曹戰(zhàn)鋒

（中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000）

防水板鋪設(shè)施工中，由于施工工藝缺陷和施工人為因素的影響，好多完工不久的隧道就得面臨滲水的嚴(yán)峻問題，其嚴(yán)重威脅著隧道整體質(zhì)量和車輛運(yùn)行安全。面對隧道滲水問題，后期處理難度極大、費(fèi)用很高且安全風(fēng)險(xiǎn)大。因此采取有效預(yù)防和控制措施，減少人為因素的影響，提高隧道防水板的鋪設(shè)質(zhì)量，提升隧道防滲水性能，成為當(dāng)務(wù)之急。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀及背景

從國內(nèi)現(xiàn)狀來看，目前防水板施工主要采用簡易臺架，其不能與施工現(xiàn)場情況很好地銜接，鋪設(shè)質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期效果。

隧道工裝設(shè)備機(jī)械化程度的不斷完善，高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求成為隧道施工常態(tài)化，經(jīng)過對隧道施工的考察和調(diào)研分析，進(jìn)行反復(fù)論證，對防水板鋪設(shè)臺車進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)出了新型防水板鋪設(shè)臺車，其更具有實(shí)用性和推廣性。

2 新型防水板鋪掛臺車的特點(diǎn)和優(yōu)勢

新型防水板鋪掛臺車結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際，進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，具有了以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

2.1 弧形拱圈

采用與隧道匹配的“弧形拱圈”，且在弧形拱圈外表面焊接“齒條”，利用齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動工作平臺做環(huán)向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)隨人走，連續(xù)性和連貫性作業(yè)。

2.2 吊掛工作平臺

“吊掛式工作平臺”隨爬升小車做環(huán)向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了防水板連續(xù)熱熔焊接作業(yè)，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了工效。

2.3 氣囊頂推機(jī)構(gòu)

充分利用空氣的可壓縮性和氣囊的柔韌性，克服噴射混凝土面不平整的缺陷，使防水板與噴射混凝土面緊密貼合。

2.4 機(jī)電連鎖

構(gòu)成多道安全防護(hù)措施，確保人員和設(shè)備安全。

2.5 電纜線卷線系統(tǒng)

電纜線卷筒隨爬行機(jī)構(gòu)運(yùn)行而轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)電纜線有序收放，避免電纜線散而亂，從而引發(fā)安全事故。

2.6 無線遙控系統(tǒng)

采用“無線遙控裝置”，靈活性和自動化程度更高。

2.7 提升、吊裝機(jī)構(gòu)

快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)防水板、土工布卷材的安裝工作，減輕工作強(qiáng)度，提高工效。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 爬升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與齒輪齒條傳動的應(yīng)用

爬升驅(qū)動裝置主要承受爬行機(jī)構(gòu)自重、工作臺自重、防水板重量、工作機(jī)具、作業(yè)人員重量以及氣囊在轉(zhuǎn)動時(shí)與防水板之間的摩擦力等載荷。其載荷大小如表1 所示。

表1 爬行機(jī)構(gòu)主要載荷

載荷合計(jì)為33.6kN，考慮到液壓油、油管等其他載荷，現(xiàn)取最大載荷Fmax=40kN。

3.1.1 電機(jī)的計(jì)算選型

最大載荷Fmax即為爬升機(jī)構(gòu)所需克服的載荷，也為齒輪傳動中齒輪分度圓切向力，

根據(jù)公式：

式中，F(xiàn)max為爬升機(jī)構(gòu)最大載荷；T1為爬升驅(qū)動輪驅(qū)動扭矩；d1為爬升驅(qū)動輪直徑。

根據(jù)：

式中，P 為爬升驅(qū)動總功率；T1為爬升驅(qū)動輪驅(qū)動扭矩；n 為爬升驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，取5r/min。

根據(jù)以上步驟，初步選擇的驅(qū)動電機(jī)功率為1.26kW，考慮到功率損耗和驅(qū)動安全系數(shù)，驅(qū)動裝置由2 組機(jī)構(gòu)組成，故單臺電機(jī)的功率為：

