一種面向變斷面洞室開挖的安全保護(hù)臺(tái)車設(shè)計(jì)

潘福營(yíng)，張興彬，殷 康，龔振如，杜 藏

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761；2.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南 洛寧471700）

1 引言

自21世紀(jì)以來(lái)，鉆爆法因其具有經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，越來(lái)越多的在公路、鐵路、水電等工程領(lǐng)域的隧洞開挖過程中得到廣泛應(yīng)用[1]。雖然鑿巖臺(tái)車配氣動(dòng)鑿巖機(jī)開挖工法[2]具有方便快速、高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，且目前已成為隧洞開挖施工的主流方法，但是該工法存在諸如施工人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、鉆進(jìn)速度慢等缺點(diǎn)[3]。然而，具備防護(hù)功能的隧洞開挖支護(hù)設(shè)備—盾構(gòu)機(jī)，其價(jià)格高昂、設(shè)備龐大，且一般是為某一固定斷面如高鐵、地鐵等工程而設(shè)計(jì)，不適用于抽水蓄能電站變斷面的隧洞開挖。因此，目前國(guó)內(nèi)外在抽水蓄能電站中小型洞室開挖過程中仍主要采用鉆爆法進(jìn)行開挖，同時(shí)隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)安全文明施工要求的提高，鉆爆法需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

目前，針對(duì)抽水蓄能電站中小型變斷面隧洞開挖工程，國(guó)內(nèi)尚無(wú)較合適的具備一定防護(hù)功能的鑿巖臺(tái)車產(chǎn)品。因此，本文基于圍巖松動(dòng)圈理論[4]和“新奧法”支護(hù)原理[5]提出了一種具備安全防護(hù)功能和工作平臺(tái)的鑿巖臺(tái)車，該臺(tái)車對(duì)施工作業(yè)人員具有一定的安全保護(hù)能力，同時(shí)具備自主移動(dòng)功能，以及性價(jià)比高、操作方便的特點(diǎn)。實(shí)踐表明該鑿巖臺(tái)車可應(yīng)用于我國(guó)抽水蓄能電站及常規(guī)水電站隧洞開挖工程，同時(shí)也可推廣至礦山、公路、鐵路等工程建設(shè)領(lǐng)域。

2 結(jié)構(gòu)組成

本鑿巖安全保護(hù)臺(tái)車的主要部件和附件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：

（1）頂防護(hù)架總成：頂板和邊板各分為2塊，采用折疊伸縮式設(shè)置，頂板之間及邊板之間用螺栓連接，采用鉸接機(jī)構(gòu)，用于伸板和收板，如圖1中的部件1。下部通過支撐液壓頂連接于門架，頂板架體由3根縱梁和多根橫梁及立柱組成，立柱采用立式垂直防護(hù)箱型液壓支柱，固定于門架支柱上方，如圖2中上部所示。

（2）門架及工作防護(hù)平臺(tái)系統(tǒng)：門架是整個(gè)安全保護(hù)臺(tái)車的承重部件，它主要由橫梁、立柱、縱梁等組成，連接部位通過螺栓連接而成，同時(shí)各個(gè)橫梁、立柱以及縱梁之間又通過連接梁、斜拉桿和剪刀架等結(jié)構(gòu)來(lái)提高門架的整體剛性和強(qiáng)度。在臺(tái)車門架的左右兩側(cè)，分別布置有上下2層可升降的工作防護(hù)平臺(tái)，平臺(tái)外側(cè)設(shè)置安全保護(hù)圍欄，如圖2所示。

（3）主行走機(jī)構(gòu)：臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)由2個(gè)主動(dòng)行走機(jī)構(gòu)組成。行走機(jī)構(gòu)與門架底梁相連接，主動(dòng)輪及其架體如圖1中的部件8和13所示。

圖1 臺(tái)車側(cè)面結(jié)構(gòu)圖

圖2 臺(tái)車門架內(nèi)部通道側(cè)面圖

（4）液壓動(dòng)力系統(tǒng)：臺(tái)車的液壓動(dòng)力系統(tǒng)主要通過三位四通手動(dòng)換向閥進(jìn)行換向動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)液壓油缸的伸縮功能。左右側(cè)板的油缸分別采用兩聯(lián)換向閥來(lái)控制兩側(cè)水平油缸的伸縮動(dòng)作，4個(gè)豎向油缸則共用1個(gè)換向閥來(lái)控制換向動(dòng)作。

