鐵路隧道襯砌機械化開槽設備設計及研究

劉志強，葉燦鐃，袁 瑋

（1.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731；2.浙江金溫鐵道開發有限公司工電部，浙江 溫州 325011）

既有隧道病害整治中對嚴重裂損的襯砌常采用鋼拱架進行永久性加固，且通常由于隧道凈空的限制，需鑿槽將鋼拱架嵌入襯砌內。國內在開槽施工中通常采用人工手持通用建筑機械進行鋼拱架安裝槽的開槽作業，一般采用的開槽機械有角磨機、云石機、風鎬、電鎬以及金剛石鉆孔機等。人工開槽存在人員多、效率低的問題，且手持式設備進行高空作業存在施工安全風險，研究機械化開槽設備是解決該問題的有效途徑。

1 機械化開槽設備整體方案

1.1 帶水平回轉的可伸縮曲臂式開槽機方案

方案I：帶水平回轉的可伸縮曲臂式開槽機方案如圖1 所示。開槽機安裝在既有線鐵路隧道病害綜合整治作業臺車上，主要由縱向行走機構、底座、伸縮臂、切削擺動臂、切削頭及動力馬達等組成。

圖1 開槽機方案I

1.2 帶弧形導軌的類仿形作業式開槽機方案

方案Ⅱ：帶弧形導軌的類仿形作業式開槽機方案如圖2 所示。開槽機主要由安裝在臺車上的縱向軌道、帶動開槽機沿軌道行走的縱向行走機構、安裝在行走機構上可升降的弧形導軌、安裝在弧形導軌上的行走小車、帶動切削擺動臂回轉的回轉支撐裝置、切削擺動臂、液壓馬達以及切削頭等組成。

圖2 開槽機方案Ⅱ

1.3 帶橫向導軌的多節伸縮臂式開槽機方案

方案Ⅲ：帶橫向導軌的多節伸縮臂式開槽機方案如圖3 所示。開槽機主要由安裝在臺車上的縱向軌道、卡裝在縱向軌道上可沿隧道縱向行走的橫向軌道、帶動開槽機橫向移動的橫向行走小車、由螺旋油缸帶動可實現180°回轉的機械臂、帶動刀具進行切槽作業的液壓馬達以及切削頭等組成。

圖3 開槽機方案Ⅲ

1.4 公鐵兩用載運平臺開槽機方案

方案Ⅳ：公鐵兩用載運平臺開槽機方案如圖4 所示。利用現有挖掘機為基礎進行改裝，開槽機主要由公鐵兩用底盤、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，采用公鐵兩用底盤可實現設備在公路上行走速度≥5km/h，鐵路上行走速度≥20km/h，設備可在天窗時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。

圖4 開槽機方案Ⅳ

2 總體方案比選

方案I 為帶水平回轉的可伸縮曲臂式開槽機方案，其優點是：開槽機采用伸縮式曲臂結構，結構緊湊，無需橫向移動即可實現襯砌開槽作業；開槽機能連續完成一個工位隧道一側拱頂及拱腰開槽作業，開槽效率較高。缺點是：因開槽機臂長較長，最大長度為2.5m，而重量較重的刀具及液壓馬達都位于機械臂遠端，作業時機械臂及回轉支座將承受較大的載荷，受力較為不利；機械臂需同時具備伸縮及曲折功能，結構較復雜。

方案Ⅱ為帶弧形導軌的類似仿形作業式開槽機方案，其優點是：機械臂臂長較短，從回轉支座伸出機械臂長為1.46m，回轉支座所受彎矩較方案I 小，受力較好；開槽機拱頂開槽作業類似于仿形作業，易于實現開槽軌跡的控制，通過在液壓回路中設置儲能器即可實現切削擺動臂的自動擺動，可有效降低開槽機能耗。缺點是：布置弧形導軌所占空間較大；為了使刀具能順利從接觸網下穿過，升降導軌需要有較大的升降幅度，導軌弧長較小，開槽機需分4 步完成一個工位的開槽作業，降低了開槽效率。

方案Ⅲ為帶橫向導軌的多節伸縮臂式開槽機方案，其優點是：開槽機沒有水平回轉機構，且機械臂無需設計曲折功能即可實現襯砌的開槽作業；同時，開槽機能一次連續完成一個工位隧道一側拱頂及拱腰開槽作業，開槽效率較高。缺點是：伸縮臂為四節伸縮臂，結構較復雜；因臂長較長，作業時機械臂將承受較大的彎矩載荷，受力較為不利；橫向軌道的設計使布置開槽機需占用較大的臺車平面。

方案Ⅳ為公鐵兩用載運平臺開槽機方案，其優點是：不借助鐵路平板車，采用公鐵兩用底盤施工更靈活，能快速達施工地點。缺點是：公鐵兩用底盤存在故障風險，如果設備在隧道內發生故障，救援十分困難。因此，要針對該方案制定嚴謹的應急救援預案。

表1為4種開槽機方案的各項性能指標對比，以方案IV 設計的開槽機施工更靈活，且能更快到達施工地點，作為既有線鐵路隧道襯砌鋼拱架安裝槽快速開槽設備的最優設計方案。

表1 方案各項性能指標對比

3 詳細方案設計

1）切削頭設計 圖5（a）為切削頭結構圖，通過調整鋸片寬度可以實現襯砌槽開槽寬度，最大開槽寬200mm，最大深度230mm。

2）浮動臂總成設計 圖5（b）為開槽機機械臂，伸縮長度0～600mm，仰俯角度0～81.5°。

3）安裝座總成 圖5（c）為安裝座總成，通過底座可使開槽機機械臂進行360°回轉，實現從隧道兩側分別進行開槽作業。

圖5 詳細設計方案圖

4）液壓系統 由于開槽機用于隧道內施工作業，工作環境惡劣，工況復雜，因此要求所設計的液壓系統性能穩定，能適應隧道內高溫、高粉塵、高噪聲及振動等惡劣作業環境。開槽機共有3 個液壓缸（伸縮臂伸縮液壓缸、伸縮臂仰俯液壓缸和支腿液壓缸），一個刀具驅動液壓馬達。

5）電氣系統 為了便于開槽機械臂精準控制，采用電比例閥組設計，所設計的開槽機電氣控制系統主要用于控制電比例閥組的閉合以及開合量大小，從而調節控制開槽機刀盤轉速、機械臂伸縮速度以及仰俯速度。

6）技術參數 開槽機技術參數如表2 所示。

表2 開槽機主要技術參數

4 結語

針對現有鐵路隧道襯砌人工開槽低效、安全風險高等問題，開展了機械化開槽設備的設計，進行總體方案比選，優選公鐵兩用載運平臺開槽機方案，進行削切頭、浮動臂總成、安裝座總成、液壓系統和電器系統等關鍵部位的詳細設計。該設備可實現快速行走、機械化快速開槽等功能，提高了鐵路隧道襯砌開槽作業效率及安全性。