式中，P1為電機(jī)初步選擇功率；K1為電機(jī)驅(qū)動安全系數(shù)，取2.5；η1為電機(jī)功率損耗系數(shù)，取0.9；η2為齒輪齒條傳動功率損耗系數(shù)，取0.85；η3為減速機(jī)功率損耗系數(shù)，取0.85。

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，選擇4 級電機(jī)，功率選擇3kW，轉(zhuǎn)速為1450r/min。

最終選擇電磁制動電機(jī)的規(guī)格型號為：

YEJ90S-4，輸出轉(zhuǎn)矩為T轉(zhuǎn)=2.3kN·m。

由于爬升機(jī)構(gòu)最大載荷Fmax=40kN，爬升機(jī)構(gòu)由兩組機(jī)構(gòu)組成，即單組電機(jī)需要承載的扭矩為：

式中，T2為為電機(jī)克服扭矩；Fmax為爬升機(jī)構(gòu)最大載荷；d1為爬升齒輪直徑。

T2=1.66kNm＜T轉(zhuǎn)=2.3kN·m，即電機(jī)制動滿足使用要求。

40年前，改革開放的號角如春雷般響徹中華大地，驚醒了沉睡中的東方，讓神州大地迸發(fā)出勃勃生機(jī)，開辟了中華民族由站起來走向富起來、強(qiáng)起來的復(fù)興之路。

3.1.2 爬升減速機(jī)的選型

根據(jù)設(shè)計(jì)爬升速度1.5m ～2m/min 的要求，減速機(jī)選用擺線針輪減速機(jī)，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，減速機(jī)選擇二級減速機(jī)，速比：289，立式，型號：85，輸入功率P=3kW，輸出轉(zhuǎn)矩T=4510N·m，減速器的規(guī)格型號為：ZLED-289-85-3kW。

3.1.3 齒輪傳動系統(tǒng)的選型

（1）確定齒輪材料、熱處理方式、傳動進(jìn)度等基本參數(shù)：

根據(jù)傳動載荷大小、使用環(huán)境、后期維護(hù)保養(yǎng)以及大小齒輪的關(guān)系，小齒輪選40Cr 鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度取260HBW，大齒輪選45#鋼，調(diào)質(zhì)處理表面，硬度取230HBW。傳遞的功率為3kW，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n=5r/min，

（2）確定許用應(yīng)力、齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)：

查詢齒根彎曲疲勞強(qiáng)度表，以及安全系數(shù)，得：

式中，σbblim為齒根彎曲疲勞極限；SF為齒根疲勞安全系數(shù)。

因齒面硬度小于350HBW，屬于軟齒面，所以按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

確定基本參數(shù)：Z1=15，Z2=1508，m=8，載荷為輕度載荷，齒寬系數(shù)取φd=0.25。

確定齒輪寬度：b2=Z1×m×φd=15×8×0.25=30mm；

為了補(bǔ)償兩輪軸向尺寸的安裝誤差，使大齒輪寬度大于小齒輪，考慮安裝結(jié)構(gòu)尺寸的影響，小齒輪的寬度應(yīng)大于大齒輪，故：

取小齒輪齒寬b1=70mm，大齒輪齒寬b2=30mm，小齒輪分度圓直徑：d1=15×8=120mm，

（3）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：

爬升機(jī)構(gòu)有兩組驅(qū)動裝置，單個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)矩為：

式中，T3為小齒輪轉(zhuǎn)矩；P 為爬升驅(qū)動總功率；n 為小齒輪的轉(zhuǎn)速，取5r/min。

查齒形系數(shù)表得知，齒形系數(shù)YF=3.25，傳動比較平穩(wěn)，查得載荷系數(shù)表得知，載荷系數(shù)K=1。

式中，K 為載荷系數(shù)；T3為小齒輪的轉(zhuǎn)矩；YF為齒形系數(shù)，查表得3.25；b1為小齒輪的寬度；m 為齒輪模數(shù)；Z1為小齒輪齒數(shù)。

由于大齒輪的齒數(shù)較多，接近齒條，現(xiàn)只對小齒輪進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

（4）驗(yàn)算圓周速度

小齒輪的圓周速度為1.88m/min，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 橡膠氣囊在防水板臺車中的應(yīng)用

