大長隧道用防水板鋪設裝置液壓系統的設計

張慧杰， 李明濤， 安健濤

（1.青島城市學院， 山東 青島 266106；2.青島海信網絡科技股份有限公司， 山東 青島 266000）

引言

隨著我國鐵路系統的飛速發展，隧道工程已經成為人們日常常見的施工項目，隧道施工的作業周期、施工質量已經影響到人們的日常生活，如何保證高效高質量地完成施工，成了施工人員關注的重點內容，相關施工單位也在這些方面投入了大量資源，不斷提高施工質量和效率。其中，對大長隧道的建設一直是隧道工程施工的重點和難點，而防水工程又直接影響隧道的使用時效和安全性[1-2]，快速有效的防水施工是保證隧道施工工程高效順利完成的重要環節。

對可以實現防水板自動鋪設、低勞動強度、保證施工安全的防水板鋪設裝置進行了研究，防水板鋪設機在繼承了常規臺車的基礎上，對臺架、鋪設小車、支撐油缸和附屬結構進行了設計。實現了防水板鋪設機的軌道行走，無紡布和防水卷材的拱墻鋪設，多人同時焊接，支撐油缸可微調鋪設角度以適應復雜的輪廓斷面等功能，鋪設完成的防水板成型面平整、無孔洞。防水板定位準確、支撐穩固、松弛有度，保證了防水板與初期支護表面緊密貼合，在受到向下作用力時不會發生脫落、松弛及破損等問題[3]，本文主要對在防水板鋪設施工中起定位和支撐作用的液壓系統進行了設計。

1 液壓系統設計

防水板鋪設機鋪設用防水板材料為白色EVA防水板，寬度為3 m、長度為30 m，防水板在卷揚機帶動下鋪設后，操作人員操縱換向閥，油缸伸出將防水板定位在隧道輪廓面上，在液壓力作用下對防水板進行支撐。

1.1 液壓系統的工作原理

防水板鋪設機液壓系統油缸操作采用的是單閥控制單缸的方式，每根油缸由上方的手動三位四通換向閥控制該油缸伸出和縮回。防水板鋪設機共使用28 根油缸，分別布置在兩列軌道上，如圖1 所示，每根軌道上分布14 根油缸，油缸選用工程液壓缸，中部用卡箍固定，雙作用單活塞桿油缸，每根油缸可同時操作也可單獨操作。油缸支撐防水板一端端頭安裝橡膠軟端面，操作手動換向閥使油缸伸出將防水板撐起，防水板焊接工序完成后根據需要操作換向閥將油缸縮回。

圖1 支撐油缸布置圖

油缸選用工程用油缸，手動換向閥操作控制油缸動作，由于每根油缸都要求單獨控制，為節省人力，選用了手動三位四通換向閥。該閥直接安裝在油缸上方300 mm 處，可由焊接人員直接操作控制，不設置專門閥組操作人員。在回路中選擇單油泵供油，油泵流量滿足工作要求時部件以合適的速度進行運動。

1.2 液壓系統主要參數選擇計算

考慮到防水板鋪設機在隧道內施工，液壓系統的工作環境較為惡劣，因此，液壓系統采用對油液污染不敏感的齒輪泵。而要使國產齒輪泵可靠地長期工作，最可靠的方法是降低其使用壓力等級。因此，將選用額定壓力為20 MPa 的國產齒輪泵在5 MPa的壓力等級下工作。故液壓回路的壓力等級選定為5 MPa。

壓力等級確定后，根據臺車所受負載計算出油缸的直徑。經計算，油缸缸徑為63 mm，活塞桿徑為50 mm，伸縮行程為905 mm，零行程為1105 mm。根據使用經驗，各油缸的動作速度以0.7～1.2 m/min最為合適，在這種速度下，操作者對油缸運動的正確與否或運動遇到障礙物時，均有足夠的反應時間來進行處理，也能明顯判斷部件是否在運動。由于操作時最多同時伸出兩根油缸，故選擇使2 根升降油缸同時以最低速度升降時所需流量為回路最大流量Q，Q=×3.14×2×70 cm/m=4.36 L/min。

