鐵路隧道襯砌機械化開槽設(shè)備設(shè)計及研究

劉志強，葉燦鐃，袁 瑋

（1.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731；2.浙江金溫鐵道開發(fā)有限公司工電部，浙江 溫州 325011）

既有隧道病害整治中對嚴重裂損的襯砌常采用鋼拱架進行永久性加固，且通常由于隧道凈空的限制，需鑿槽將鋼拱架嵌入襯砌內(nèi)。國內(nèi)在開槽施工中通常采用人工手持通用建筑機械進行鋼拱架安裝槽的開槽作業(yè)，一般采用的開槽機械有角磨機、云石機、風(fēng)鎬、電鎬以及金剛石鉆孔機等。人工開槽存在人員多、效率低的問題，且手持式設(shè)備進行高空作業(yè)存在施工安全風(fēng)險，研究機械化開槽設(shè)備是解決該問題的有效途徑。

1 機械化開槽設(shè)備整體方案

1.1 帶水平回轉(zhuǎn)的可伸縮曲臂式開槽機方案

方案I：帶水平回轉(zhuǎn)的可伸縮曲臂式開槽機方案如圖1 所示。開槽機安裝在既有線鐵路隧道病害綜合整治作業(yè)臺車上，主要由縱向行走機構(gòu)、底座、伸縮臂、切削擺動臂、切削頭及動力馬達等組成。

圖1 開槽機方案I

1.2 帶弧形導(dǎo)軌的類仿形作業(yè)式開槽機方案

方案Ⅱ：帶弧形導(dǎo)軌的類仿形作業(yè)式開槽機方案如圖2 所示。開槽機主要由安裝在臺車上的縱向軌道、帶動開槽機沿軌道行走的縱向行走機構(gòu)、安裝在行走機構(gòu)上可升降的弧形導(dǎo)軌、安裝在弧形導(dǎo)軌上的行走小車、帶動切削擺動臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)支撐裝置、切削擺動臂、液壓馬達以及切削頭等組成。

圖2 開槽機方案Ⅱ

1.3 帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開槽機方案

方案Ⅲ：帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開槽機方案如圖3 所示。開槽機主要由安裝在臺車上的縱向軌道、卡裝在縱向軌道上可沿隧道縱向行走的橫向軌道、帶動開槽機橫向移動的橫向行走小車、由螺旋油缸帶動可實現(xiàn)180°回轉(zhuǎn)的機械臂、帶動刀具進行切槽作業(yè)的液壓馬達以及切削頭等組成。

圖3 開槽機方案Ⅲ

1.4 公鐵兩用載運平臺開槽機方案

方案Ⅳ：公鐵兩用載運平臺開槽機方案如圖4 所示。利用現(xiàn)有挖掘機為基礎(chǔ)進行改裝，開槽機主要由公鐵兩用底盤、上裝總成、大臂總成、支腿總成、安裝座總成、伸縮臂總成、切削頭總成組成，采用公鐵兩用底盤可實現(xiàn)設(shè)備在公路上行走速度≥5km/h，鐵路上行走速度≥20km/h，設(shè)備可在天窗時間外公路走行至隧道洞口，待封鎖后上道至鐵路軌道行走至施工點。

圖4 開槽機方案Ⅳ

2 總體方案比選

方案I 為帶水平回轉(zhuǎn)的可伸縮曲臂式開槽機方案，其優(yōu)點是：開槽機采用伸縮式曲臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，無需橫向移動即可實現(xiàn)襯砌開槽作業(yè)；開槽機能連續(xù)完成一個工位隧道一側(cè)拱頂及拱腰開槽作業(yè)，開槽效率較高。缺點是：因開槽機臂長較長，最大長度為2.5m，而重量較重的刀具及液壓馬達都位于機械臂遠端，作業(yè)時機械臂及回轉(zhuǎn)支座將承受較大的載荷，受力較為不利；機械臂需同時具備伸縮及曲折功能，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