橡膠氣囊主要是將防水板頂緊，使防水板緊貼初支表面，針對初支表面的凹凸不平情況，充分利用氣囊的特殊構(gòu)造，保證橫向4m 方向防水板達(dá)到80%以上能緊貼初支表面，減少人工扶持的工作強(qiáng)度。

氣囊端部預(yù)留氣管和壓力表安裝位置，實(shí)時(shí)觀察氣囊壓力值，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充氣壓。

圖1 橡膠氣囊

氣囊基本參數(shù)：

氣囊壓力：0.01MPa ～0.02MPa

適應(yīng)初支面不平整度：D/L ≤1/10

3.3 工作平臺機(jī)構(gòu)

爬升機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)設(shè)有工作臺吊掛軸，爬行機(jī)構(gòu)通過電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)帶動小齒輪，與焊接在拱圈頂部的齒條嚙合傳動，實(shí)現(xiàn)爬升，實(shí)現(xiàn)工作臺隨爬升機(jī)構(gòu)同步環(huán)向雙向運(yùn)行。

圖2 爬升工作平臺

3.4 無線遙控系統(tǒng)

臺車整體行走、對中、調(diào)平采用無線遙控操作，滿足操作人員實(shí)地操作，近距離觀察，同時(shí)對操作人員也是一種保護(hù)。

3.5 安全措施系統(tǒng)

為了保證人員和設(shè)備安全，加設(shè)了三道安全保護(hù)裝置。第一道：電磁制動電機(jī)安全裝置。第二道：電磁吸盤制動系統(tǒng)。第三道：在拱圈兩端設(shè)置機(jī)械擋板制動裝置。

3.6 電纜卷線器

工作原理：位于卷線器內(nèi)部的回卷彈簧帶動線槽順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，線槽將電纜線進(jìn)行拉伸或收縮。實(shí)現(xiàn)對電纜線進(jìn)行集約化的管理，解決以往電纜線雜亂散落的問題，大大節(jié)約了工作空間，美化了工作環(huán)境，提升了使用安全性。

電纜卷線器主要參數(shù)：

型號：400-700-90-150

卷筒規(guī)格：筒身直徑φ1=400mm

最大外徑φ2=700mm

線槽凈寬度B=90mm

最小收放力：Fmin=150N

電纜線選用5×10mm2，銅芯電纜，查表得其參考質(zhì)量為：120kg/km，約合重力：1.2N/m。

按照設(shè)計(jì)，爬行機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需電纜線的總長度為22m，22m 電纜線總重力G總=1.2×22×5=132N

卷筒的最小收放力Fmin=150N＞G總

因此，電纜線卷筒的收放力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.7 卷材提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

防水板卷材安裝機(jī)構(gòu)由橫梁、滑梁、掛輪、電動葫蘆等組成。橫梁與防水板門架相連接，通過掛輪將滑梁懸掛于橫梁上，滑梁端部安裝有電動葫蘆。使用過程中，電動葫蘆將防水板卷材提升至需要位置，通過人工外力，使滑梁水平移動，實(shí)現(xiàn)防水板卷材安裝至小車支架相應(yīng)位置，此結(jié)構(gòu)安全、便捷，省時(shí)省力。

圖3 吊裝系統(tǒng)

4 新型防水板自動鋪掛臺車的效率優(yōu)勢及實(shí)際應(yīng)用

4.1 工效對比

新型防水板自動鋪設(shè)臺車與傳統(tǒng)臺車進(jìn)行工效對比，有諸多優(yōu)點(diǎn)，如表2 所示：

前提條件：鋪設(shè)一板土工布和防水板：一板長度12m，防水板、土工布每卷長度24m；

表2 功效對比表

4.2 市場反映

該新型防水板鋪設(shè)臺車在多個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)投入使用，根據(jù)施工現(xiàn)場的反饋及回訪中得知，其鋪設(shè)工效更高，質(zhì)量效果更好。整體鋪設(shè)效果如圖4 所示。

圖4 使用效果

5 結(jié)語

隧道防水板鋪設(shè)臺車創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用以來，具有鋪設(shè)質(zhì)量好，工效高，安全系數(shù)高，自動化、機(jī)械化程度高，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的防水板鋪設(shè)隧道工裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化換人和自動化減人的目的，有很好的應(yīng)用空間，在實(shí)際施工中具有重要意義。