邊坡支護可移動專業(yè)施工平臺研發(fā)及工程應用研究

何少云，劉傳軍，孫海東，劉建新

（1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 264400；2.中國葛洲壩集團股份有限公司，湖北省宜昌市 430000）

0 引言

抽水蓄能電站邊坡開挖支護工程量巨大，邊坡支護常采用扣件式腳手架作為施工作業(yè)平臺，腳手架作業(yè)平臺搭拆耗時長、用材多，日常檢查、維護任務工作量大，且施工作業(yè)安全風險高，極易發(fā)生安全事故[1-12]。為提高邊坡支護施工安全和效率，降低施工成本，在文登抽水蓄能電站開展了邊坡支護移動施工作業(yè)平臺研究。

1 工程概況

山東文登抽水蓄能電站位于山東省威海市文登區(qū)界石鎮(zhèn)境內(nèi)，樞紐建筑包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及地面開關(guān)站等。電站設計安裝6臺單機容量300MW的可逆式水泵水輪機組，總裝機容量1800MW，設計年發(fā)電量27.101億kWh，年抽水用電量36.135億kWh。上下水庫邊坡主要包括環(huán)庫公路、庫盆、進出水口等部位開挖邊坡，最大高度約40m，邊坡采用分層開挖，高度10～15m。土質(zhì)坡比一般為1：1.5，采用TBS或網(wǎng)格梁支護；巖質(zhì)邊坡坡比一般為1：0.7～1：1.0，采用錨桿+噴射混凝土或錨索+網(wǎng)格梁支護。當前文登抽水蓄能電站正處于土建高峰期，上、下水庫及場內(nèi)道路邊坡支護工程量大、難度大，統(tǒng)一邊坡支護平臺標準，降低施工作業(yè)風險，加快邊坡支護效率，降低施工成本具有深遠意義。

2 可移動施工作業(yè)平臺研發(fā)背景

抽水蓄能電站邊坡多采用分層開挖，一般具有以下特點：高度大，坡比和支護形式多樣，立體交叉作業(yè)多，支護腳手架使用時間短，攤銷費用高，腳手架結(jié)構(gòu)設計、施工及運行工況復雜。當前，國內(nèi)水電市場專業(yè)架子工用工緊缺，人員技能參差不齊；架子管等材料普遍采用租賃方式，質(zhì)量良莠不齊，造成邊坡支護腳手架搭設效率低，同時存在較大安全質(zhì)量隱患。近年來，從各抽水蓄能電站兩次安全檢查統(tǒng)計情況看，腳手架安全通病約占37%，由于腳手架坍塌或高處墜落造成的人身安全事故屢有發(fā)生。

當前，高處作業(yè)平臺已在國內(nèi)外市政、交通等行業(yè)工程得到較好應用。為提高抽水蓄能電站邊坡支護施工效率和安全保障水平，研發(fā)適用于抽水蓄能電站邊坡特點的移動支護平臺迫在眉睫。

3 邊坡支護移動施工作業(yè)平臺設計

3.1 邊坡支護移動施工平臺穩(wěn)定計算

起升載荷：按照最高工作狀態(tài)起升2.5t計算，含作業(yè)平臺總重4t。此時含臂自重、載荷傾覆力矩為：

式中：MF——傾覆力矩，N·m。

風壓按6級風（強風）計算：

式中：q——風壓，kN/m2；

v——風速，m/s。

風載荷：

式中：C——風載荷體型系數(shù)；

Kh——高度修正系數(shù)；

q——風壓，kN/m2；

F——抗風面積，m2。

經(jīng)查表及計算此時可知P風≈2350N。風載荷傾覆 力 矩 為：MP風=2350×10.3=24205N·m。 除 臂 架 及作業(yè)平臺外，整車質(zhì)量大于25t，按照25t計算：M重=250000×3.4=850000N·m，M重＞ MF+MP風，故此時整車穩(wěn)定，不會傾翻。詳見圖1。

圖1 位移計算結(jié)果Figure 1 Calculation results of displacement

作業(yè)平臺有限元分析結(jié)果最大應力為90MPa，最大位移為1.5mm；故高處作業(yè)臺車的最大應力小于許用應力，抗傾覆性能良好，滿足設計要求和使用要求。

