劉志強(qiáng)，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(kāi)發(fā)有限公司工電部，浙江 溫州 325011）

既有隧道病害整治中對(duì)嚴(yán)重裂損的襯砌常采用鋼拱架進(jìn)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(guó)內(nèi)在開(kāi)槽施工中通常采用人工手持通用建筑機(jī)械進(jìn)行鋼拱架安裝槽的開(kāi)槽作業(yè)，一般采用的開(kāi)槽機(jī)械有角磨機(jī)、云石機(jī)、風(fēng)鎬、電鎬以及金剛石鉆孔機(jī)等。人工開(kāi)槽存在人員多、效率低的問(wèn)題，且手持式設(shè)備進(jìn)行高空作業(yè)存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)，研究機(jī)械化開(kāi)槽設(shè)備是解決該問(wèn)題的有效途徑。

1 機(jī)械化開(kāi)槽設(shè)備整體方案

1.1 帶水平回轉(zhuǎn)的可伸縮曲臂式開(kāi)槽機(jī)方案

方案I：帶水平回轉(zhuǎn)的可伸縮曲臂式開(kāi)槽機(jī)方案如圖1 所示。開(kāi)槽機(jī)安裝在既有線(xiàn)鐵路隧道病害綜合整治作業(yè)臺(tái)車(chē)上，主要由縱向行走機(jī)構(gòu)、底座、伸縮臂、切削擺動(dòng)臂、切削頭及動(dòng)力馬達(dá)等組成。

圖1 開(kāi)槽機(jī)方案I

1.2 帶弧形導(dǎo)軌的類(lèi)仿形作業(yè)式開(kāi)槽機(jī)方案

方案Ⅱ：帶弧形導(dǎo)軌的類(lèi)仿形作業(yè)式開(kāi)槽機(jī)方案如圖2 所示。開(kāi)槽機(jī)主要由安裝在臺(tái)車(chē)上的縱向軌道、帶動(dòng)開(kāi)槽機(jī)沿軌道行走的縱向行走機(jī)構(gòu)、安裝在行走機(jī)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(chē)、帶動(dòng)切削擺動(dòng)臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)支撐裝置、切削擺動(dòng)臂、液壓馬達(dá)以及切削頭等組成。

圖2 開(kāi)槽機(jī)方案Ⅱ

1.3 帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開(kāi)槽機(jī)方案

方案Ⅲ：帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開(kāi)槽機(jī)方案如圖3 所示。開(kāi)槽機(jī)主要由安裝在臺(tái)車(chē)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(dòng)開(kāi)槽機(jī)橫向移動(dòng)的橫向行走小車(chē)、由螺旋油缸帶動(dòng)可實(shí)現(xiàn)180°回轉(zhuǎn)的機(jī)械臂、帶動(dòng)刀具進(jìn)行切槽作業(yè)的液壓馬達(dá)以及切削頭等組成。

圖3 開(kāi)槽機(jī)方案Ⅲ

1.4 公鐵兩用載運(yùn)平臺(tái)開(kāi)槽機(jī)方案

方案Ⅳ：公鐵兩用載運(yùn)平臺(tái)開(kāi)槽機(jī)方案如圖4 所示。利用現(xiàn)有挖掘機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝，開(kāi)槽機(jī)主要由公鐵兩用底盤(pán)、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(pán)可實(shí)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(shí)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(diǎn)。

圖4 開(kāi)槽機(jī)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(kāi)槽機(jī)方案，其優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)槽機(jī)采用伸縮式曲臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需橫向移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)襯砌開(kāi)槽作業(yè)；開(kāi)槽機(jī)能連續(xù)完成一個(gè)工位隧道一側(cè)拱頂及拱腰開(kāi)槽作業(yè)，開(kāi)槽效率較高。缺點(diǎn)是：因開(kāi)槽機(jī)臂長(zhǎng)較長(zhǎng)，最大長(zhǎng)度為2.5m，而重量較重的刀具及液壓馬達(dá)都位于機(jī)械臂遠(yuǎn)端，作業(yè)時(shí)機(jī)械臂及回轉(zhuǎn)支座將承受較大的載荷，受力較為不利；機(jī)械臂需同時(shí)具備伸縮及曲折功能，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

