新型鑿巖安全保護臺車的設計與實現

潘福營，張興彬，殷 康，龔振如，杜 藏

（1.國網新源控股有限公司，北京 100000；2.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南 洛陽 471700）

隨著電網安全穩定經濟運行要求不斷提高和新能源在電力市場的份額快速上升，抽水蓄能電站開發建設的必要性和重要性日益凸顯。根據水電發展“十三五”規劃，“十三五”期間全國將新開工常規水電和抽水蓄能電站各6000萬kW左右，新增投產水電6000萬kW，抽水蓄能電站正處于大規模建設時期。

隧道施工是水利水電建設工程的重要組成部分，施工過程中機械設備的選型與配套是影響施工效率的主要因素之一，對于隧道施工而言意義重大，它不僅關系著施工的速度，而且會影響安全、質量和效益。目前，水利工程小洞徑洞室開挖主要采用鉆爆法。鉆爆法因其具有經濟高效、地質適應能力強等優勢，已經在國內外水電、礦山、公路、鐵路等許多工程領域的隧道建設中被應用，但該開挖工法也存在投入人員多、勞動強度高、作業環境條件差、鉆進速度慢等缺點。在施工機械的使用方面，抽水蓄能電站在中小型斷面洞室開挖、支護過程中常使用施工單位自制普通臺車，配合手風鉆鉆孔。臺車一般由施工單位在現場焊接制作，車體一般為門架式，底部安裝滾輪或隨洞室開挖支護用裝載機等機械舉起向前推進，操作方式原始，且門架式臺車尺寸固定，不能適應不同尺寸的洞室。另外，臺車上部一般無防護功能，施工人員在進行開挖支護作業時可能被落石砸傷，存在一定的安全隱患。因此，針對抽蓄電站隧道施工設計制造一種對洞室施工作業人員（開挖支護等）具有一定的安全保護、方便移動且功能轉換操作簡便的多功能新型鑿巖臺車十分必要。

新型鑿巖安全保護臺車按河南洛寧抽水蓄能電站通風安全洞斷面圖進行設計。該抽水蓄能電站位于河南省洛陽市洛寧縣澗口鄉，處于河南電網、華中電網負荷中心，總裝機容量140萬kW，安裝4臺單機容量35萬kW可逆式水泵水輪發電機組，設計年抽水電量19.88億kW·h，設計年發電量14.91億kW·h，施工總工期75個月，計劃于2026年全部投產發電。電站建成后主要承擔河南電網的調峰、填谷、調頻、調相及緊急事故備用等任務，對優化河南地區電源結構，緩解河南電網和華中電網系統調峰調頻壓力，優化提高風電、光伏等新能源的消納和區外來電的接納能力，促進清潔能源發展，推動地方產業結構優化調整，建設國家清潔能源示范省具有十分重要的意義。

1 新型鑿巖安全保護臺車的設計

1.1 設計思路

新型鑿巖安全保護臺車通過改進常規開挖支護臺車，實現了臺車寬度和高度在一定范圍內的自動調節，適用于不同斷面洞室開挖支護；安裝移動裝置、液壓動力系統，實現臺車自動移動。在車體上安裝防護罩，在進行開挖支護作業施工前，通過防護罩實現點、面結合的安全防護功能，最大程度降低了施工安全風險。并結合洛寧抽蓄電站通風兼安全洞工程開挖特點，最終優化為多功能新型鑿巖臺車方案。

設計方案依據圍巖松動圈理論和新奧法支護原理，通過計算相關洞室Ⅳ類松動圈范圍和可能掉落的沖擊力，防護罩按照臺車所適用的最大斷面洞室Ⅳ類圍巖松動圈內巖石全部脫落的沖擊力設計，可以防護Ⅳ類及較好圍巖段洞室坍塌。Ⅴ類圍巖施工時一般采用超前小導管、管棚等強支護方式施工，不容易坍塌，且比例在洞室占比很小，未考慮防護Ⅴ類圍巖松動圈脫落的沖擊力。

