一种新型隧道锚杆台车设计

周远航，刘瑞庆，李大伟

（中铁隧道集团有限公司专用设备中心，河南洛阳 471009）

0 引言

隧道建设是铁路、公路建设的关键环节，建设难度大、周期长、成本高，是整个项目的控制性工程之一[1]，国家“一带一路”战略规划和“2020年全面建成小康社会”的宏伟目标，加速了中西部地区道路交通的建设。西部地区山川相连，地质活跃，隧道建设难度大、风险高，建设过程中需要进行锚护作业，隧道锚杆台车是隧道锚护作业的专用施工设备，其具有施工快速、高效、便捷的优点。

国外锚杆台车技术成熟，产品性能优良，但价格高，供货周期长，保养维修难度大，对操作人员要求高；国内锚杆台车研制处于起步阶段，产品质量不稳定，售后服务差[2]。我国锚杆台车市场，特别是公路、铁路隧道锚杆台车市场基本被国外品牌占据，不利于国内施工企业发展，制约了国内隧道工程建设[3]。因此，本文在借鉴国外先进机型的基础上，结合国内隧道施工特点，设计一种性能稳定、价格合理的隧道锚杆台车，可一次性完成钻孔、清孔、注浆、安装锚杆等工序，满足国内隧道建设的需求。

1 总体结构及工作原理

随着国内隧道建设的增多和施工难度的加大，立足国内隧道建设的特点与国情，设计一种新型自走式隧道锚杆台车，该台车主要由工作臂、工作平台、底盘、凿岩系统、锚杆安装系统、注浆系统、电气系统、液压系统、空压机和水泵等组成，可以一次完成钻孔、清孔、拌浆、注浆和锚杆安装等工序[4]。锚杆台车的结构如图1所示，主要参数如表1所示。该机行走动力由发动机提供，工作动力由主电机提供，台车凿岩系统、工作平台与空压机动力由液压系统提供，拌浆、注浆与水泵动力由电气系统提供。

图1 新型隧道锚杆台车结构示意图Figure 1 The schematic diagram of new type tunnel anchor rig

工作时，主电机带动液压油泵为钻臂、工作平台、空压机等提供动力，水泵电机为水泵提供动力。操作人员在主操控台控制钻臂和凿岩机工作，实现钻杆定位和钻孔，钻孔结束后，钻臂落下，工人控制工作平台升至锚杆孔位置，根据孔口与水平面夹角的大小和方向，选择采用高压水或高压空气对锚杆孔进行清洗（孔口与水平面夹角≥15°且孔口向上时，采用高压空气清洗；孔口与水平面夹角＜15°,或孔口向下时，采用高压水清洗），清洗后对锚杆孔进行注浆作业，采用锚杆安装器将锚杆安装在锚杆孔内，安装预先制作的钢筋网片，采用湿喷台车喷射混凝土，锚护作业完成[5]。

表1 新型隧道锚杆台车主要参数Table 1 The main parameters of new type tunnel anchor rig

2 主要部件结构与参数

2.1 钻臂

钻臂主要用来对隧道开挖平面进行钻孔前定位和钻孔，钻臂主要由凿岩机、钻臂大梁、钻臂伸缩梁、推进梁、拐臂、控制系统、液压系统等组成，钻臂结构如图2所示，主要参数如表2所示。

工作时，钻臂由主操控台进行控制，根据隧道锚护需求，调节钻臂大梁摆动油缸、钻臂伸缩梁调节油缸、钻臂俯仰油缸、推进梁翻转油缸的伸缩量和拐臂油泵的旋转角度，实现钻杆的准确定位，钻杆定位后，推进梁顶紧隧道开挖面，防止钻孔过程中由于振动造成钻杆位置变化，启动凿岩机，凿岩机自身产生冲击和旋转两种动作，在凿岩机推进油缸的作用下前进，多种运动组合实现对隧道开挖面的钻孔作业[6]。钻臂一次钻孔深度为4 mm，通过接杆可以实现30 mm的最大钻孔深度。多级定位调节装置可以快速准确实现钻杆的定位，且钻臂工作结构尺寸小、工作范围大、适用面广。

