拱架安裝臺車施工作業優化設計方案

高 越

（中鐵十九集集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

近年來，交通基礎設施建設飛速發展，我國高速鐵路里程數已躍居世界第一[1-3]。在高速鐵路修建過程中，隧道的建設至關重要，隧道的修建速度將直接影響整個工程的施工進度[4-6]。拱架安裝臺車是隧道施工中用于安裝拱架的專用設備，扮演著支梁的重要作用，隨著隧道施工機械化和高效化的進展，拱架安裝臺車的應用也越來越廣泛[7]。針對隧道修建過程中鋼拱架的安裝與拼接問題展開研究，設計一種抓舉式隧道拱架安裝臺車，給出該設備的相關作業要求與結構組成，并對該設備的工作原理進行分析，并根據施工作業需求確定其主要工作參數，從設備的基本結構、主要參數、工作原理及施工方案設計4 個方面對該設備進行總結。

對于工程機械的研發首先要考慮其功能需求與作業環境，進而確定設備的設計標準與作業性能參數，對工程機械進行整體規劃，最終確定設計方案。主要針對隧道施工過程中拱架安裝臺車拼裝時出現的費人力、安全性差這一問題，預期研制一套能夠協助人力拼接隧道安裝臺車的設備，通過CATIA 軟件構建拱架安裝臺車三維數值仿真模型，為后續分析結構的動力特性及施工過程中的受力情況計算奠定基礎。該設備將大大減少施工作業人員危險性，提升拱架臺車的作業效率，加快整個隧道工程的施工進度。

1 設備基本結構

擬設計的拱架安裝臺車如圖1 所示，該設備主要包括施工作業平臺、輪式底盤、平臺托舉系統及拱架安裝系統4 部分組成。

圖1 中施工作業平臺主要是將拱架臺車安裝技術工人運送至指定位置進行作業。平臺托舉系統主要將施工作業平臺抬至一定高度，同時調整施工作業平臺的空間位置，使其能夠有充足的施工空間。拱架安裝系統主要是對保持平臺托舉系統的安全穩定姿態進行調節，保障托舉系統的精準定位，能夠為技術人員提供安全保護。輪式底盤主要是將設備整體運移至隧道內指定施工位置，機動性較好，且施工效率高，能夠隨時進行隧道拱架臺車的安裝與拆卸。

圖1 拱架安裝臺車設備簡圖

2 設備主要參數

為了驗證設計的拱架安裝臺車設計方案的合理性，為后續設備整體施工作業性能提供可靠的基礎模型，決定采用CATIA軟件對設計的拱架安裝臺車進行建模。

設計的拱架安裝臺車最大托舉重量為2800～3000 kg，機械臂底座采用回旋式線性馬達進行驅動，其轉速為2 r/min，最大排量為170 mL/r，動力油缸包括機械主臂調幅油缸、調平油缸、水平油缸、上下油缸、抓手伸縮油缸、抓手上下油缸、抓手左右油缸、抓手緊鎖油缸以及主臂伸縮油缸，各動力油缸設計參數見表1。

表1 各動力油缸設計參數

3 設備工作原理

設計的拱架安裝臺車施工作業流程如下：

（1）拱架安裝臺車運移時需通過夾持設備來攜帶臺車配件，且以相對較高的運移效率將臺車配件運至指定工位。運送過程中，拱架安裝臺車應保持自身的安全穩定性，同時還應確保安裝的準確性，因此安裝臺車整體處于水平收縮狀態，機械抓手夾持配件運移。

（2）當配件運至安裝指定工位后，調節各主動油缸，通過伸縮機構來調整拱架臺車的位姿，并緩慢提升施工作業平臺，使平臺處于合理的施工作業位置，以便于隧道施工臺車配件的安裝。

（3）微調有待拼裝的臺車拱架，使配件與隧道施工臺車良好對接，施工技術人員在施工作業平臺上完成隧道施工臺車配件的安裝作業，實現隧道施工臺車的準確安裝。

設計的拱架安裝臺車主要由伸縮主臂、調整臂、抓手臂及抓手組成，配套的動力系統包括液壓系統及電子控制系統。拱架托舉及空中姿態需要多個機械臂聯合調整，該方法使得整個拱架臺車的施工自由度增多，進而使得臺車能夠更加準確的將配件運移至指定位置。不同機械臂的調動主要由各機械臂對應的動力油缸來實現，其中，主臂調幅油缸主要驅動伸縮主臂，主臂伸縮油缸主要驅動主臂的伸縮，調平油缸主要驅動連接左臂的俯仰與調平，抓手內部伸縮油缸主要驅動抓手上臂伸縮，抓手左右油缸主要驅動抓手臂的水平移動，抓手緊鎖油缸主要驅動抓手使其抓手夾緊。

4 設備施工方案設計

作為一種特殊的隧道工程施工機械，拱架安裝臺車主要負責運移隧道施工臺車配件及配件安裝任務。由于隧道施工環境相對較差，作業空間有限，因此對拱架安裝臺車的整機設計要求相對較高，具體要求如下：

（1）適用范圍：受圍巖等級的影響，拱架安裝臺車對IV、V 類圍巖的三臺階開挖法并不適用。設計的拱架安裝臺車主要適用于高鐵雙線隧道的全斷面開挖法，以及兩臺階開挖法的拱架安裝要求。

（2）功能要求：設計的拱架安裝臺車要能夠實現配件的抓取、配件的運移、配件的托舉及姿態的調整等基本功能的同時，還需要保證配件被托舉到一定的高度后要達到安裝精度及穩定性，以便于連接螺栓的安裝及拱架與配件之間的拼接。此外，拱架安裝臺車在確保基本安裝功能前提下，還能展開其他功能的探索，實現一機多用的發展趨勢。

（3）尺寸要求：在隧道施工過程中，配套的機械車輛較多，包括三臂鑿巖臺車、挖掘機、轉載機、運渣車、裝載機、自卸汽車等，設計的拱架安裝臺車應與上述施工機械和車輛兼容，即與上述設備配合使用。因此，拱架安裝臺車對外形尺寸有一定要求，原則是必須滿足與上述設備中最小尺寸的設備之間留有一定的安全剩余量，以確保安全有效的與其他設備配合施工。

（4）安全可靠要求：受施工環境影響，隧道內經常出現高溫、高濕及大量灰塵，此種環境下，拱架安裝臺車的液壓系統與電氣系統需進行特殊處理，以滿足此類惡劣的作業環境，提升設備該類似環境下的長期安全性與可靠性。

（5）經濟要求：經濟費用作為整個安裝臺車的核心問題貫穿始末，應盡可能的使安裝臺車的設計與制造成本低，但需要在保證安全穩定及生產效率的前提下。

5 結語

針對已建及在建隧道施工過程中鋼拱架的安裝與拼接等相關工藝進行簡單總結，設計研發一種新型的拱架安裝臺車，設計方案給出該設備的相關作業要求與結構組成，分析該設備的工作原理，并根據施工作業需求確定其主要工作參數，通過CATIA 軟件構建拱架安裝臺車三維數值仿真模型，為后續分析結構的動力特性及施工過程中的受力情況計算奠定基礎。設計的拱架安裝臺車能夠推動今后隧道施工的高效率、低成本的發展趨勢趨勢。