方案Ⅱ?yàn)閹Щ⌒螌?dǎo)軌的類(lèi)似仿形作業(yè)式開(kāi)槽機(jī)方案，其優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)械臂臂長(zhǎng)較短，從回轉(zhuǎn)支座伸出機(jī)械臂長(zhǎng)為1.46m，回轉(zhuǎn)支座所受彎矩較方案I 小，受力較好；開(kāi)槽機(jī)拱頂開(kāi)槽作業(yè)類(lèi)似于仿形作業(yè)，易于實(shí)現(xiàn)開(kāi)槽軌跡的控制，通過(guò)在液壓回路中設(shè)置儲(chǔ)能器即可實(shí)現(xiàn)切削擺動(dòng)臂的自動(dòng)擺動(dòng)，可有效降低開(kāi)槽機(jī)能耗。缺點(diǎn)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(guò)，升降導(dǎo)軌需要有較大的升降幅度，導(dǎo)軌弧長(zhǎng)較小，開(kāi)槽機(jī)需分4 步完成一個(gè)工位的開(kāi)槽作業(yè)，降低了開(kāi)槽效率。

方案Ⅲ為帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開(kāi)槽機(jī)方案，其優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)槽機(jī)沒(méi)有水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，且機(jī)械臂無(wú)需設(shè)計(jì)曲折功能即可實(shí)現(xiàn)襯砌的開(kāi)槽作業(yè)；同時(shí)，開(kāi)槽機(jī)能一次連續(xù)完成一個(gè)工位隧道一側(cè)拱頂及拱腰開(kāi)槽作業(yè)，開(kāi)槽效率較高。缺點(diǎn)是：伸縮臂為四節(jié)伸縮臂，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；因臂長(zhǎng)較長(zhǎng)，作業(yè)時(shí)機(jī)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(jì)使布置開(kāi)槽機(jī)需占用較大的臺(tái)車(chē)平面。

方案Ⅳ為公鐵兩用載運(yùn)平臺(tái)開(kāi)槽機(jī)方案，其優(yōu)點(diǎn)是：不借助鐵路平板車(chē)，采用公鐵兩用底盤(pán)施工更靈活，能快速達(dá)施工地點(diǎn)。缺點(diǎn)是：公鐵兩用底盤(pán)存在故障風(fēng)險(xiǎn)，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(duì)該方案制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)急救援預(yù)案。

表1為4種開(kāi)槽機(jī)方案的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比，以方案IV 設(shè)計(jì)的開(kāi)槽機(jī)施工更靈活，且能更快到達(dá)施工地點(diǎn)，作為既有線(xiàn)鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開(kāi)槽設(shè)備的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

表1 方案各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比

3 詳細(xì)方案設(shè)計(jì)

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

2）浮動(dòng)臂總成設(shè)計(jì) 圖5（b）為開(kāi)槽機(jī)機(jī)械臂，伸縮長(zhǎng)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(guò)底座可使開(kāi)槽機(jī)機(jī)械臂進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)從隧道兩側(cè)分別進(jìn)行開(kāi)槽作業(yè)。

圖5 詳細(xì)設(shè)計(jì)方案圖

4）液壓系統(tǒng) 由于開(kāi)槽機(jī)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(jì)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(dòng)等惡劣作業(yè)環(huán)境。開(kāi)槽機(jī)共有3 個(gè)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(gè)刀具驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)。

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

6）技術(shù)參數(shù) 開(kāi)槽機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 開(kāi)槽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有鐵路隧道襯砌人工開(kāi)槽低效、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，開(kāi)展了機(jī)械化開(kāi)槽設(shè)備的設(shè)計(jì)，進(jìn)行總體方案比選，優(yōu)選公鐵兩用載運(yùn)平臺(tái)開(kāi)槽機(jī)方案，進(jìn)行削切頭、浮動(dòng)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(xì)設(shè)計(jì)。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)快速行走、機(jī)械化快速開(kāi)槽等功能，提高了鐵路隧道襯砌開(kāi)槽作業(yè)效率及安全性。