淺談隧道防水板鋪設臺車技術創新應用

曹戰鋒

（中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000）

防水板鋪設施工中，由于施工工藝缺陷和施工人為因素的影響，好多完工不久的隧道就得面臨滲水的嚴峻問題，其嚴重威脅著隧道整體質量和車輛運行安全。面對隧道滲水問題，后期處理難度極大、費用很高且安全風險大。因此采取有效預防和控制措施，減少人為因素的影響，提高隧道防水板的鋪設質量，提升隧道防滲水性能，成為當務之急。

1 國內現狀及背景

從國內現狀來看，目前防水板施工主要采用簡易臺架，其不能與施工現場情況很好地銜接，鋪設質量達不到預期效果。

隧道工裝設備機械化程度的不斷完善，高標準、嚴要求成為隧道施工常態化，經過對隧道施工的考察和調研分析，進行反復論證，對防水板鋪設臺車進行了技術創新，研發出了新型防水板鋪設臺車，其更具有實用性和推廣性。

2 新型防水板鋪掛臺車的特點和優勢

新型防水板鋪掛臺車結合現場施工實際，進行了技術創新，具有了以下特點和優勢：

2.1 弧形拱圈

采用與隧道匹配的“弧形拱圈”，且在弧形拱圈外表面焊接“齒條”，利用齒輪齒條機構帶動工作平臺做環向運動，實現機隨人走，連續性和連貫性作業。

2.2 吊掛工作平臺

“吊掛式工作平臺”隨爬升小車做環向運動，實現了防水板連續熱熔焊接作業，減輕了勞動強度，提高了工效。

2.3 氣囊頂推機構

充分利用空氣的可壓縮性和氣囊的柔韌性，克服噴射混凝土面不平整的缺陷，使防水板與噴射混凝土面緊密貼合。

2.4 機電連鎖

構成多道安全防護措施，確保人員和設備安全。

2.5 電纜線卷線系統

電纜線卷筒隨爬行機構運行而轉動，實現電纜線有序收放，避免電纜線散而亂，從而引發安全事故。

2.6 無線遙控系統

采用“無線遙控裝置”，靈活性和自動化程度更高。

2.7 提升、吊裝機構

快速、準確地實現防水板、土工布卷材的安裝工作，減輕工作強度，提高工效。

3 技術創新

3.1 爬升系統的設計與齒輪齒條傳動的應用

爬升驅動裝置主要承受爬行機構自重、工作臺自重、防水板重量、工作機具、作業人員重量以及氣囊在轉動時與防水板之間的摩擦力等載荷。其載荷大小如表1 所示。

表1 爬行機構主要載荷

載荷合計為33.6kN，考慮到液壓油、油管等其他載荷，現取最大載荷Fmax=40kN。

3.1.1 電機的計算選型

最大載荷Fmax即為爬升機構所需克服的載荷，也為齒輪傳動中齒輪分度圓切向力，

根據公式：

式中，Fmax為爬升機構最大載荷；T1為爬升驅動輪驅動扭矩；d1為爬升驅動輪直徑。

根據：

式中，P 為爬升驅動總功率；T1為爬升驅動輪驅動扭矩；n 為爬升驅動輪轉速，取5r/min。

根據以上步驟，初步選擇的驅動電機功率為1.26kW，考慮到功率損耗和驅動安全系數，驅動裝置由2 組機構組成，故單臺電機的功率為：

式中，P1為電機初步選擇功率；K1為電機驅動安全系數，取2.5；η1為電機功率損耗系數，取0.9；η2為齒輪齒條傳動功率損耗系數，取0.85；η3為減速機功率損耗系數，取0.85。

查閱《機械設計手冊》，選擇4 級電機，功率選擇3kW，轉速為1450r/min。

最終選擇電磁制動電機的規格型號為：

YEJ90S-4，輸出轉矩為T轉=2.3kN·m。

由于爬升機構最大載荷Fmax=40kN，爬升機構由兩組機構組成，即單組電機需要承載的扭矩為：

式中，T2為為電機克服扭矩；Fmax為爬升機構最大載荷；d1為爬升齒輪直徑。

T2=1.66kNm＜T轉=2.3kN·m，即電機制動滿足使用要求。

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3.1.2 爬升減速機的選型

根據設計爬升速度1.5m ～2m/min 的要求，減速機選用擺線針輪減速機，查閱《機械設計手冊》，減速機選擇二級減速機，速比：289，立式，型號：85，輸入功率P=3kW，輸出轉矩T=4510N·m，減速器的規格型號為：ZLED-289-85-3kW。

3.1.3 齒輪傳動系統的選型

（1）確定齒輪材料、熱處理方式、傳動進度等基本參數：

根據傳動載荷大小、使用環境、后期維護保養以及大小齒輪的關系，小齒輪選40Cr 鋼，調質處理，齒面硬度取260HBW，大齒輪選45#鋼，調質處理表面，硬度取230HBW。傳遞的功率為3kW，驅動輪轉速n=5r/min，