3.2 邊坡支護移動施工平臺吊臂結(jié)構(gòu)受力計算

有限元分析結(jié)果如下：①三臂最大應力不超過300MPa；②二臂最大應力不超過400MPa；③大臂最大應力不超過580MPa（局部應力，總臂筒應力不超過400MPa）；固定臂最大應力不超過500MPa，故臂架強度校核合格。詳見圖2。

圖2 有限元分析結(jié)果（一）Figure 2 Analysis results of finite element（No.1）

圖2 有限元分析結(jié)果（二）Figure 2 Analysis results of finite element（No.2）

3.3 邊坡支護移動施工作業(yè)平臺車設計

邊坡支護移動施工作業(yè)平臺車主要由3m×7m可伸縮及旋轉(zhuǎn)操作平臺、舉升臂部分、支腿及汽車底盤組成。平臺為兩側(cè)可延展伸出，全縮時平臺寬度為2.48m，由液壓展開，展開后寬度為3m；平臺下部帶回轉(zhuǎn)裝置，可以手動控制平臺旋轉(zhuǎn)；平臺帶自動調(diào)平功能。起重臂帶伸縮及回轉(zhuǎn)功能，全伸臂全長為13.2m，帶作業(yè)平臺最大舉升高度為10m，起重臂自帶力矩限制系統(tǒng)，防止超載或超幅度作業(yè)。支腿系統(tǒng)由前、后支腿組成，用以保持整車的穩(wěn)定性，當整車失穩(wěn)時，支腿上安裝的電氣系統(tǒng)會自動報警。

3.4 移動施工作業(yè)平臺安全設計

3.4.1 回轉(zhuǎn)安全限制設計

在立柱上設置回轉(zhuǎn)限位行程開關(guān)，當回轉(zhuǎn)到所限制的位置時（觸碰到行程開關(guān)），PLC對比例閥的旁通閥發(fā)出信號，從而使回轉(zhuǎn)動作中斷（可反向旋轉(zhuǎn)），限制工作裝置在車頭處工作。

3.4.2 失穩(wěn)設計

通過支腿上四個接近開關(guān)內(nèi)的電磁鐵，得到感應信號；接近開關(guān)的感應距離為0～8mm，當支腿未受力時，支腿往下落，接近開關(guān)上的電磁鐵無法感應到水平支腿，從而發(fā)生報警。只要四條支腿有一條未受力（失穩(wěn)），失穩(wěn)報警器電源開關(guān)打開時，報警器發(fā)生蜂鳴，進行失穩(wěn)報警。

3.4.3 防碰感應設計

防碰感應主要通過支腿兩側(cè)以及上平臺四角上的雷達感應，當支腿或上平臺接近豎直物件1m以內(nèi)時，報警器發(fā)出連續(xù)“滴”的報警；當接近豎直物件0.5m以內(nèi)時，報警器發(fā)出連續(xù)“滴滴”的報警；當接近豎直物件0.3m以內(nèi)時，報警器發(fā)出長時間不停的“滴”聲或“停車”報警；不同的報警器，感應及發(fā)出的聲音會有所不同，但是基本原理一樣；在應用過程中，支腿、平臺等部位增加反光燈警示標識，在施工交通復雜區(qū)域，在移動施工作業(yè)平臺周邊設置封閉圍欄。

3.4.4 力矩限制設計

力限器的主程序編寫語言為C語言；力限器主要通過感應吊臂伸長及吊臂角度，來判斷平臺距離回轉(zhuǎn)中心的水平距離；通過感應變幅油缸有桿腔及無桿腔的液壓壓力，來判斷實際受力情況；通過程序邏輯的計算，判斷整車是否超載，以及判斷變幅角度與實際需要控制角度的邏輯關(guān)系。

力限器主要實現(xiàn)三個功能：①防止超載；②在變幅到30.5°時，實現(xiàn)報警；③在變幅到43.5°時，實現(xiàn)報警并切斷多路閥旁通閥，使變幅無法繼續(xù)上升。

