一種新型隧道施工用拱架安裝機

康寶生

(中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南洛陽 471009)

0 引言

在隧道施工中，當遇到軟弱巖層時，需要進行拱架安裝支護，以提高圍巖的穩定性，防止塌落。拱架一般采用鋼拱和花拱，配合鋼筋網噴射混凝土進行加強支護。鋼拱一般由I18或I20工字鋼彎制而成，部分采用H型鋼，花拱則由螺紋鋼組成框架形狀組焊而成。在國外，隧道施工機械化程度高，拱架安裝機也得到了比較廣泛的使用。

對于國外有關安裝機制造使用情況，日本科技刊物有簡單介紹［1］，法國、芬蘭、德國也有廠家生產安裝機［2］，西班牙有工程使用簡易安裝機［3］。

國內隧道修建安裝拱架普遍由人工進行，即:借助人工臺架(該臺架也普遍用于鉆爆作業——打炮眼、錨桿等)靠人工將拱架安放于巖層邊上，然后用錨桿固定，依次連接形成環狀。拱架單件質量為100 kg以上，一般每個勞動班組人員為12人或以上，其勞動強度大、安全性差、勞動時間長。因此，急需開發研制一種新型隧道施工用的拱架安裝設備，進行拱架安裝的機械化操作，實現隧道施工的機械化配套作業。

1 國內外拱架安裝機研制、使用情況

1.1 國外研制、使用情況

國外拱架安裝機分為輪胎式和履帶式，有的帶銑刨頭(見圖1)、有的兩臂兩籃(或一籃，見圖2)，有的帶混凝土噴射機械手(見圖3)，有的單臂(見圖4)。有些安裝機的夾持機構可根據需要更換吊籃、銑刨頭、沖擊錘等，實現多工序作業要求。

國外也有利用現有設備改裝的簡易拱架安裝機，如圖5所示。據了解，國外拱架安裝機整機的體積及通用性與我國國情不相適應，且價格昂貴，目前還未見國內進口使用鋼拱架安裝機的案例介紹。

1.2 國內現狀

到2008年底，我國建成鐵路隧道總長超過4 200 km，在建鐵路隧道總長超過4 700km，即將開工和規劃建設的隧道總長超過5 000 km。預計到2012年，我國建成通車的鐵路隧道的總數量將突破10 000座，總長度將突破10 000 km，總量已經遠遠領先世界其他國家鐵路隧道;但是，我國鐵路軟巖隧道施工的快速修建技術水平、施工裝備及國產化剛進入隧道施工機械化初期。主要表現在:以鉆爆法為基礎的機械化設備立足于從國外引進，自主創新開發的品種少、質量較差、故障多、主要技術性能參數與鐵路隧道現有施工條件不匹配，因而影響作業效率，難以在大多數工程上形成先進的機械化作業線，制約了全行業整體技術的全面發展和進步。

圖5 國外用汽車吊改裝的拱架安裝機Fig.5 Steel rib installing machine modified from truck crane in foreign countries

長期以來，我國隧道施工安裝鋼(花)拱架主要依靠人工，無論是施工企業還是設備生產廠家對采用機械進行拱架安裝重視程度不夠，沒有開發研制隧道施工用拱架安裝機。隧道施工用拱架安裝機是“長大隧道鉆爆法快速施工關鍵技術與裝備研究”——隧道施工裝備國產化研究項目之一。目前，研制處于圖紙設計階段，主要參照國外兩臂一籃結構，預計造價較高;采用挖掘機底盤、單臂單籃拱架安裝機［4］，具有結構簡單、可靠性高、造價低的特點，安裝機樣機已經通過工業性試驗驗收。

2 拱架安裝機的國產化研制

拱架安裝機具有降低工人勞動強度、提高勞動生產率、提高生產安全性、節約循環時間等特點，可取代人工密集型的鋼拱架安裝，同時對今后的施工方式是一種較大的改進。我國鐵路客運專線和高速鐵路建設對隧道施工機械化配套要求越來越高，逐步用拱架安裝機取代人工臺架作業安裝拱架(鋼拱架、花拱架等)已成必然趨勢。

2.1 國產化研制的基本思路

總體思路是:把復雜問題簡單化，由易到難，由單一到綜合，即利用挖掘機作底盤，將其小臂改造為專用臂，在其末端設計一套能實現六自由度的夾持機構，實現將拱架夾取后到達任意位置的功能。主要組成部分包括:一套四連桿結構、廻轉機構、夾持機構、輔助作業平臺(吊籃)、獨立精確的液壓控制系統和電器控制系統。

2.2 需要解決的關鍵技術問題

作為首臺鋼拱架安裝機樣機，既要實現拱架的安全、快速安裝，降低作業人員的勞動強度，價格又要適合國情，研制的指導思想就是將復雜的問題簡單化。設計研制主要考慮以下幾點:1)選用一種能適應國內鐵路、公路隧道開挖面的可移動底盤，使之具有廣泛的適應性;2)能抓取弧形工件的安全夾具;3)能實現拱架全方位移動的機構，實現工件的六自由度移動、任意位置就位;4)與抓舉系統配合，確保拱架準確、快速安裝的吊籃系統;5)安全的液壓、電氣操控系統。

