高海拔地区长轴线小断面隧洞施工机械的研究

2015-04-06王虎山

陕西水利 2015年5期

王虎山

（中国水电基础局有限公司天津武清 301700）

1 概况

近十几年我国基础建设飞速发展，水利水电开发已从大型流域往小型流域逐渐扩展，从而也导致中小型水利水电项目中的小断面输水、引水隧洞工程不断增多。目前市场上没有完全适应小断面隧洞施工的一整套施工机械，故导致小断面施工难度较大，所需用的施工工期较长，往往成为工程的关键线路。

岗色水电站是西藏自治区重点水利建设项目，受到高度关注，它的建设将对当地社会、经济发展具有重大意义。该电站的建成将在推动地方经济发展的同时，进一步促进地方实力的增强，改善民生，提升地域影响力，并对国家领土完整、领土安全起到积极的保障作用。

岗色水电站的引水隧洞工程，隧洞断面为2.9m×3.85m（宽×高），整条隧洞的长度为2.6km，中间无任何的施工支洞，在施工过程中将面临以下困难：1）开挖断面较小，洞内作业空间狭窄；2）洞身穿过地层岩性为花岗片麻岩，中粗粒结构，块状构造，岩质坚硬，强度较高，爆破出渣效果不好；3）沿线山体较厚，局部地段张裂隙发育，围岩完整性差；4）在设计过程中设计未考虑施工实际情况，没有合理的设计支洞；5）受隧洞断面尺寸小影响，衬砌时混凝土浇筑只能逐仓进行，最终导致工期保证率大大降低；6）工程地处高原亚寒带和高原温带，具有空气稀薄、气温低、昼夜温差大、太阳辐射强、风大且频繁、霜冻期长等特点，冬季缺氧可达50%左右，施工条件较为艰苦，人工及设备生产效率较低，一般的设备较难适应在这种环境下的高强度运行；7）目前市场上还没有完全适用于本工程隧洞施工的机械。

因此，在开挖阶段有必要对目前市面上的小断面施工设备进行选型、组装方面的研究，以加快施工进度。

2 设备的研究

结合本工程所在地实际情况，在现有设备基础上，对其中的缺点部分进行分析研究论证，适当改进，满足完全适应小断面施工的要求，从而提高机械设备使用效率。

2.1 现有出渣设备缺点

①现有扒渣机存在五个缺点：一是扒渣机摆臂水平方向摆动存在一定的局限性，扒渣时存在较多的死角，导致出渣残留较多，需通过人工辅助来完成；二是由于输送宽度固定，导致粒径超过皮带输送机宽度的渣块，不能被输送，需通过二次爆破来完成；三是输送带由尼龙皮质材料制作，其磨损消耗较大；四是龙门架高度固定，导致粒径超过龙门架高度的渣料不能被输送；五是扒渣机为柴油驱动，在洞内长时间出渣时，尾气污染空气较为严重，在本工程高原缺氧的环境中，易导致施工人员中毒。

②现有运渣车辆存在三个缺点：一是受固定驾驶楼影响，在小断面隧洞内必须通过掉头来完成运输任务；二是车体装渣数量有限，导致出渣时间较长；三是由于出渣时间较长，导致柴油驱动的运输车辆尾气污染空气较严重，在高原缺氧的环境中，不但会使设备功率进一步降低，而且也易导致施工人员中毒。

2.2 衬砌材料及设备缺点

现有支模设备、材料存在缺点是：一是占用空间较大，阻断洞内交通，不能形成多仓同时浇筑的局面；二是支模时间较长，致使功效较低；三是使用人力资源较多，导致工程成本较高；四是支模所用材料较多，材料消耗较大，造成施工成本较高；五是由于现有材料、设备局限，容易出现爆模、漏浆、移位等质量问题。

针对以上设备存在的缺点，结合工程的实际对现有设备进行适当改进，从而达到满足工程施工需求。

3 设备改进

根据确定的小断面隧洞施工机械改进方案，采购材料、元器件等，请专业人士进行机械改装。具体改进为以下几点：

3.1 扒渣机改进

扒渣机改进为以下几点：

①扒渣机摆臂增加活动节及摆动液压缸。具体改进方法是，将第一节活动臂从中间截断，然后以竖直向焊接加装可活动的销轴，用销轴链接截断的摆臂，销轴应满足所有摆臂自重、满爪渣体重量以及工作时最大冲击力强度要求，然后在前臂上用钢板焊接一个三角形支架，支架远离摆臂部位加装一个可转动轴销，轴销用于链接液压缸顶杆，在后臂上加装液压缸底座链接支架，为便于操作，在操作平台单独加装一套液压阀，以实现对摆臂水平向旋转进行操作。