方案Ⅱ為帶弧形導(dǎo)軌的類似仿形作業(yè)式開槽機方案，其優(yōu)點是：機械臂臂長較短，從回轉(zhuǎn)支座伸出機械臂長為1.46m，回轉(zhuǎn)支座所受彎矩較方案I 小，受力較好；開槽機拱頂開槽作業(yè)類似于仿形作業(yè)，易于實現(xiàn)開槽軌跡的控制，通過在液壓回路中設(shè)置儲能器即可實現(xiàn)切削擺動臂的自動擺動，可有效降低開槽機能耗。缺點是：布置弧形導(dǎo)軌所占空間較大；為了使刀具能順利從接觸網(wǎng)下穿過，升降導(dǎo)軌需要有較大的升降幅度，導(dǎo)軌弧長較小，開槽機需分4 步完成一個工位的開槽作業(yè)，降低了開槽效率。

方案Ⅲ為帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開槽機方案，其優(yōu)點是：開槽機沒有水平回轉(zhuǎn)機構(gòu)，且機械臂無需設(shè)計曲折功能即可實現(xiàn)襯砌的開槽作業(yè)；同時，開槽機能一次連續(xù)完成一個工位隧道一側(cè)拱頂及拱腰開槽作業(yè)，開槽效率較高。缺點是：伸縮臂為四節(jié)伸縮臂，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；因臂長較長，作業(yè)時機械臂將承受較大的彎矩載荷，受力較為不利；橫向軌道的設(shè)計使布置開槽機需占用較大的臺車平面。

方案Ⅳ為公鐵兩用載運平臺開槽機方案，其優(yōu)點是：不借助鐵路平板車，采用公鐵兩用底盤施工更靈活，能快速達施工地點。缺點是：公鐵兩用底盤存在故障風(fēng)險，如果設(shè)備在隧道內(nèi)發(fā)生故障，救援十分困難。因此，要針對該方案制定嚴謹?shù)膽?yīng)急救援預(yù)案。

表1為4種開槽機方案的各項性能指標對比，以方案IV 設(shè)計的開槽機施工更靈活，且能更快到達施工地點，作為既有線鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽設(shè)備的最優(yōu)設(shè)計方案。

表1 方案各項性能指標對比

3 詳細方案設(shè)計

1）切削頭設(shè)計 圖5（a）為切削頭結(jié)構(gòu)圖，通過調(diào)整鋸片寬度可以實現(xiàn)襯砌槽開槽寬度，最大開槽寬200mm，最大深度230mm。

2）浮動臂總成設(shè)計 圖5（b）為開槽機機械臂，伸縮長度0～600mm，仰俯角度0～81.5°。

3）安裝座總成 圖5（c）為安裝座總成，通過底座可使開槽機機械臂進行360°回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)從隧道兩側(cè)分別進行開槽作業(yè)。

圖5 詳細設(shè)計方案圖

4）液壓系統(tǒng) 由于開槽機用于隧道內(nèi)施工作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，因此要求所設(shè)計的液壓系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能適應(yīng)隧道內(nèi)高溫、高粉塵、高噪聲及振動等惡劣作業(yè)環(huán)境。開槽機共有3 個液壓缸（伸縮臂伸縮液壓缸、伸縮臂仰俯液壓缸和支腿液壓缸），一個刀具驅(qū)動液壓馬達。

5）電氣系統(tǒng) 為了便于開槽機械臂精準控制，采用電比例閥組設(shè)計，所設(shè)計的開槽機電氣控制系統(tǒng)主要用于控制電比例閥組的閉合以及開合量大小，從而調(diào)節(jié)控制開槽機刀盤轉(zhuǎn)速、機械臂伸縮速度以及仰俯速度。

6）技術(shù)參數(shù) 開槽機技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 開槽機主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有鐵路隧道襯砌人工開槽低效、安全風(fēng)險高等問題，開展了機械化開槽設(shè)備的設(shè)計，進行總體方案比選，優(yōu)選公鐵兩用載運平臺開槽機方案，進行削切頭、浮動臂總成、安裝座總成、液壓系統(tǒng)和電器系統(tǒng)等關(guān)鍵部位的詳細設(shè)計。該設(shè)備可實現(xiàn)快速行走、機械化快速開槽等功能，提高了鐵路隧道襯砌開槽作業(yè)效率及安全性。