新型隧道支護作業設備鋼拱架安裝臺車的研究及應用

倪平利

（中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054）

1 鋼拱架安裝臺車的研究背景及意義

國內鐵路、公路隧道以鉆爆法施工為主，立鋼拱架是隧道支護作業的一道關鍵工序。鋼拱架安裝臺車主要用于鐵路、公路隧道內鋼拱架（工字鋼拱架、H 型鋼拱架、鋼格柵拱架）的安裝，可輔助實現安裝錨網錨桿、裝藥、欠挖處理、隧道檢測、排險等作業。鋼拱架安裝臺車的研究及推廣應用，將會在鐵路、公路隧道鋼拱架施工作業中真正實現機械化，保證鋼拱架安裝的安全和質量，同時起到減少勞動力、有效降低勞動強度、預防隧道職業病的作用,對提高我國隧道施工技術整體水平具有重要意義。

1.1 隧道施工需求大背景分析

中國提出“一帶一路”全球性的倡議，基礎建設配套設施必將會有持久性的需求；國內基礎設施建設的繼續大力投入和城際快速通道的加快開發方興未艾；西部大開發的不斷深入，新建鐵路、公路網近期將不斷增加；我國各地區多種地質條件決定了各類隧道的建設將會越來越多；國家安全環保節能相關法律法規的要求。

1.2 隧道施工工法變革需求背景分析

隧道施工市場對隧道施工技術提出了越來越高的要求；廣泛采用的傳統的人工開挖的成本逐年攀升，職業病、安全質量事故頻發；圍繞傳統鉆爆法隧道施工的機械設備面臨升級換代并國產化的變革需求；響應國家大力推行“隧道施工機械化”號召，中鐵、中交、中建等“中”字頭單位對提高隧道施工機械化水平、加快隧道施工全面機械化已明確地提出了具體要求。

1.3 隧道鋼拱架安裝車在國內外應用情況

在20 世紀80年代起，在歐洲、日本已經作為專業配套隧道施工設備。

截至目前，國外進口鋼拱架安裝臺車設備在中國隧道施工中沒有推廣應用，國內個別單位研發的拱架安裝臺車還處于初步的試用階段。

國內已經有對挖機、裝載機進行改造作為鋼拱架安裝的施工設備，但是施工效率仍然較低，應用效果不好。

2 新型拱架臺車的研究

2.1 國內外拱架臺車現狀

圖1 芬蘭NORMET UTILIFT 2000

芬蘭NORMET UTILIFT 2000 四臂鋼拱架安裝臺車：4 輪驅動，剛性重載底盤，2個拱架安裝臂，2個作業平臺臂。（見圖1）

圖2 中國鐵建重工的SCD112

中國鐵建重工的SCD112 隧道多功能作業車：4 輪驅動，剛性重載底盤，2個拱架安裝臂，1 至2個作業平臺臂。（見圖2）

圖3 北京新能正源環境科技有限公司JC3B1250

北京新能正源環境科技有限公司：多功能三臂拱架安裝臺車JC3B1250；履帶行走底盤，三臂拱架安裝，三臂作業平臺。（見圖3）

2.2 拱架安裝臺車技術狀況

進口拱架安裝臺車：以NORMET UTILIFT 2000為代表的進口拱架安裝臺車，2 根抓臂+2個工作平臺的結構，輪式自行走方式，抓臂底座滑架式，在國外（主要是在歐洲）嚴格的現場工藝規范下能順利地進行鋼拱架的安裝；在國內，由于鐵路隧道、公路隧道的工況條件已發生很大變化，很難適應，因而在國內應用少，推廣面不大。

國產拱架安裝臺車：其代表機型主要為兩個廠家，一是鐵建重工SCD112A，該款機型主要技術來源是在NORMET UTILIFT 2000 基礎上做了局部改進和提高。另一個是北京新能正源環境科技有限公司JC3B1250，3 根抓臂+3個工作平臺的結構、液壓操作，履帶式自行走方式，抓臂底座采用固定擺動式，行駛速度2.8km/h，立拱過程需6個人靠近拱頂和掌子面，適應于大截面的隧道拱架安裝。

