一種面向變斷面洞室開挖的安全保護臺車設計

潘福營，張興彬，殷 康，龔振如，杜 藏

（1.國網新源控股有限公司，北京100761；2.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南 洛寧471700）

1 引言

自21世紀以來，鉆爆法因其具有經濟性好、對地質的適應性強等特點，越來越多的在公路、鐵路、水電等工程領域的隧洞開挖過程中得到廣泛應用[1]。雖然鑿巖臺車配氣動鑿巖機開挖工法[2]具有方便快速、高效經濟的優點，且目前已成為隧洞開挖施工的主流方法，但是該工法存在諸如施工人員多、勞動強度大、作業環境差、鉆進速度慢等缺點[3]。然而，具備防護功能的隧洞開挖支護設備—盾構機，其價格高昂、設備龐大，且一般是為某一固定斷面如高鐵、地鐵等工程而設計，不適用于抽水蓄能電站變斷面的隧洞開挖。因此，目前國內外在抽水蓄能電站中小型洞室開挖過程中仍主要采用鉆爆法進行開挖，同時隨著現代社會對安全文明施工要求的提高，鉆爆法需要進一步的改進和完善。

目前，針對抽水蓄能電站中小型變斷面隧洞開挖工程，國內尚無較合適的具備一定防護功能的鑿巖臺車產品。因此，本文基于圍巖松動圈理論[4]和“新奧法”支護原理[5]提出了一種具備安全防護功能和工作平臺的鑿巖臺車，該臺車對施工作業人員具有一定的安全保護能力，同時具備自主移動功能，以及性價比高、操作方便的特點。實踐表明該鑿巖臺車可應用于我國抽水蓄能電站及常規水電站隧洞開挖工程，同時也可推廣至礦山、公路、鐵路等工程建設領域。

2 結構組成

本鑿巖安全保護臺車的主要部件和附件系統包括以下幾個部分：

（1）頂防護架總成：頂板和邊板各分為2塊，采用折疊伸縮式設置，頂板之間及邊板之間用螺栓連接，采用鉸接機構，用于伸板和收板，如圖1中的部件1。下部通過支撐液壓頂連接于門架，頂板架體由3根縱梁和多根橫梁及立柱組成，立柱采用立式垂直防護箱型液壓支柱，固定于門架支柱上方，如圖2中上部所示。

（2）門架及工作防護平臺系統：門架是整個安全保護臺車的承重部件，它主要由橫梁、立柱、縱梁等組成，連接部位通過螺栓連接而成，同時各個橫梁、立柱以及縱梁之間又通過連接梁、斜拉桿和剪刀架等結構來提高門架的整體剛性和強度。在臺車門架的左右兩側，分別布置有上下2層可升降的工作防護平臺，平臺外側設置安全保護圍欄，如圖2所示。

（3）主行走機構：臺車行走機構由2個主動行走機構組成。行走機構與門架底梁相連接，主動輪及其架體如圖1中的部件8和13所示。

圖1 臺車側面結構圖

圖2 臺車門架內部通道側面圖

（4）液壓動力系統：臺車的液壓動力系統主要通過三位四通手動換向閥進行換向動作，從而實現液壓油缸的伸縮功能。左右側板的油缸分別采用兩聯換向閥來控制兩側水平油缸的伸縮動作，4個豎向油缸則共用1個換向閥來控制換向動作。

（5）電氣系統：臺車的電氣系統主要用于臺車的啟動、停止以及正反方向的前后運動進行控制，同時也為液壓系統提供必要的動力。

3 臺車結構設計計算

3.1 防護頂板設計與計算

頂部弧形板按照雙鉸耳的結構進行設計，同時針對其最大正負彎矩區域采用加強筋進行加強，弧形面板部分按照四邊支撐的假設進行計算。防護頂板支撐面板的計算載荷q主要由設計上部荷載、允許超挖部分載荷、局部過大超挖部分載荷以及防護面板的自重等組成，其可寫成如下形式：

其中，q-面板計算載荷，單位為kgf/m2；q0-防護板的自重，根據初選面板的厚度進行計算；q1-設計上部載荷，q1=γh，γ- 土石的容重，為 2500kgf/m3，h-設計開挖的厚度，等于1m；q2-允許超挖部分的載荷，其值為500kgf/m2（按允許0.2～0.3m計算）；q3-局部過大超挖部分的載荷（不包括允許超挖部分）為1.5m。

采用上式計算設計情況I（頂拱開挖完成時）時的頂板載荷值為q1+q2+q3=7657kgf/m2，弧形板的載荷為q0+q1+q2=5762kgf/m2。臺車面板厚度δ的計算則可通過表1計算得出。

表1 面板厚度δ的強度撓度驗算計算表

根據表1進行計算，結果表明采用厚度δ=12mm鋼板做面板時效果更好。

3.2 弧形面板內部支撐計算

頂板兩側的弧形面板采用A3δ12鋼板，寬度尺寸為200mm，加強筋采用75mm×75mm×6mm的角鋼，中心距大小為260mm。各截面組合內力的計算參照雙鉸等截面直墻圓拱鋼架梁內力計算公式[6]進行計算，計算結果如表2所示。

弧板內部支撐截面選擇則采用以下公式進行計算：

M=q'L2/8

表2 不同角度下鋼拱梁各截面組合內力計算值（該表內力均以1m計）

σ=M/WX≤[σ]

fmax=5q'L4/384EIx≤1/250

其中，q'-表示作用在支撐角鋼上的線載荷，且q'=q·a；L-表示支撐角鋼的計算跨度，取值1.5m；a-表示支撐角鋼的間距，取值280mm；Wx，Ix-分別表示對X軸的截面抵抗力矩及截面慣性矩。梁單元的最大變形量，即模板的最大位移為：

fmax=5×2.25×104×1.54/（384×2.1×1011×3.02×10-6）=0.0023m=2.3mm

因此可以看出，整個模板的強度符合設計要求。

表3 弧板內部支撐截面內力計算結果

弧板內部支撐截面的內力同樣滿足要求，如表3中的計算結果所示，截面應力小于許用應力值，因此，整個弧板內部支撐強度符合設計要求。

4 結論

本文提出了一種具備一定人員防護和自主移動功能的變斷面洞室開挖鑿巖臺車。并且基于圍巖松動圈等理論對該臺車的防護罩和鋼結構系統的強度和內力支撐等方面進行了受力計算，計算結果表明該鑿巖臺車能夠滿足抽水蓄能電站等中小型變斷面隧洞開挖工作的強度要求，該鑿巖臺車技術可在抽水蓄能電站及常規水電站、礦山、鐵路、公路等隧洞開挖作業中得到較好地應用推廣。