2.3 主要工作機構和技術參數

采用液壓挖掘機底盤提供穩定可靠的平臺，改造挖掘機小臂提供運動機構安裝基礎，研制其他工作機構實現工件的翻轉、圓周運動、左右擺動以及工件的抓取與夾緊，研制工作吊籃提供工作平臺。夾持機構包括夾具回轉馬達、開合油缸、傾斜油缸，吊籃機構由吊籃回轉平臺、伸縮臂、伸縮油缸、水平油缸、變幅油缸、作業平臺等組成;新增控制部分包括液壓系統和電氣系統;夾具可迅速更換，實現花拱、工字鋼拱架安裝的切換。安裝機樣機主要組成部分見圖6，主要技術參數見表1。

圖6 安裝機主要組成部分示意圖Fig.6 Main parts of steel rib installing machine

表1 主要技術參數Table 1 Main technical parameters of steel rib installing machine

2.4 安裝機主要組成部分的結構特點

設備由行走機構、回轉平臺、液壓動力單元、液壓控制單元、夾持機構、載人吊籃及其上集中控制單元構成。采用國際知名品牌神鋼挖掘機底盤和進口液壓控制單元，具有使用效率高、使用壽命長、結構合理、檢修簡便等特點。

1)履帶底盤行走機構適用于惡劣的施工環境。發動機采用進口發動機，保證其可靠性能，主要負責行進功能并提供動力源;其后部增加了配重，以平衡機械抓手抓舉工件時造成的重力轉矩。

2)利用底盤上部中心位置的回轉平臺，安裝大臂和夾持機構。夾持機構包含大小臂和活動抓手，隨回轉平臺進行360°回轉。通過大小臂實現活動抓手的遠近高低調整，通過活動抓手的夾具完成工件的抓緊工作，通過活動抓手的回轉軸承和擺動用油缸實現工件的旋轉擺動等位置調整。除回轉軸承使用液壓馬達驅動以外，其余部分運動均采用油缸驅動。

3)液壓動力單元和液壓控制單元為整臺設備所有的液壓部件提供動力并進行控制。主要由油泵、油箱、濾油器、控制閥、操作桿等組成。

4)電氣系統采用集成控制方式，吊籃、夾具各項控制均可在吊籃內操作。

5)載人吊籃的升降由一個三段伸縮的液壓臂控制，安裝在回轉平臺右前側的回轉支撐上，回轉支撐負責吊籃的左右位置調整，其上裝有限位裝置，以防止設備碰撞;吊籃上設有平衡油缸和自動水平儀，負責吊籃的平衡調整，其上的控制單元使安裝操作人員自己進行控制自身位置，保證其安全。

拱架安裝機安裝作業范圍見圖7，夾持機構見圖8，吊籃作業范圍見圖9和圖10。

3 安裝機的穩定性問題

工程機械作業時，由于外載荷(切削阻力、土斗重力等)迫使機械的合成重心移動，重力與外力的合力作用線一旦超出機械在地面的支承底面，機械將失去穩定(縱向或橫向);因此，需要確定合成重心的位置以及由于外部原因所產生的傾覆力與重力的合力作用位置。穩定性的計算方法多采用穩定系數法、傾斜平臺法、穩定度法等。履帶式機械的穩定性計算包括縱向穩定性和橫向穩定性計算［5］。

縱向穩定性計算考慮:在水平地段以Ⅰ檔進行作業，在坡道上行駛，牽引力允許的最大穩定坡角、附著牽引力允許的最大穩定坡角和緊急制動時的穩定性。橫向穩定性是為了求出機器在多大的橫坡時不傾翻、不滑動，以確定機器的許用坡角。就該機而言主要考慮:1)安裝機底盤采用挖裝機底盤，重新設計制作了工作小臂和夾持機構，作業時舉升拱架質量不足1 000 kg，其使用的舉升力要遠小于挖掘作業時需要的挖掘力;2)增加的作業吊籃載人(物)不足300 kg，左擺20°、右擺120°，按照右擺考慮其穩定性;3)在隧道內進行拱架安裝時，履帶式底盤停止不動，隧道的縱向坡度不大，橫向坡度也不大。結論:利用22 t級挖掘機底盤制造的拱架安裝機對重心偏移影響很小。在樣機制造過程中，采用試驗法檢驗安裝機的穩定性，證明安裝機樣機穩定可靠。