（5）電氣系統(tǒng)：臺(tái)車的電氣系統(tǒng)主要用于臺(tái)車的啟動(dòng)、停止以及正反方向的前后運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)也為液壓系統(tǒng)提供必要的動(dòng)力。

3 臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 防護(hù)頂板設(shè)計(jì)與計(jì)算

頂部弧形板按照雙鉸耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)針對(duì)其最大正負(fù)彎矩區(qū)域采用加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)，弧形面板部分按照四邊支撐的假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。防護(hù)頂板支撐面板的計(jì)算載荷q主要由設(shè)計(jì)上部荷載、允許超挖部分載荷、局部過大超挖部分載荷以及防護(hù)面板的自重等組成，其可寫成如下形式：

其中，q-面板計(jì)算載荷，單位為kgf/m2；q0-防護(hù)板的自重，根據(jù)初選面板的厚度進(jìn)行計(jì)算；q1-設(shè)計(jì)上部載荷，q1=γh，γ- 土石的容重，為 2500kgf/m3，h-設(shè)計(jì)開挖的厚度，等于1m；q2-允許超挖部分的載荷，其值為500kgf/m2（按允許0.2～0.3m計(jì)算）；q3-局部過大超挖部分的載荷（不包括允許超挖部分）為1.5m。

采用上式計(jì)算設(shè)計(jì)情況I（頂拱開挖完成時(shí)）時(shí)的頂板載荷值為q1+q2+q3=7657kgf/m2，弧形板的載荷為q0+q1+q2=5762kgf/m2。臺(tái)車面板厚度δ的計(jì)算則可通過表1計(jì)算得出。

表1 面板厚度δ的強(qiáng)度撓度驗(yàn)算計(jì)算表

根據(jù)表1進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明采用厚度δ=12mm鋼板做面板時(shí)效果更好。

3.2 弧形面板內(nèi)部支撐計(jì)算

頂板兩側(cè)的弧形面板采用A3δ12鋼板，寬度尺寸為200mm，加強(qiáng)筋采用75mm×75mm×6mm的角鋼，中心距大小為260mm。各截面組合內(nèi)力的計(jì)算參照雙鉸等截面直墻圓拱鋼架梁內(nèi)力計(jì)算公式[6]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

弧板內(nèi)部支撐截面選擇則采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

M=q'L2/8

表2 不同角度下鋼拱梁各截面組合內(nèi)力計(jì)算值（該表內(nèi)力均以1m計(jì)）

σ=M/WX≤[σ]

fmax=5q'L4/384EIx≤1/250

其中，q'-表示作用在支撐角鋼上的線載荷，且q'=q·a；L-表示支撐角鋼的計(jì)算跨度，取值1.5m；a-表示支撐角鋼的間距，取值280mm；Wx，Ix-分別表示對(duì)X軸的截面抵抗力矩及截面慣性矩。梁?jiǎn)卧淖畲笞冃瘟?，即模板的最大位移為?/p>

fmax=5×2.25×104×1.54/（384×2.1×1011×3.02×10-6）=0.0023m=2.3mm

因此可以看出，整個(gè)模板的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

表3 弧板內(nèi)部支撐截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

弧板內(nèi)部支撐截面的內(nèi)力同樣滿足要求，如表3中的計(jì)算結(jié)果所示，截面應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，因此，整個(gè)弧板內(nèi)部支撐強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種具備一定人員防護(hù)和自主移動(dòng)功能的變斷面洞室開挖鑿巖臺(tái)車。并且基于圍巖松動(dòng)圈等理論對(duì)該臺(tái)車的防護(hù)罩和鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度和內(nèi)力支撐等方面進(jìn)行了受力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該鑿巖臺(tái)車能夠滿足抽水蓄能電站等中小型變斷面隧洞開挖工作的強(qiáng)度要求，該鑿巖臺(tái)車技術(shù)可在抽水蓄能電站及常規(guī)水電站、礦山、鐵路、公路等隧洞開挖作業(yè)中得到較好地應(yīng)用推廣。