2.2 工作平台

工作平台主要用来对锚杆孔进行清洗、注浆和安装锚杆，主要由吊篮、工作平台大梁、工作平台伸缩梁、吊篮调平油缸、锚杆安装器、锚杆、注浆软管、冲洗接头、控制系统、液压系统等组成，工作平台结构如图3所示，主要参数如表3所示。

工作时，工人操作吊篮上的控制系统，调节工作平台大梁摆动油缸、工作平台伸缩梁调节油缸的伸缩量，将吊篮移动至锚杆孔位置。根据锚杆孔与水平面的夹角和方向，选择高压水或高压空气对锚杆孔进行清洗，去除孔内杂质。采用注浆软管将预制的水泥砂浆注进锚杆孔内，将锚杆采用锚杆安装器安装在锚杆孔内，达到一定结构强度后，将预先制作的钢筋网片安装在锚杆上。工作平台为双控制系统，即主操控台和工作平台上均可实现对工作平台的控制，当工人在吊篮上工作时，启动吊篮上的锁定开关，可以使主操控台上控制工作平台的控制手柄失效，防止人为误操作，提高施工安全性[7]。吊篮上设置紧急开关，当出现紧急情况时，打开紧急开关，吊篮会缓缓放下。吊篮上方设有护罩，防止隧道塌方时对吊篮上的工人产生伤害。吊篮上的调平油缸由传感器控制，当吊篮底板倾斜时自动调节吊篮调平油缸，使吊篮始终处于水平状态[8]。

图2 钻臂结构示意图Figure 2 The schematic diagram of drilling arm

表2 钻臂主要参数Table2 The main parameters of drilling arm

图3 工作平台结构示意图Figure 3 The schematic diagram of working platform

表3 工作平台主要参数Table 3 The main parameters of working platform

2.3 其余部件

其余部件主要为辅助钻孔、清孔、注浆、安装锚杆设置，主要由主电机、发动机、空压机、水泵、注浆机、照明装置、电缆卷盘、水管卷盘、车架、车桥、电控柜等组成，主要参数如表4所示[9]。

表4 其余部件参数Table 4 The parameters of remaining parts

3 结论

本文设计的新型锚杆台车可以一次完成定位、钻孔、清孔、注浆、安装锚杆和钢筋网片等工序。一臂一平台的设计，符合国内隧道锚护施工的现状和需求，工序上相互配合可节约锚护时间；将注浆系统附设在台车上，功能齐全，减轻施工企业的采购和售后工作量；采用机械传动系统、液压传动系统、电液混合控制系统，提高了机械的自动化程度，对国内锚杆台车的发展提供一定的借鉴作用。

参考文献：

［1］万清，李怀鉴，杜华林，等.京广高速铁路石家庄六线隧道建设关键技术［J］.隧道建设，2016（02）：241-250.

［2］马辉，刘仁智，陈寿根，等.当前铁路隧道施工亟待解决的若干技术问题［J］.现代隧道技术，2011（05）：1-6.

［3］贺立军.新型全液压多功能锚杆钻机关键技术的研究［D］.北京：中国地质大学，2010.

［4］杨善国.液压锚杆钻机设计研究［D］.北京：中国矿业大学，2009.

［5］王发玲，刘才华，龚哲.顺层岩质边坡锚杆支护机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2014（07）：1465-1470.

［6］史利章.冲击回转型液压锚杆钻机冲击机构优化设计［J］.机械工程与自动化，2013（04）：42-43.

［7］梁月英.土层扩孔压力型锚杆的锚固机理研究［D］.北京：中国铁道科学研究院，2012.

［8］郝亮.全液压凿岩台车钻臂的有限元分析及优化设计［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2014.

［9］刘鹏飞.基于掘锚一体化技术的山特维克掘锚机应用研究［J］.中国煤炭，2010（07）：85-87.