3.4.5 風力報警器設計

接通電源后，風力報警裝置會顯示實際風力，在風力報警器上可以設定允許使用的風力，當高于設定風力時風力報警器會報警，此時操作者需要立即停止工作。

上述安全系統(tǒng)共同作用，對整個高處作業(yè)平臺的載重、失穩(wěn)、防撞、風力等方面起到了監(jiān)測、預報及保護功能。

4 邊坡支護移動施工作業(yè)平臺工作原理

4.1 邊坡支護移動施工作業(yè)平臺組成

邊坡支護移動施工作業(yè)平臺包括汽車底盤、平衡支腿、工作裝置、PLC、水平傳感器；其中平衡二級伸縮支腿、工作裝置均通過騎碼螺桿固定在汽車底盤上。如圖3所示。

圖3 邊坡支護移動施工作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Structural representation of slope support removable construction work platform

4.2 平衡支腿

平衡支腿為二級伸縮支腿，分別位于汽車底盤的前后兩端的大梁上，平衡支腿用以保證整個作業(yè)車的穩(wěn)定性。平衡支腿上安裝的液壓鎖保證支腿作業(yè)及車輛運輸時的安全性。

4.3 工作裝置

工作裝置包括底座、回轉(zhuǎn)臺及回轉(zhuǎn)機構(gòu)、立柱、伸縮臂、變幅油缸、上工作平臺。

底座通過騎碼螺桿固定在汽車底盤上，回轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)支承安裝在底座上，回轉(zhuǎn)臺由回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動，回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括雙回轉(zhuǎn)減速機、常閉式制動器、液壓馬達。立柱通過螺栓與回轉(zhuǎn)臺固定，由液壓驅(qū)動回轉(zhuǎn)減速機工作從而使回轉(zhuǎn)支承及立柱發(fā)生轉(zhuǎn)動。伸縮臂通過銷軸鉸和立柱固定，變幅油缸一端鉸接在立柱上、變幅油缸另一端鉸接在伸縮臂中基本臂上，形成三鉸點結(jié)構(gòu)，變幅油缸的伸長與縮短控制著吊臂的上揚及下降；伸縮臂的伸縮通過安裝在伸縮臂兩側(cè)的伸縮油缸推動實現(xiàn)。立柱上還固定有兩個調(diào)平油缸，第一調(diào)平油缸的伸縮桿端鉸接在伸縮臂中基本臂上，第二調(diào)平油缸的伸縮桿端鉸接上調(diào)平座，調(diào)平座與第三伸縮臂上頭端兩側(cè)的連接板鉸接固定，上下該回路形成了上平臺的調(diào)平機構(gòu)。如圖4所示。

圖4 調(diào)平機構(gòu)示意圖Figure 4 Schematic diagram of leveling mechanism

隨著變幅油缸的伸縮，第一調(diào)平油缸也同步伸縮。第一調(diào)平油缸的無桿腔與第二調(diào)平油缸的有桿腔連接，第一調(diào)平油缸的有桿腔與第二調(diào)平油缸的無桿腔連接，第一調(diào)平油缸的有桿腔、無桿腔又分別與電控比例多路閥連接，在第一調(diào)平油缸伸縮時，第二調(diào)平油缸反向伸縮。因為機械設計的原因，油缸的液壓調(diào)平僅可實現(xiàn)上平臺傾斜角度不大于1°，但是因為平臺傾斜誤差不允許超過0.3°，故在上調(diào)平座上安裝有雙軸水平儀。當上工作平臺調(diào)平有誤差或是傾斜時，水平傳感器將感應到的水平信息傳遞給PLC，由PLC控制電控比例多路閥補油修正，進而控制第二調(diào)平油缸伸出或縮回至上工作平臺水平，從而實現(xiàn)了上工作平臺的自動調(diào)平（如圖5所示）。

圖5 PLC自動調(diào)平示意Figure 5 Schematic diagram of PLC automatic leveling

調(diào)平座的頂部固定有回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，上工作平臺安裝在回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置上，液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)驅(qū)動上安裝的蝸桿轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承轉(zhuǎn)動，最終驅(qū)動上工作平臺相對于起重臂回轉(zhuǎn)。如圖6所示。

圖6 回轉(zhuǎn)驅(qū)動與上平臺安裝示意Figure 6 Schematic diagram of slewing drive and upper platform installation

4.4 上平臺

上平臺完全收回尺寸為2.48m，便于在普通公路上運輸及行走；通過油缸擴展之后，其外寬可達到3m，保證了工作平臺的適用性。整車采用電液負載敏感比例閥控制，液壓系統(tǒng)的設計先進。如圖7所示。

