(dòng)臂從中間截?cái)?，然后以豎直向焊接加裝可活動(dòng)的銷軸，用銷軸鏈接截?cái)嗟臄[臂，銷軸應(yīng)滿足所有擺臂自重、滿爪渣體重量以及工作時(shí)最大沖擊力強(qiáng)度要求，然后在前臂上用鋼板焊接一個(gè)三角形支架，支架遠(yuǎn)離擺臂部位加裝一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)軸銷，軸銷用于鏈接液壓缸頂桿，在后臂上加裝液壓缸底座鏈接支架，為便于操作，在操作平臺(tái)單獨(dú)加裝一套液壓閥，以實(shí)現(xiàn)對擺臂水平向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行操作。

②皮帶輸送機(jī)兩側(cè)護(hù)板改進(jìn)。將原來以焊接的護(hù)板沿根部與機(jī)架切離，再用市場現(xiàn)有使用于門上的活頁沿機(jī)架均布進(jìn)行鏈接，活頁兩邊分別焊接于機(jī)架和護(hù)板上，為保證護(hù)板的壓緊力，防止細(xì)渣從護(hù)板與輸送帶之間的縫隙掉落于機(jī)體兩側(cè)，在護(hù)板上均布彈簧，使用彈簧力將護(hù)板壓緊于輸送機(jī)傳送帶上。通過活頁及彈簧可實(shí)現(xiàn)護(hù)板的自由張合及與輸送帶的緊密接觸，最終實(shí)現(xiàn)超寬粒徑順利通過。

③輸送帶改進(jìn)。采用并排鏈條來替換尼龍皮質(zhì)輸送帶，在原來的驅(qū)動(dòng)滾筒上，并排焊接鏈齒，通過鏈齒來驅(qū)動(dòng)鏈條。

④龍門架改進(jìn)。將龍門架從根部與機(jī)架鏈接部位切離，在機(jī)架兩側(cè)各焊接一個(gè)槽鋼，槽鋼作為龍門架上下活動(dòng)滑軌，在機(jī)架與龍門架支架兩側(cè)各加裝一個(gè)同型號(hào)液壓缸，兩個(gè)液壓缸進(jìn)出液壓油管采用并聯(lián)方式，由一個(gè)液壓閥控制，從而保證兩個(gè)液壓缸同步動(dòng)作，液壓閥單獨(dú)加轉(zhuǎn)在操作臺(tái)。

⑤柴電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)改進(jìn)。將原來的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行移位，在原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間加裝一個(gè)同功率電動(dòng)機(jī)，為便于鏈接，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸加長，然后在軸兩端分別加裝一個(gè)聯(lián)軸器和一個(gè)離合器，電動(dòng)機(jī)與變速器采用聯(lián)軸器鏈接，電動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用離合器鏈接，離合器的功能主要是，在電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，防止帶動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，從而損壞柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)存在不同的使用功能，在長距離移動(dòng)扒渣機(jī)時(shí)，使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扒渣機(jī)行走，在小距離及扒渣作業(yè)時(shí)，使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3.2 運(yùn)渣車輛改進(jìn)

①駕駛樓改進(jìn)。將駕駛樓與機(jī)架分離，采用轉(zhuǎn)盤將機(jī)架與駕駛樓鏈接，為節(jié)省旋轉(zhuǎn)空間，降駕駛樓改小，大小只容納駕駛員即可。將方向盤傳動(dòng)桿截?cái)啵缓笥萌f向軸進(jìn)行鏈接，方向盤傳動(dòng)桿從轉(zhuǎn)盤中間，垂直向伸進(jìn)駕駛樓，傳動(dòng)桿固定于機(jī)架。由于運(yùn)渣車輛改為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以駕駛樓內(nèi)取消離合器踏板和油門踏板，只保留剎車踏板，為便于駕駛樓旋轉(zhuǎn)，將剎車踏板的連桿傳動(dòng)，改為液壓傳動(dòng)，用高壓鋼絲膠管作為液壓油管。駕駛樓內(nèi)電器不需要改進(jìn)，只需加長線路即可。

②車廂容量改進(jìn)。由于扒渣機(jī)出料口高度有限，在車架及發(fā)動(dòng)功率能夠滿足的情況下，為盡可能增大車廂容量，將車廂底盤盡可能降低，同時(shí)將車廂四周邊幫按照扒渣機(jī)出料口最大高度較高。將上架式彈簧板改為下懸掛式彈簧板，從而降低車廂。車廂邊幫用鋼板角鋼焊接加高。

