拱架预拼装台车在隧道施工中的应用研究

拱架预拼装台车在隧道施工中的应用研究

杨航航吴蜜蜜

洛阳中铁强力机械有限公司 河南洛阳 471000

摘要：目前在我国高速铁路建设中，越来越多的隧道采用智能型拱架安装机的自动化施工技术。全智能型拱架安装机可以自动完成拱架设置及定位、振动等水平工作，具有工作效率高、安装质量稳定等优点。除此之外，在施工过程中，可以降低施工劳动强度，提高施工安全性、精度和稳定性，实现可视化施工，在某种程度上可以提高生产效率。

关键词：高速铁路隧道；施工技术；质量控制

在隧道施工中，为了防止因遇到软弱岩层、围岩破碎、渗水严重等因素造成洞身局部失稳或大面积坍塌，需及时对隧道洞壁进行支护以确保施工安全和正常的施工进度。安装钢性拱架作为初期支护关键程序，以控制围岩变形，防止坍塌，通常与钢筋网、锚杆、喷射混凝土工序整体构成锚喷支护。现阶段，我国隧道施工过程中钢拱架安装主要采用人工台架和拱架安装台车两种方式。

1.拱架预拼装台车在隧道施工中的作用

目前公路隧道采用钻爆法施工较多，每一循环钻孔、装药、爆破后，采用装载机装渣、自卸汽车运输的方式将爆破的洞渣清理出洞外，然后安装拱架、喷射混凝土。在施工管理日趋精细化的今天，工序已经做到无缝衔接，如何进一步提高隧道施工效率，是每一位隧道工程建设者所面对的一道难题。在隧道施工各工序中，拱架安装工序耗时比重较大，虽然目前国内外已有专用的拱架安装台车，但是该台车使用过程中需隧道断面较大时才能方便施工，断面较小时，拱架安装台车无法有效发挥其作用且拱架安装台车每次只能进行一榀拱架的安装。因此拱架安装台车的研究对推进长隧道建设，加快建设效率，提高施工机械化水平具有重要意义。

2传统拱架安装工艺

2.1工艺流程

目前公路隧道采用钻爆法施工较多，每一循环钻孔、装药、爆破、采用装载机装渣、自卸汽车运输的方式将爆破的洞渣清理出洞外，然后安装拱架、喷射混凝土，每循环上道工序结束后进行下道工序施工。传统拱架安装工艺拱架安装在出渣作业结束后进行，出渣结束后将开挖台车推至掌子面立架位置，由装载机将拱架倒运至台车附近，然后人工将每节拱架拼装完成并进行定位，拱架定位完成后再进行连接钢筋、钢筋网片、锚杆施工，最后进行喷射混凝土作业完成初期支护施工。

2.2弊端分析

（1）传统拱架安装工艺掌子面出渣结束后方可进行拱架安装作业，拱架安装作业施工时间较长，钻孔及出渣作业时间无法充分利用，施工工效较低，单循环耗时较长。

（2）传统拱架安装工艺拱架安装过程中拱架提升、移动及定位操作机械化程度低，主要依靠人工作业，单榀拱架重量约在550-650kg，施工人员劳动强度较大，人工成本较高。

（3）传统拱架安装工艺整个拱架安装过程均在裸露围岩下进行，施工人员在裸露围岩下的作业时间较长，施工风险较高。

3拱架快速安装工艺

3.1拱架预拼装台车

隧道用拱架预拼装台车由五部分组成，自下至上分别是：行走系统、结构框架、液压油缸系统、起重系统、拼装作业平台，行走系统由四个行走钢轮组成，台车行走需由装载机配合完成；结构系统由工字钢焊接组成。

3.2工艺流程

3.2.1拱架预拼装

在掌子面钻孔或出渣作业前，先将施工所用拱架通过运输机械运输至指定位置，再将台车按照预定轨道移动至拱架位置，在钻孔以及隧道出渣过程中进行拱架预拼装，同时完成A单元拱架拼装及连接钢筋的焊接。

3.2.2拱架定位

当出渣作业结束后，将拱架预拼装台车移动至掌子面立架位置，通过调节液压油缸系统将A单元拱架初步定位至设计位置，初步定位完成后开始安装B单元拱架，直至完成整榀拱架的安装，整个拱架安装完成后调节液压油缸系统实现拱架整体精确定位。

