一種適應隧道工況非爆開挖的懸臂式隧道掘進機

劉 洋 宋 明

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1 前言

在傳統的隧道工程掘進開挖過程中,炸藥的使用是必須且時常見到的,針對炸藥的控制,國內出臺了很多法律規定,例如《中華人民共和國民用爆炸物品管理條例》規定禁止在規定的安全距離內進行爆破作業;《爆破安全規程》規定工作面空頂距離超過設計規定的數值,不準爆破;《大爆破安全規程》規定嚴控爆破地震的安全距離,爆破沖擊波安全距離。隨著爆炸物品購買渠道的單一、手續繁瑣,運輸的復雜,以及國家嚴控炸藥的生產。這給需要爆破的企事業單位,增加了許多運營成本。而工程機械中的隧道設備取代爆破,從根源上解決炸藥所帶來的隱患。

工程機械的使用取代了“炮掘”的工藝,為有效的防治城市揚塵污染,改善城市環境空氣質量,預防工程施工中對環境污染起到了一定的作用。這響應環保法的規定,即“排污的企事業單位和其他生產經營者,應當對生成建設過程中產生的污染物、放射性物質、電磁輻射等采取相應的防護措施,避免其對環境造成污染,從而危害人類健康”。尤其是隧道掘進設備配備的高效除塵系統裝置。為施工現場中的圍護結構施工、隧道開挖等改變了工程建設中的降塵、降噪施工所帶來的極大的好處。

目前國內機械化隧道施工主要采用的是盾構法,而盾構法使用的盾構機又存在設備投入大、操作維護要求技能高、不適合短里程隧道等不足。因此,現市場需求一種介于鉆爆法和盾構法之間的隧道掘進產品。

2 懸臂式隧道掘進機國內外發展概況

現在國內的非爆開挖的懸臂式隧道掘進機正處于起步階段,大部分設備僅是原有煤礦用懸臂掘進機的簡單改進,只能最低限度的滿足施工要求,其截割范圍和效率等不能滿足大斷面的隧道施工要求。所以,為滿足市場需求,開發出一種適應隧道工況非爆開挖的懸臂式隧道掘進機產品。

2.1 國內環境分析

第一階段:60年代初～70年代末,引進國外掘進機為主,定型生產機型,使用范圍越來越廣,切割能力逐步提高,有截割夾巖和過斷層的能力。

第二階段:70年代末～80年代末,與國外合作生產懸臂掘進機并逐步實現國產化,特點是可靠性高,能適應我國巷道掘進的需要,半煤巖的掘進技術已達到相當的水平,出現了重型機。

第三階段:80年代末至今,重型機型大批出現,懸臂式掘進機的設計與制造水平已相當先進,代表機型有EBJ型、EL型、EBH型等,主要應用于鐵路、公路、市政、水利工程等。

目前,我國掘進機的機型已從輕型發展到中、重型,切割對象從煤層向巖石拓展,切割功率和機重都大大增加,掘進能力大幅提升。我國掘進機主要經歷了引進、消化吸收和自主研制3個階段。20世紀90年代以來是我國掘進機的自主研發階段,這一階段我國中型掘進機制造技術已經相對成熟,獨立研制截割硬度≤80 MPa,機重90t左右,截割功率160～260k W的重型掘進機,并且具備了根據礦井條件實現個性化設計的能力。

國內目前在隧道工程領域(公鐵路隧道、水利水電隧洞)施工中采用人工鉆爆比例仍在50%以上,相對歐美的發達國家隧道施工,機械化率較低;同時由于鉆爆法存在用人多、勞動強度大、安全性低等不足和國家對部分區域炸藥的嚴格管控,所以隧道施工急需實現由人工鉆爆向綠色、環保的機械化施工轉變。另外在地鐵隧道施工中也仍有50%以上工程采用人工開挖,也亟待進行機械化施工升級。因此,隧道產業將會帶來大量的工程裝備需求。

2.2 國外環境分析20世紀初,國外中型掘進機日趨完善,其代表機型有英國多斯克公司的LH130型號、德國保拉特公司的E200型、奧地利阿爾卑尼公司的AM75型、日本三井三池公司的S220型等。其切割功率在132～220Kw 之間,機重50～70t,經濟切割的巖石硬度80 MPa,近年德國在研究開挖切割硬度達100 MPa的掘進機。

目前,國外懸臂掘進機在國外礦山業應用較多,應用多達4000余臺,掘進機重量為20～160t,最大切割功率已達408k w,切割巖石的抗壓強度最高可達170 MPa。最早應用于水利工程的為菲律賓大馬尼拉引水工程。

3 一種新型隧道懸臂掘進機的應用

現有市場采用的是煤礦類懸臂掘進機械產品,其體積小、作業范圍小、適用能力小,遠遠滿足不了工程隧道施工的要求。設計研發了一種集切割、行走、裝運、噴霧滅塵等多功能為一體的高效聯合作業開挖機械——隧道犀牛。其具有以下特點:

(1)超大定位截割范圍、整機高穩定性和最強勁的截割動力滿足大斷面隧道掘進機需求。

(2)截割電機與截割減速機之間采用柔性連接技術,具有偏心兼容性,解決了剛性連接偏心損壞減速機及電機的問題;

(3)液壓系統風水雙重冷卻的設計,可保證液壓系統油溫在70℃以下,滿足長時間連續截割作業。

(4)創新地配置了截割電機自循環冷卻系統,可保證設備在未接外來水源的情況下,仍能正常工作。有效的減少了水的使用量,避免了泥巖工況下,水遇泥后出現的卡料故障。

(5)采用IP67防護等級EPEC工業控制器和隔離器件,保障設備在長期惡劣環境下可靠控制。

(6)系統軟件設計保證設備運行情況與故障數據直接顯示并含專家診斷系統,防爆安全設計。

(7)選擇性配置減振封閉駕駛室,提高了操作舒適性和安全性

4 結束語

隧道犀牛這一懸臂掘進機的創新設計,該設備集切割、裝運、行走、噴霧除塵和架梁等多功能于一體,具有多方面的優勢,不僅采用大功率重載設計,相比同類機型,截割效率高、作業覆蓋面積大、整機穩定性好和接地比壓小,具有較強的地質適應性,可適應任意斷面形狀的隧道掘進施工。同時采用了新型的隧道掘進機機載托梁機構,可實現鋼拱架的輔助安裝,提高架梁效率和減輕作業人員勞動強度。此外發明的掘進機截割控制系統及控制方法,實現掘進機截割頭自動斷面定位,降低操作人員工作量,提高工作效率。