圖7 上操液壓原理圖Figure 7 Upper operating hydraulic schematic diagram

5 移動施工作業(yè)平臺在邊坡支護中的實際應用

5.1 邊坡錨噴支護應用情況

該移動施工作業(yè)平臺在文登抽水蓄能電站上水庫公路邊坡支護施工中應用。每層爆破開挖后，先進行外側(cè)區(qū)域出渣，內(nèi)側(cè)預留5～8m寬液壓支撐平臺。移動施工作業(yè)平臺車就位后，通過伸縮臂上下、左右伸展、旋轉(zhuǎn)，可以一次形成264m2（10.0m×26.4m）錨噴支護施工面積。上水庫公路邊坡實際應用中，在面積為約1320m2坡面共進行了5次平臺展開及撤收，對每次時間進行了統(tǒng)計，詳見表1。

表1 移動平臺展開撤收時間及損耗Table 1 Expansion and withdrawal time and loss of removable platform

移動施工平臺在進行錨噴支護施工中，車輛處于怠速運轉(zhuǎn)，發(fā)動機怠速耗油0.95L/h，工作8h消耗油料7.6L，完成試驗段邊坡錨噴支護累計油耗約1250L。實際施工投入作業(yè)人員4名，包括3名錨噴支護作業(yè)人員和2名移動施工平臺操作人員。

5.2 工效對比分析

使用移動施工作業(yè)平臺進行錨桿鉆孔和噴射支護，效率得到較大提高。錨桿鉆孔作業(yè)節(jié)省了作業(yè)人員、鉆機移動、拖拽鉆機風管所花費的時間，從而提高錨桿鉆孔工效30%。作業(yè)人員手持噴射管在臺車上噴射混凝土，節(jié)省了在卡扣式腳手架內(nèi)移動走動時間、爬上爬下?lián)Q位時間和拖風管時間，進而提高噴射工效45%。實際完成錨噴實際為20天，累計100個工日。

采用常規(guī)腳手架平臺進行錨噴支護施工，1320m2鋼管卡扣式腳手架施工平臺，安排8名架子工作業(yè)，約需7天完成搭設及后期拆除，累計56個工日。錨噴支護作業(yè)人員6人，完成上述面積錨噴支護時間約需40天，累計240個工日，合計296個工日。

5.3 效益分析

該邊坡支護移動施工作業(yè)平臺設計、研發(fā)、制造費用約132萬元，若考慮配置3臺移動施工作業(yè)平臺，進行文登電站上水庫邊坡支護作業(yè)，其研發(fā)、制造、運行費用基本與腳手架材料租賃費用持平。在不考慮腳手架平臺材料、移動施工作業(yè)平臺和錨噴支護設備攤銷費用，僅以完成上述試驗段邊坡錨噴支護投入人員費用進行對比，人工費平均按180元/（人·天）市場價格計算。采用常規(guī)腳手架平臺進行錨噴支護，人工費用為5.33萬元；采用移動施工作業(yè)平臺進行錨噴支護，人工費用為1.8萬元，柴油費0.64萬元，合計2.44萬元。較常規(guī)腳手架平臺施工費用節(jié)約2.89萬元，大大降低了支護平臺的成本。同時，采用移動施工作業(yè)平臺可以徹底消除腳手架坍塌等安全隱患。

6 結(jié)論

（1）基于抽水蓄能電站邊坡支護應用背景，采用三維有限元和CAE，對移動施工作業(yè)平臺穩(wěn)定性、吊臂結(jié)構(gòu)受力及結(jié)構(gòu)強度等進行計算，移動施工作業(yè)平臺符合設計及現(xiàn)場施工要求。

（2）采用移動施工作業(yè)平臺進行錨噴支護，簡化了施工組織，提高了施工工效，投入人員數(shù)量及人工費用大大降低。

（3）采用常規(guī)腳手架平臺進行錨噴支護，施工作業(yè)風險等級為Ⅲ級及以上；采用移動施工作業(yè)平臺作業(yè)，施工作業(yè)風險降至一般風險等級。

（4）移動施工作業(yè)平臺對抽水蓄能電站對道路、庫岸和進出水口邊坡錨噴支護，具有較強的適用性和推廣價值。