③動(dòng)力系統(tǒng)改進(jìn)。將原來的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)摘除，改為同功率的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與變速箱采用聯(lián)軸器鏈接，為防止電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)過載損壞，將多級(jí)變速箱改為低、高兩速變速箱，要求車輛起步時(shí)采用低速啟動(dòng)，行駛后采用高速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)使用蓄電池供電，電瓶容量、數(shù)量按照電動(dòng)機(jī)24h用電量計(jì)算，考慮到蓄電池充電時(shí)間較長的因素，則將電瓶組只作為可快速更換式，共準(zhǔn)備為兩套電池組，一組在車輛上供電，一組備用充電。

3.3 襯砌設(shè)備改進(jìn)

用鋼板制作模板表面，其背面先采用角鋼焊接加固，然后再焊接槽鋼進(jìn)一步加固，在槽鋼上焊接伸縮絲杠，在龍門架上焊接可旋轉(zhuǎn)齒輪組，通過該齒輪組可實(shí)現(xiàn)絲杠的伸縮，同時(shí)帶動(dòng)各模板伸縮，從而實(shí)現(xiàn)模板定位及拆模需求。龍門架采用槽鋼焊接制作，龍門架中間空隙高度及寬度能夠滿足小型農(nóng)用車輛通過即可。龍門架底部焊接滾動(dòng)輪，該輪主要為了方面模板整體移倉需要。為方便模板表面涂抹脫模劑，在模板表面每個(gè)一定距離開設(shè)一個(gè)窗口，用鋼板及活頁制作倉門，用來混凝土澆筑時(shí)封堵模板窗口。

4 設(shè)備改進(jìn)后的效果

本次小斷面隧洞施工機(jī)械改進(jìn)完成后，通過整個(gè)工程的施工，達(dá)到以下效果：

（1）豐富了隧洞施工機(jī)械，使其更加適應(yīng)高海拔長軸線小斷面隧洞的施工。

（2）施工效率大大提高，由于改進(jìn)的設(shè)備使用較方便，人工輔助強(qiáng)度大大降低，從而較大限度的發(fā)揮了了機(jī)械設(shè)備高效的特點(diǎn)。如運(yùn)渣車輛，單車運(yùn)渣數(shù)量比原來提高約40%，則整個(gè)出渣時(shí)間降低了30%左右，出渣工效大大提高；倉號(hào)支模工效提高了約50%。因此，改進(jìn)后的小斷面施工設(shè)備，極大地提高了工程施工效率。

（3）人力資源成本大大降低，由于改進(jìn)的設(shè)備較大的克服了人工輔助的缺點(diǎn)，所以極大地降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度及數(shù)量。

（4）物資材料消耗成本降低，物資材料消耗降低主要是改進(jìn)后模板，傳統(tǒng)工藝采用小型鋼模、鋼管架、卡扣、鐵絲等共同完成，由于需經(jīng)常裝拆，導(dǎo)致物資材料成本較高，而改進(jìn)后模板，不需要拆卸，所以，其物資材料消耗成本較低。

（5）有效的解決了崗色水電站小斷面隧洞施工機(jī)械效率低的問題，降低高寒缺氧對機(jī)械及人員的影響，對提高隧洞施工機(jī)械效率，加快施工進(jìn)程，降低施工成本，保質(zhì)保量按期完工起到至關(guān)重要的作用。

5 尚待研究的問題

（1）扒渣機(jī)改進(jìn)研究問題有：一是擺臂上增加的一個(gè)活動(dòng)節(jié)，增加在擺臂的位置更需要研究論證；采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，則電機(jī)布置位置、變速箱位置、電機(jī)功率、齒輪布置位置及強(qiáng)度需要進(jìn)一步研究論證；二是皮帶順?biāo)蜋C(jī)兩側(cè)活動(dòng)護(hù)板鏈接軸位置、強(qiáng)度、沿軸擺動(dòng)角度、不同面護(hù)板如何同步擺動(dòng)等需要進(jìn)一步研究論證。

（2）運(yùn)渣車輛改進(jìn)研究問題有：油門、離合器、剎車、檔位由機(jī)械傳動(dòng)如何改裝成液壓或者電傳動(dòng)，更安全更適合施工，需要進(jìn)一步研究論證。

6 結(jié)束語

通過對高海拔長軸線小斷面隧洞施工的機(jī)械進(jìn)行研討改裝，有效地解決了現(xiàn)有施工機(jī)械和人員在高原功效低下、材料消耗大、成本高等問題，對保證施工進(jìn)度，降低施工成本有一定的幫助，既為施工企業(yè)創(chuàng)造社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，也可以為類似工程施工提供借鑒，從而保證工程的順利進(jìn)行。陜西水利