圖10 吊籃水平作業范圍俯視圖Fig.10 Horizontal working scope of basket

4 安裝機樣機的工業性試驗

安裝機樣機出廠驗收合格后，在貴廣鐵路三都隧道進口和高田頭隧道分別進行了鋼拱架和花拱架安裝工業性試驗。

4.1 三都隧道鋼拱(花拱)試驗

在三都隧道進口共進行5次試驗作業，作業情況見表2。

表2 三都隧道作業情況Table Commissioning of steel rib installing machine in Sandu tunnel

試驗證明:安裝機滿足設計標準，設備運行良好，性能可靠，提高了拱架安裝的安全性、可靠性及工作效率，節省了人工，降低了工人勞動強度。試驗也發現了一些問題:單臂單籃對于工作面的適應性較弱，雖能進行全作業面的覆蓋，但是需要在拱架機松開拱架并轉動機身后才可實現;吊籃空間小，載質量小;原有的施工方法和流程不符合機械化施工和安裝機作業要求。針對這些問題，專門制訂了《鋼拱架安裝機現場實驗大綱》，以此指導工業性試驗和安裝施工。

4.2 高田頭隧道花拱架試驗

三都隧道試驗后，在高田頭隧道進行了安裝花拱試驗。高田頭隧道人工與安裝機安裝花拱情況見表3。

試驗發現:隧道欠挖、拱腳不平整、格柵拱架的變形對作業時間影響較大，特別是當花拱架強度、剛度不足，焊接不牢固，抓舉后撓度過大時，會使拱架安裝困難，作業時間延長。

表3 高田頭隧道花拱安裝對比Table 3 Comparison and contrast between steel rib installing by had and that by installing machine:case study on Gaotiantou tunnel

5 持續改進、形成批量生產的幾點思考

1)進一步改進和優化夾持機構，主要解決與掌子面的密貼性。根據安裝鋼拱架、花拱架的不同要求，可以自由選擇夾持力，實現對拱架的靈活加持。

2)借鑒盾構管片安裝以及混凝土噴射機械手操作方式，安裝線控和無線遙控裝置，操作人員可離開駕駛室順利操作，以實現拱架夾持和安裝更迅速。

3)開發出專用多功能底盤(輪胎、履帶式等)，形成系列產品。如多臂多籃安裝機，帶銑挖頭、混凝土噴射機械手的安裝機。從高田頭隧道安裝花拱架試驗可以看出:在大斷面隧道安裝花拱時，由于拱架撓度大，單臂安裝機只有1個抓舉點，不易克服拱架撓度，造成就位困難，增加安裝時間。此時若采用多臂(2個抓舉臂)就能有效解決問題。

4)開發設計專用工作吊籃，增加吊籃載質量，使其具備承擔錨桿、超前導管等作業以及在吊籃內進行拱架聯接焊接作業等功能(見圖11)。

5)充分開發設備功能，實現一機多用。如可快速更換安裝銑挖頭、破碎錘等，處理掌子面，進行非爆破開挖作業等(見圖12)。

拱架安裝機樣機見圖13。

圖11 超大的吊籃作業平臺Fig.11 Super-large basket working platform

6 結論與建議

本鋼拱架安裝機樣機適用于高速鐵路隧道半斷面或全斷面施工時鋼拱架安裝;三臺階施工時受限條件較多，難以適用;大斷面隧道全斷面施工時由于花拱剛度差、撓度大，該樣機只有一個夾具，抓起花拱后擺動、變形大，定位困難。

拱架安裝機是一種新型拱架安裝設備，與人工作業相比具有投入人員少、勞動強度低、安全性能高等優點，是隧道施工拱架安裝機械化發展趨勢，值得在隧道施工中加以推廣。

2011年6月12 日拱架安裝機通過了工業性試驗驗收。驗收結論:1)拱架安裝機采用履帶式挖掘機底盤，單臂、單籃進行鋼拱架安裝，并具有一機多用功能，是一種新型施工機械;2)通過工業性試驗表明，該拱架安裝機可減少施工人員數量，有效降低勞動強度，在施工質量、效益等方面具有一定優勢;3)拱架安裝機適用于兩臺階、大斷面隧道拱架安裝。安裝機達到了國內領先水平，應盡快推廣應用。

建議:1)進一步改進夾持裝置，實現貼近工作面的快速安裝;2)進一步研制系列化產品，拓展拱架安裝機應用范圍。

［1］ 武友，憲重，久保田，等.未固結地山にぉけゐ超大斷面トソネルの施工［J］.トソネルと地下，2005，36(5):391 －399.

［2］ 法國曼尼通集團.MANISCOPIC Equipments［EB/OL］(2009)［2011 －07 －20］http://www.mannitou.com.

［3］ 中鐵隧道集團有限公司.貴廣客專隧道施工設備配套考察報告［R］.洛陽:中鐵隧道集團有限公司，2008.

［4］ 中鐵隧道集團有限公司.隧道施工用拱架安裝機產品試制報告［R］.洛陽:中鐵隧道集團有限公司，2011.

［5］ 唐經世.工程機械:下冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1981:117－121.