1.2 設計要點

（1）圍巖松動圈內巖石掉落沖擊荷載的確定是關鍵?？紤]最不利因素時，爆破松動后圍巖應力重新分布形式難以計算，鉆孔作業時震動會對圍巖應力分布造成影響。

（2）臺車防護罩和支撐裝置聯合動荷載或受力分析，以便于確定臺車防護罩材質、厚度和可伸縮支撐裝置的尺寸。

（3）因臺車在廠家生產，臺車液壓移動動力裝置、臺車防護罩、可伸縮支撐裝置、操作平臺等相關部件如何有效組合是一個難點，需將臺車設計模塊化，以便于推廣應用。

1.3 臺車的設計方案

由頂防護架體總成、液壓機構、門架總成、主行走機構、液壓控制系統、電氣控制系統等組成，設計方案圖如圖1所示。

1.4 臺車主體部分的設計與研究

（1）主體臺車支撐部分。根據通風兼安全洞等電站主要洞室工程斷面尺寸，臺車支撐高度為6～9m，寬度不小于7m，長6m左右；臺車中間可允許運渣車、挖掘機及水泥攪拌車通過，空間高度大約為4m，寬度為3.8m左右；兩側及前后設置吊耳，工作平臺長度不小于3.5m，寬度約2m；兩邊沿洞身方向各設工作平臺2個，并具備可升降功能。該尺寸將滿足洞室開挖支護時臺車支護和升降功能需要，支護高度、寬度能夠調整，可適應大小拱形、矩形和梯形等不同形狀的施工面，并使用新材料，滿足抗彎、抗折和抗沖擊的要求，主體防護裝置支撐力大于6000kN，支撐強度大于1MPa，而且保證其縱橫向穩定性及相應的支護強度。

圖1 臺車設計方案圖

（2）移動裝置。設計臺車移動裝置和動力，配置自動行走電力驅動裝置，行走裝置采用履帶式，移動速度為2km/h，爬坡能力具備攀爬不小于12%的坡度，并能在坡道上啟停和轉向。

（3）安全防護設施。設計制造臺車上部安全防護支撐裝置。根據洞室Ⅳ類松動圈范圍和可能掉落的沖擊力，按照臺車所適用的最大斷面洞室Ⅳ類圍巖松動圈內頂拱巖石全部脫落的沖擊力設計防護罩。防護罩材質擬選用鋼板或輕質高強度新材料制作以減小臺車自重及液壓承載力等，并能滿足操作人員垂直往上鉆孔需要。

（4）自動調節設備。自動調節設備可采用液壓驅動等方式，從而實現臺車自動調節功能。臺車高度調節范圍應不小于6～9m。調節設備應采用電動啟停方式，并具備實地操作和遙控操作、支撐力（壓力）顯示及報警功能，能隨時監控臺車各部分的工作狀態。其能夠根據施工需要，實現作業平臺的升降功能。

（5）作業平臺設備。該臺車共有3層作業平臺：一層作業平臺為地面；二層作業平臺位于液壓式支架兩旁，沿洞身開挖方向長度不小于3.5m、寬度不小于2m，二層作業平臺升降高度范圍為2～5m；三層作業平臺位于最上方，作業平臺長度不小于3.5m、寬度約2m，三層作業平臺升降高度范圍為5～8m。作業平臺四周均具備防護欄，防護欄高度1.2m，要求可以承受8人同時鉆孔作業的動荷載。

2 新型鑿巖安全保護臺車的特點

（1）與傳統的鑿巖臺車相比，文章提出的鑿巖安全保護臺車對洞室施工作業人員（開挖支護等）具有一定的安全保護，在作業過程中可伸出具有伸縮功能的作業臂和防護罩，從而支撐巖壁；采用主動支護方式對頂拱及側壁松散巖體、零星巖石進行支護，以防墜落傷人，能對施工人員形成一定保護作用，降低施工安全風險。

（2）現有的門架式臺車尺寸固定，不能適應不同尺寸的洞室，而新型鑿巖安全保護臺車通過作業臂的升降，可適用于不同洞徑洞室開挖，能提高施工效率，節約施工成本。

（3）抽蓄電站施工中目前所用臺車一般由施工單位在現場焊接制作，車體一般為門架式，隨洞室開挖支護用裝載機等機械舉起向前推進，操作方式原始，且臺車因依靠其他機械前行效率低下，影響施工作業進度。新型鑿巖安全保護臺車具備移動裝置，可縮短臺車轉移時間，提高作業效率。此外，臺車的驅動采用電力驅動方式，可以減少廢氣排放，從而改善洞室作業環境。

3 結束語

隨著抽水蓄能電站的大規模開發，大量的洞室開挖工程使得鑿巖臺車具備廣泛的應用需求。文章提出的具有一定的安全保護、方便移動且功能轉換操作簡便的多功能臺車，將直接為隧洞開挖支護作業人員提供安全防護，大大提高施工的安全性和可靠性，同時通過結構的優化設計提高了臺車的適用性和機動性。臺車的設計與實現不僅能夠直接服務于洛寧電站工程建設，還可在抽水蓄能電站及常規水電站隧洞開挖支護作業中應用，后期亦可在礦山、公路、鐵路等工程領域推廣，具備良好的推廣前景。