2.3 新型拱架安裝臺車的研發

2.3.1 整車外觀

圖4 輪式工程底盤+三臂的總體結構

2.3.2 新型拱架安裝臺車的技術特點

2.3.2.1 整機設計先進

整機采用正T 型結構全工程底盤，四輪驅動；三臂全回轉結構設計，結構緊湊，展臂收臂靈活，國內首創，已獲國家發明專利；整機模擬工況下最優化匹配設計，重心位置佳、通過性好、抗傾覆性強。

2.3.2.2 動力及行駛性能優越

采用雙動力系統，滿足全工況下拱架安裝施工要求；最大時速20km/h，爬坡度30%，隧道進場、山路轉場輕松快速；離地間隙450mm，接近角、離去角20°，行駛通過性優越。

2.3.2.3 作業功能多用途、幅域大、效率高

滿足鐵路、公路隧道鋼拱架（工字鋼拱架、H 型鋼拱架、鋼格柵拱架）安裝；具備安裝錨網、錨桿、裝藥、欠挖處理、隧道檢測排險等輔助作業功能；拱架機械手可加裝工作吊籃，三工作臂可單獨或平行作業；拱架機械手可近地面抓取，快捷裝夾；拱架機械手電比例控制，能夠靈活、精準、快速實現對拱架的安裝；單臂機械手最大夾持重量1t，作業高度可達12.8m（目前國內最高）；工作平臺機械手額定荷載500kg，平臺面積1.2mx1.6m。

2.3.2.4 操作、維護、保養方便

雙無線遙控器操作，工作平臺獨立操控盒，三臂機械手獨立控制，同時工作；操作手柄、按鈕、操作位置符合操控習慣，人機交互流暢；設備儀表位置明顯，能方便有效監控設備運行狀態；整機布置合理，維護保養、檢修空間大，便于操作；配置旋轉駕駛室，操作人員操作舒適，視野開闊。

2.3.2.5 專注安全、環保、節能

控制系統：

（1）采用低壓控制系統。

（2）配置倒車警示燈、機械手作業指示燈。

（3）機械臂回轉安全限位。

（4）整車實時全景監控。

行車制動采用雙回路液壓制動，安全可靠；機械手、平臺自動調平設計，作業平穩；國Ⅲ電噴柴油發動機，燃油經濟性好，廢氣排放低；IE3 高效三相交流異步電機，高效節能，低噪音。

3 XZGT311 拱架安裝臺車應用推廣情況

3.1 截至目前推廣應用的鐵路公路線路

鐵路線：鄭萬高鐵線、成蘭高鐵線、牡佳客運專線。

公路線：貴黃高速、綿九高速、理小環線。

3.2 設備實際使用情況

（1）顯著優點

滿足鐵路公路隧道所有拱架（I 字鋼、H 型鋼、格柵）的安裝施工；滿足全斷面及臺階法開挖工法；極大降低勞動強度；有效降低臺班人數（與人工立架可減少4 至6人）；極大提高作業安全性。

（2）急需優化改進方向

與人工立架全過程（含立架、焊連接筋、掛網片）比較，工作效率沒有顯著提高，重點放在提高焊接連接筋和掛網片的工作效率上；安裝拱架過程中快速處理拱面缺陷的工具缺失，影響整體安裝工作效率；操控性能的穩定性。

4 新型拱架安裝臺車的技術發展趨勢

目前，國內鐵路、公路隧道拱架安裝臺車的發展趨勢分析結果：更傾向于輪式自行走方式，機動性強；抓臂、工作平臺臂更靈活、快速反應，操作性好，安裝工作效率高；隧道施工的適應性更強（隧道截面的變化、開挖方式的變化等）；能實現一機多能，多功能輔助作業；更多節能減排、低碳環保、減震降噪、安全保護等技術的應用；維護檢修更方便；智能化發展，實現無人操作。

總之，穩定可靠、適應性強、經濟適用、易操作性、易維護性、高安全性、環保降噪、智能化程度高的新型拱架安裝臺車是未來技術的發展趨勢。