1.2.1 油泵型號的選擇

由于在洞內施工，露天環境下允許的噪聲在洞內變得很大，甚至會嚴重影響操作人員情緒，降低工作效率，故應降低工作噪聲。根據經驗，選擇榆次液壓有限公司生產的CB-FC 系列齒輪泵作為液壓系統工作泵。其額定壓力為16 MPa，最高壓力為20 MPa，容積效率為0.89～0.90。為了降低工作噪聲，選擇6 級電機作為動力機，同步轉速為960 r/min。泵的流量應能供給上述的最大流量要求，即Q＞4.36 L/min。其中，

式中：q 為排量，mL；n 為電機轉速，r/min；η1為容積效率；η2為考慮回路中閥件內泄而附加的系數，取0.9。

將相關數據代入式（1）得：q=5.55 mL。

選取CB-FC10 型齒輪泵，其排量10 mL，額定壓力16 MPa，最高壓力20 MPa，最高允許轉速2500 r/min，泵的輸入功率計算如下：

式中：ΔP 為進出口壓力差，MPa；Q 為泵的理論流量。

將相關數據代入式（2）得：N=0.6 kW。

選取Y90L-6 型電機為主泵電機，其額定功率18.5 kW，額定轉速970 r/min。

1.2.2 油缸的選擇

防水板鋪設機鋪設整卷防水板總重F1為130kg、使用壓力P=1MPa，油缸活塞受力面積=13 cm2?？紤]到13 cm2的油缸為非常規油缸，制造費用不菲，結合經濟性及考慮到油缸側向受力選取Φ63 mm/Φ50 mm 油缸，無桿腔受力面積為31.17 cm2，有桿腔受力面積為11.54 cm2，無桿腔體積為2.82 L，有桿腔體積為1.04 L。油缸伸出阻力180 kg，收縮阻力50 kg。油缸空載最高起始壓力低于0.5 MPa。整機空載約5000 kg，考慮到支腿油缸的穩定性，且支腿油缸伸縮一定要平穩有一定的抗側向力，故先選擇大尺寸油缸。結合結構的空間選擇合適的油缸，再反推工作壓力以檢驗是否和系統壓力相匹配，經計算選定工程油缸為HSG160×110-300，設計工作壓力為16 MPa，計算理論4 根油缸支撐整機時的壓力約為3 MPa。單根最大伸出速度約為85 m/s，單缸縮回速度約為160 m/s，速度由節流閥調節無極可調，根據整機的實際剛度來再次確定支腿油缸的升降速度。

同時該設備采用PLC 控制，較繼電器控制更穩定、可靠，故障查找方便、快捷；設置本地或無線遙控操作模式，更適應隧道作業復雜的工況；利用電氣系統分別對油缸和支腿油缸進行控制，支撐油缸可單獨或聯動動作，提高作業工效。

2 應用效果

在南方某隧道施工段進行了工業性試驗，該隧道地形地質條件復雜，其中全隧Ⅲ級圍巖2330 m，占36.9%；Ⅳ級圍巖2865m，占45.4%；Ⅴ級圍巖1120 m，占17.7%。從防水板鋪設效果來看，采用防水板鋪設機鋪設的防水板松緊度適中，表面平順，能夠滿足防水板鋪設要求。采用防水板鋪設機鋪設防水板，需要作業人員3 人（1 人PLC 控制，2 人熱熔焊接）。經統計，單幅防水板鋪設平均時間為2.5 h，與人工鋪設防水板相比較，采用防水板鋪設機進行防水板鋪設在單幅鋪設時間、作業人員數量、勞動強度、支撐方式、安全性上都具有較大的優勢。

圖2 防水板鋪設效果

3 結論

經試驗表明，隧道防水板鋪設機有效提高了防水板鋪設質量和施工的安全性，同時減少了施工人員數量、降低了勞動強度，在施工質量、效率等方面有明顯優勢。隧道防水板鋪設機采用軌行式鋪設及支撐裝置采用液壓驅動，無線遙控操作適應隧道作業復雜工況，性能可靠。該設備可鋪設土工布和防水板，是一種新型隧道專用施工機械，有極大的應用價值。