浅谈隧道防水板铺设台车技术创新应用

曹战锋

（中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000）

防水板铺设施工中，由于施工工艺缺陷和施工人为因素的影响，好多完工不久的隧道就得面临渗水的严峻问题，其严重威胁着隧道整体质量和车辆运行安全。面对隧道渗水问题，后期处理难度极大、费用很高且安全风险大。因此采取有效预防和控制措施，减少人为因素的影响，提高隧道防水板的铺设质量，提升隧道防渗水性能，成为当务之急。

1 国内现状及背景

从国内现状来看，目前防水板施工主要采用简易台架，其不能与施工现场情况很好地衔接，铺设质量达不到预期效果。

隧道工装设备机械化程度的不断完善，高标准、严要求成为隧道施工常态化，经过对隧道施工的考察和调研分析，进行反复论证，对防水板铺设台车进行了技术创新，研发出了新型防水板铺设台车，其更具有实用性和推广性。

2 新型防水板铺挂台车的特点和优势

新型防水板铺挂台车结合现场施工实际，进行了技术创新，具有了以下特点和优势：

2.1 弧形拱圈

采用与隧道匹配的“弧形拱圈”，且在弧形拱圈外表面焊接“齿条”，利用齿轮齿条机构带动工作平台做环向运动，实现机随人走，连续性和连贯性作业。

2.2 吊挂工作平台

“吊挂式工作平台”随爬升小车做环向运动，实现了防水板连续热熔焊接作业，减轻了劳动强度，提高了工效。

2.3 气囊顶推机构

充分利用空气的可压缩性和气囊的柔韧性，克服喷射混凝土面不平整的缺陷，使防水板与喷射混凝土面紧密贴合。

2.4 机电连锁

构成多道安全防护措施，确保人员和设备安全。

2.5 电缆线卷线系统

电缆线卷筒随爬行机构运行而转动，实现电缆线有序收放，避免电缆线散而乱，从而引发安全事故。

2.6 无线遥控系统

采用“无线遥控装置”，灵活性和自动化程度更高。

2.7 提升、吊装机构

快速、准确地实现防水板、土工布卷材的安装工作，减轻工作强度，提高工效。

3 技术创新

3.1 爬升系统的设计与齿轮齿条传动的应用

爬升驱动装置主要承受爬行机构自重、工作台自重、防水板重量、工作机具、作业人员重量以及气囊在转动时与防水板之间的摩擦力等载荷。其载荷大小如表1 所示。

表1 爬行机构主要载荷

载荷合计为33.6kN，考虑到液压油、油管等其他载荷，现取最大载荷Fmax=40kN。

3.1.1 电机的计算选型

最大载荷Fmax即为爬升机构所需克服的载荷，也为齿轮传动中齿轮分度圆切向力，

根据公式：

式中，Fmax为爬升机构最大载荷；T1为爬升驱动轮驱动扭矩；d1为爬升驱动轮直径。

根据：

式中，P 为爬升驱动总功率；T1为爬升驱动轮驱动扭矩；n 为爬升驱动轮转速，取5r/min。

根据以上步骤，初步选择的驱动电机功率为1.26kW，考虑到功率损耗和驱动安全系数，驱动装置由2 组机构组成，故单台电机的功率为：

式中，P1为电机初步选择功率；K1为电机驱动安全系数，取2.5；η1为电机功率损耗系数，取0.9；η2为齿轮齿条传动功率损耗系数，取0.85；η3为减速机功率损耗系数，取0.85。

查阅《机械设计手册》，选择4 级电机，功率选择3kW，转速为1450r/min。

最终选择电磁制动电机的规格型号为：

YEJ90S-4，输出转矩为T转=2.3kN·m。

由于爬升机构最大载荷Fmax=40kN，爬升机构由两组机构组成，即单组电机需要承载的扭矩为：

式中，T2为为电机克服扭矩；Fmax为爬升机构最大载荷；d1为爬升齿轮直径。

T2=1.66kNm＜T转=2.3kN·m，即电机制动满足使用要求。

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3.1.2 爬升减速机的选型

根据设计爬升速度1.5m ～2m/min 的要求，减速机选用摆线针轮减速机，查阅《机械设计手册》，减速机选择二级减速机，速比：289，立式，型号：85，输入功率P=3kW，输出转矩T=4510N·m，减速器的规格型号为：ZLED-289-85-3kW。

3.1.3 齿轮传动系统的选型

（1）确定齿轮材料、热处理方式、传动进度等基本参数：

根据传动载荷大小、使用环境、后期维护保养以及大小齿轮的关系，小齿轮选40Cr 钢，调质处理，齿面硬度取260HBW，大齿轮选45#钢，调质处理表面，硬度取230HBW。传递的功率为3kW，驱动轮转速n=5r/min，