②皮带输送机两侧护板改进。将原来以焊接的护板沿根部与机架切离，再用市场现有使用于门上的活页沿机架均布进行链接，活页两边分别焊接于机架和护板上，为保证护板的压紧力，防止细渣从护板与输送带之间的缝隙掉落于机体两侧，在护板上均布弹簧，使用弹簧力将护板压紧于输送机传送带上。通过活页及弹簧可实现护板的自由张合及与输送带的紧密接触，最终实现超宽粒径顺利通过。

③输送带改进。采用并排链条来替换尼龙皮质输送带，在原来的驱动滚筒上，并排焊接链齿，通过链齿来驱动链条。

④龙门架改进。将龙门架从根部与机架链接部位切离，在机架两侧各焊接一个槽钢，槽钢作为龙门架上下活动滑轨，在机架与龙门架支架两侧各加装一个同型号液压缸，两个液压缸进出液压油管采用并联方式，由一个液压阀控制，从而保证两个液压缸同步动作，液压阀单独加转在操作台。

⑤柴电混合动力驱动改进。将原来的柴油发动机进行移位，在原柴油发动机与变速器之间加装一个同功率电动机，为便于链接，将电动机转子轴加长，然后在轴两端分别加装一个联轴器和一个离合器，电动机与变速器采用联轴器链接，电动机与柴油发动机采用离合器链接，离合器的功能主要是，在电动机在工作时，防止带动柴油发动机，从而损坏柴油发动机。柴油发动机与电动机存在不同的使用功能，在长距离移动扒渣机时，使用柴油发动机驱动扒渣机行走，在小距离及扒渣作业时，使用电动机驱动。

3.2 运渣车辆改进

①驾驶楼改进。将驾驶楼与机架分离，采用转盘将机架与驾驶楼链接，为节省旋转空间，降驾驶楼改小，大小只容纳驾驶员即可。将方向盘传动杆截断，然后用万向轴进行链接，方向盘传动杆从转盘中间，垂直向伸进驾驶楼，传动杆固定于机架。由于运渣车辆改为电动机驱动，所以驾驶楼内取消离合器踏板和油门踏板，只保留刹车踏板，为便于驾驶楼旋转，将刹车踏板的连杆传动，改为液压传动，用高压钢丝胶管作为液压油管。驾驶楼内电器不需要改进，只需加长线路即可。

②车厢容量改进。由于扒渣机出料口高度有限，在车架及发动功率能够满足的情况下，为尽可能增大车厢容量，将车厢底盘尽可能降低，同时将车厢四周边帮按照扒渣机出料口最大高度较高。将上架式弹簧板改为下悬挂式弹簧板，从而降低车厢。车厢边帮用钢板角钢焊接加高。

③动力系统改进。将原来的柴油发动机摘除，改为同功率的电动机，电动机与变速箱采用联轴器链接，为防止电动机启动时过载损坏，将多级变速箱改为低、高两速变速箱，要求车辆起步时采用低速启动，行驶后采用高速启动。电动机使用蓄电池供电，电瓶容量、数量按照电动机24h用电量计算，考虑到蓄电池充电时间较长的因素，则将电瓶组只作为可快速更换式，共准备为两套电池组，一组在车辆上供电，一组备用充电。

3.3 衬砌设备改进

用钢板制作模板表面，其背面先采用角钢焊接加固，然后再焊接槽钢进一步加固，在槽钢上焊接伸缩丝杠，在龙门架上焊接可旋转齿轮组，通过该齿轮组可实现丝杠的伸缩，同时带动各模板伸缩，从而实现模板定位及拆模需求。龙门架采用槽钢焊接制作，龙门架中间空隙高度及宽度能够满足小型农用车辆通过即可。龙门架底部焊接滚动轮，该轮主要为了方面模板整体移仓需要。为方便模板表面涂抹脱模剂，在模板表面每个一定距离开设一个窗口，用钢板及活页制作仓门，用来混凝土浇筑时封堵模板窗口。