（2）確定許用應力、齒面接觸疲勞強度設計：

查詢齒根彎曲疲勞強度表，以及安全系數，得：

式中，σbblim為齒根彎曲疲勞極限；SF為齒根疲勞安全系數。

因齒面硬度小于350HBW，屬于軟齒面，所以按照齒面接觸疲勞強度進行設計。

確定基本參數：Z1=15，Z2=1508，m=8，載荷為輕度載荷，齒寬系數取φd=0.25。

確定齒輪寬度：b2=Z1×m×φd=15×8×0.25=30mm；

為了補償兩輪軸向尺寸的安裝誤差，使大齒輪寬度大于小齒輪，考慮安裝結構尺寸的影響，小齒輪的寬度應大于大齒輪，故：

取小齒輪齒寬b1=70mm，大齒輪齒寬b2=30mm，小齒輪分度圓直徑：d1=15×8=120mm，

（3）驗算齒根彎曲疲勞強度：

爬升機構有兩組驅動裝置，單個小齒輪轉矩為：

式中，T3為小齒輪轉矩；P 為爬升驅動總功率；n 為小齒輪的轉速，取5r/min。

查齒形系數表得知，齒形系數YF=3.25，傳動比較平穩，查得載荷系數表得知，載荷系數K=1。

式中，K 為載荷系數；T3為小齒輪的轉矩；YF為齒形系數，查表得3.25；b1為小齒輪的寬度；m 為齒輪模數；Z1為小齒輪齒數。

由于大齒輪的齒數較多，接近齒條，現只對小齒輪進行齒根彎曲疲勞強度進行驗算。

（4）驗算圓周速度

小齒輪的圓周速度為1.88m/min，符合設計要求。

3.2 橡膠氣囊在防水板臺車中的應用

橡膠氣囊主要是將防水板頂緊，使防水板緊貼初支表面，針對初支表面的凹凸不平情況，充分利用氣囊的特殊構造，保證橫向4m 方向防水板達到80%以上能緊貼初支表面，減少人工扶持的工作強度。

氣囊端部預留氣管和壓力表安裝位置，實時觀察氣囊壓力值，及時進行補充氣壓。

圖1 橡膠氣囊

氣囊基本參數：

氣囊壓力：0.01MPa ～0.02MPa

適應初支面不平整度：D/L ≤1/10

3.3 工作平臺機構

爬升機構內側設有工作臺吊掛軸，爬行機構通過電機、減速機構帶動小齒輪，與焊接在拱圈頂部的齒條嚙合傳動，實現爬升，實現工作臺隨爬升機構同步環向雙向運行。

圖2 爬升工作平臺

3.4 無線遙控系統

臺車整體行走、對中、調平采用無線遙控操作，滿足操作人員實地操作，近距離觀察，同時對操作人員也是一種保護。

3.5 安全措施系統

為了保證人員和設備安全，加設了三道安全保護裝置。第一道：電磁制動電機安全裝置。第二道：電磁吸盤制動系統。第三道：在拱圈兩端設置機械擋板制動裝置。

3.6 電纜卷線器

工作原理：位于卷線器內部的回卷彈簧帶動線槽順、逆時針旋轉，線槽將電纜線進行拉伸或收縮。實現對電纜線進行集約化的管理，解決以往電纜線雜亂散落的問題，大大節約了工作空間，美化了工作環境，提升了使用安全性。

電纜卷線器主要參數：

型號：400-700-90-150

卷筒規格：筒身直徑φ1=400mm

最大外徑φ2=700mm

線槽凈寬度B=90mm

最小收放力：Fmin=150N

電纜線選用5×10mm2，銅芯電纜，查表得其參考質量為：120kg/km，約合重力：1.2N/m。

按照設計，爬行機構在運轉時所需電纜線的總長度為22m，22m 電纜線總重力G總=1.2×22×5=132N

卷筒的最小收放力Fmin=150N＞G總

因此，電纜線卷筒的收放力滿足設計要求。

3.7 卷材提升系統的設計

防水板卷材安裝機構由橫梁、滑梁、掛輪、電動葫蘆等組成。橫梁與防水板門架相連接，通過掛輪將滑梁懸掛于橫梁上，滑梁端部安裝有電動葫蘆。使用過程中，電動葫蘆將防水板卷材提升至需要位置，通過人工外力，使滑梁水平移動，實現防水板卷材安裝至小車支架相應位置，此結構安全、便捷，省時省力。

圖3 吊裝系統

4 新型防水板自動鋪掛臺車的效率優勢及實際應用

4.1 工效對比

新型防水板自動鋪設臺車與傳統臺車進行工效對比，有諸多優點，如表2 所示：

前提條件：鋪設一板土工布和防水板：一板長度12m，防水板、土工布每卷長度24m；

表2 功效對比表

4.2 市場反映

該新型防水板鋪設臺車在多個項目已經投入使用，根據施工現場的反饋及回訪中得知，其鋪設工效更高，質量效果更好。整體鋪設效果如圖4 所示。

圖4 使用效果

5 結語

隧道防水板鋪設臺車創新技術應用以來，具有鋪設質量好，工效高，安全系數高，自動化、機械化程度高，經濟效益好等優點，是一種新型的防水板鋪設隧道工裝設備，實現了機械化換人和自動化減人的目的，有很好的應用空間，在實際施工中具有重要意義。