（2）确定许用应力、齿面接触疲劳强度设计：

查询齿根弯曲疲劳强度表，以及安全系数，得：

式中，σbblim为齿根弯曲疲劳极限；SF为齿根疲劳安全系数。

因齿面硬度小于350HBW，属于软齿面，所以按照齿面接触疲劳强度进行设计。

确定基本参数：Z1=15，Z2=1508，m=8，载荷为轻度载荷，齿宽系数取φd=0.25。

确定齿轮宽度：b2=Z1×m×φd=15×8×0.25=30mm；

为了补偿两轮轴向尺寸的安装误差，使大齿轮宽度大于小齿轮，考虑安装结构尺寸的影响，小齿轮的宽度应大于大齿轮，故：

取小齿轮齿宽b1=70mm，大齿轮齿宽b2=30mm，小齿轮分度圆直径：d1=15×8=120mm，

（3）验算齿根弯曲疲劳强度：

爬升机构有两组驱动装置，单个小齿轮转矩为：

式中，T3为小齿轮转矩；P 为爬升驱动总功率；n 为小齿轮的转速，取5r/min。

查齿形系数表得知，齿形系数YF=3.25，传动比较平稳，查得载荷系数表得知，载荷系数K=1。

式中，K 为载荷系数；T3为小齿轮的转矩；YF为齿形系数，查表得3.25；b1为小齿轮的宽度；m 为齿轮模数；Z1为小齿轮齿数。

由于大齿轮的齿数较多，接近齿条，现只对小齿轮进行齿根弯曲疲劳强度进行验算。

（4）验算圆周速度

小齿轮的圆周速度为1.88m/min，符合设计要求。

3.2 橡胶气囊在防水板台车中的应用

橡胶气囊主要是将防水板顶紧，使防水板紧贴初支表面，针对初支表面的凹凸不平情况，充分利用气囊的特殊构造，保证横向4m 方向防水板达到80%以上能紧贴初支表面，减少人工扶持的工作强度。

气囊端部预留气管和压力表安装位置，实时观察气囊压力值，及时进行补充气压。

图1 橡胶气囊

气囊基本参数：

气囊压力：0.01MPa ～0.02MPa

适应初支面不平整度：D/L ≤1/10

3.3 工作平台机构

爬升机构内侧设有工作台吊挂轴，爬行机构通过电机、减速机构带动小齿轮，与焊接在拱圈顶部的齿条啮合传动，实现爬升，实现工作台随爬升机构同步环向双向运行。

图2 爬升工作平台

3.4 无线遥控系统

台车整体行走、对中、调平采用无线遥控操作，满足操作人员实地操作，近距离观察，同时对操作人员也是一种保护。

3.5 安全措施系统

为了保证人员和设备安全，加设了三道安全保护装置。第一道：电磁制动电机安全装置。第二道：电磁吸盘制动系统。第三道：在拱圈两端设置机械挡板制动装置。

3.6 电缆卷线器

工作原理：位于卷线器内部的回卷弹簧带动线槽顺、逆时针旋转，线槽将电缆线进行拉伸或收缩。实现对电缆线进行集约化的管理，解决以往电缆线杂乱散落的问题，大大节约了工作空间，美化了工作环境，提升了使用安全性。

电缆卷线器主要参数：

型号：400-700-90-150

卷筒规格：筒身直径φ1=400mm

最大外径φ2=700mm

线槽净宽度B=90mm

最小收放力：Fmin=150N

电缆线选用5×10mm2，铜芯电缆，查表得其参考质量为：120kg/km，约合重力：1.2N/m。

按照设计，爬行机构在运转时所需电缆线的总长度为22m，22m 电缆线总重力G总=1.2×22×5=132N

卷筒的最小收放力Fmin=150N＞G总

因此，电缆线卷筒的收放力满足设计要求。

3.7 卷材提升系统的设计

防水板卷材安装机构由横梁、滑梁、挂轮、电动葫芦等组成。横梁与防水板门架相连接，通过挂轮将滑梁悬挂于横梁上，滑梁端部安装有电动葫芦。使用过程中，电动葫芦将防水板卷材提升至需要位置，通过人工外力，使滑梁水平移动，实现防水板卷材安装至小车支架相应位置，此结构安全、便捷，省时省力。

图3 吊装系统

4 新型防水板自动铺挂台车的效率优势及实际应用

4.1 工效对比

新型防水板自动铺设台车与传统台车进行工效对比，有诸多优点，如表2 所示：

前提条件：铺设一板土工布和防水板：一板长度12m，防水板、土工布每卷长度24m；

表2 功效对比表

4.2 市场反映

该新型防水板铺设台车在多个项目已经投入使用，根据施工现场的反馈及回访中得知，其铺设工效更高，质量效果更好。整体铺设效果如图4 所示。

图4 使用效果

5 结语

隧道防水板铺设台车创新技术应用以来，具有铺设质量好，工效高，安全系数高，自动化、机械化程度高，经济效益好等优点，是一种新型的防水板铺设隧道工装设备，实现了机械化换人和自动化减人的目的，有很好的应用空间，在实际施工中具有重要意义。