3.2.3操作步骤

（1）环境检查：在智能型拱架安装机的安装现场，需要对环境进行检测，防止操作时出现障碍物，如土石、掉块等。

（2）机械系统测试：将智能型拱架安装机开入隧道内，根据现场的参数设置进行机械系统的测试，以确保其正常工作。

（3） 安装拱架：根据设计参数，在隧道内进行拱架安装。可以根据设计需要，设置预留口和支撑点等设置位置和信息，便于在安装拱架时进行有针性的操作。

（4）拱架安装机操作流程：首先将拱架安装机开入隧道内，定位拱体和准备支撑点，扫描临时支撑点，根据设计参数自动进行安装支撑点和拱架，确认拱架的位置和状况，并进行必要的校正，检查拱架及支撑点，完成后扫描上一节拱架，直至所有拱架完成安装。

（5）安全操作流程：在使用智能型拱架安装机时，必须严格按照安全操作规程进行，保证安全作业环境，确保现场施工人员的安全，以达到高效、安全、省力、工艺规范的安装。

4与传统拱架安装对比

（1）传统拱架安装工艺耗时长、工效低，拱架快速安装工艺利用拱架预拼装台车可有效缩短拱架安装时间，提高施工效率，以安装三榀拱架为例，拱架快速安装工艺可缩短拱架安装时间一个小时以上。

（2）传统拱架安装只能在出渣结束后进行，采用拱架快速安装工艺，利用拱架预拼装台车可实现隧道钻孔或出渣作业与拱架安装工序的平行作业，在钻孔或出渣作业时完成拱架的预拼装，充分利用了钻孔及出渣工序时间。

（3）传统拱架安装工艺拱架需在掌子面处裸露围岩下按节拼装，采用拱架快速安装工艺，拱架在已完成初支段落进行预拼装，再进行整体安装定位，拱架的整体性得到提升，缩减了裸露围岩下的人工作业时间，降低了施工风险。

（4）拱架预拼装台车的液压系统能够在三维空间内移动，实现拱架的精确定位。拱架安装过程中，机械化程度高，将传统人工作业改变为机械化、模块化作业，缩短了工序耗时，提高了施工工效，降低了人工成本，符合绿色施工理念。

5.新型拱架安装台车的技术优越性解析

5.1更凸显安全、环保、节能

控制系统之中主要应用了低压控制系统，且配置了相应的倒车警示灯、机械手作业指示灯；机械臂的回转更加安全；在整车模式下，可以实现全景的实时监控。行车制动主要采取双回路液压制动，更加安全可靠；机械手、平台自动的调平设计优势存在，因此实际的作业更加平稳；国Ⅲ电喷柴油发动机具有燃油经济性高，废气排放量低的优势；IE3高效三相的交流异步电机既高效又节能，同时噪音相对较小不会对操作人员产生影响。

5.2整机的设计更加先进且完善

整机主要采用了正T型结构的全工程底盘，为四轮驱动的模式；三臂的全回转结构设计，凸显结构紧凑的特点，展臂的回收更加自如灵活，属于国内首创机型且使用成效较为理想，现如今已获取国家发明专利；基于整机的实际模拟工况下能够实现最优化的匹配设计，重心位置得更加科学合理、通过性能更加完善，且呈现出抗倾覆性更强的优势。

5.3操作、维护、保养工作的开展更便捷

使用的是双无线遥控器操作，工作的平台更加独立，三臂机械手可以实现独立控制和同时的工作；操作的手柄、按钮、操作位置均符合工作人员的操控习惯，人机之间的交互体现流畅特点；设备和仪表的位置更加明显，便于实时监控设备的具体运行状态；整机的布置更加科学与合理，后续实际用于维护、保养和检修的空间较大，且便于工作人员的操作。其中配置了旋转式驾驶室，使得工作人员的操作更加舒适，同时还可以拓宽个人的视野。

结论

随着科技进步和法律法规对隧道施工要求不断提高，生产厂家持续改进和新技术、新工法的不断应用，人员施工成本不断增加和法律法规逐步健全严格，可以预见未来拱架安装台车会逐步替代人工台架，应用于隧道施工。拱架安装机在安装拱架过程中，安全性高显特点，在加快施工期、缩短工程进度的同时，也可以大大减轻现场工人的劳动强度。

参考文献

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[3]王英, 刘春雷, 宁亚强, 等. 智能型拱架安装机器人关键技术及应用研究. 现代制造工程, 2020, 2: 080-083.