一种适应隧道工况非爆开挖的悬臂式隧道掘进机

刘 洋 宋 明

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1 前言

在传统的隧道工程掘进开挖过程中,炸药的使用是必须且时常见到的,针对炸药的控制,国内出台了很多法律规定,例如《中华人民共和国民用爆炸物品管理条例》规定禁止在规定的安全距离内进行爆破作业;《爆破安全规程》规定工作面空顶距离超过设计规定的数值,不准爆破;《大爆破安全规程》规定严控爆破地震的安全距离,爆破冲击波安全距离。随着爆炸物品购买渠道的单一、手续繁琐,运输的复杂,以及国家严控炸药的生产。这给需要爆破的企事业单位,增加了许多运营成本。而工程机械中的隧道设备取代爆破,从根源上解决炸药所带来的隐患。

工程机械的使用取代了“炮掘”的工艺,为有效的防治城市扬尘污染,改善城市环境空气质量,预防工程施工中对环境污染起到了一定的作用。这响应环保法的规定,即“排污的企事业单位和其他生产经营者,应当对生成建设过程中产生的污染物、放射性物质、电磁辐射等采取相应的防护措施,避免其对环境造成污染,从而危害人类健康”。尤其是隧道掘进设备配备的高效除尘系统装置。为施工现场中的围护结构施工、隧道开挖等改变了工程建设中的降尘、降噪施工所带来的极大的好处。

目前国内机械化隧道施工主要采用的是盾构法,而盾构法使用的盾构机又存在设备投入大、操作维护要求技能高、不适合短里程隧道等不足。因此,现市场需求一种介于钻爆法和盾构法之间的隧道掘进产品。

2 悬臂式隧道掘进机国内外发展概况

现在国内的非爆开挖的悬臂式隧道掘进机正处于起步阶段,大部分设备仅是原有煤矿用悬臂掘进机的简单改进,只能最低限度的满足施工要求,其截割范围和效率等不能满足大断面的隧道施工要求。所以,为满足市场需求,开发出一种适应隧道工况非爆开挖的悬臂式隧道掘进机产品。

2.1 国内环境分析

第一阶段:60年代初～70年代末,引进国外掘进机为主,定型生产机型,使用范围越来越广,切割能力逐步提高,有截割夹岩和过断层的能力。

第二阶段:70年代末～80年代末,与国外合作生产悬臂掘进机并逐步实现国产化,特点是可靠性高,能适应我国巷道掘进的需要,半煤岩的掘进技术已达到相当的水平,出现了重型机。

第三阶段:80年代末至今,重型机型大批出现,悬臂式掘进机的设计与制造水平已相当先进,代表机型有EBJ型、EL型、EBH型等,主要应用于铁路、公路、市政、水利工程等。

目前,我国掘进机的机型已从轻型发展到中、重型,切割对象从煤层向岩石拓展,切割功率和机重都大大增加,掘进能力大幅提升。我国掘进机主要经历了引进、消化吸收和自主研制3个阶段。20世纪90年代以来是我国掘进机的自主研发阶段,这一阶段我国中型掘进机制造技术已经相对成熟,独立研制截割硬度≤80 MPa,机重90t左右,截割功率160～260k W的重型掘进机,并且具备了根据矿井条件实现个性化设计的能力。

国内目前在隧道工程领域(公铁路隧道、水利水电隧洞)施工中采用人工钻爆比例仍在50%以上,相对欧美的发达国家隧道施工,机械化率较低;同时由于钻爆法存在用人多、劳动强度大、安全性低等不足和国家对部分区域炸药的严格管控,所以隧道施工急需实现由人工钻爆向绿色、环保的机械化施工转变。另外在地铁隧道施工中也仍有50%以上工程采用人工开挖,也亟待进行机械化施工升级。因此,隧道产业将会带来大量的工程装备需求。

2.2 国外环境分析20世纪初,国外中型掘进机日趋完善,其代表机型有英国多斯克公司的LH130型号、德国保拉特公司的E200型、奥地利阿尔卑尼公司的AM75型、日本三井三池公司的S220型等。其切割功率在132～220Kw 之间,机重50～70t,经济切割的岩石硬度80 MPa,近年德国在研究开挖切割硬度达100 MPa的掘进机。

目前,国外悬臂掘进机在国外矿山业应用较多,应用多达4000余台,掘进机重量为20～160t,最大切割功率已达408k w,切割岩石的抗压强度最高可达170 MPa。最早应用于水利工程的为菲律宾大马尼拉引水工程。

3 一种新型隧道悬臂掘进机的应用

现有市场采用的是煤矿类悬臂掘进机械产品,其体积小、作业范围小、适用能力小,远远满足不了工程隧道施工的要求。设计研发了一种集切割、行走、装运、喷雾灭尘等多功能为一体的高效联合作业开挖机械——隧道犀牛。其具有以下特点:

(1)超大定位截割范围、整机高稳定性和最强劲的截割动力满足大断面隧道掘进机需求。

(2)截割电机与截割减速机之间采用柔性连接技术,具有偏心兼容性,解决了刚性连接偏心损坏减速机及电机的问题;

(3)液压系统风水双重冷却的设计,可保证液压系统油温在70℃以下,满足长时间连续截割作业。

(4)创新地配置了截割电机自循环冷却系统,可保证设备在未接外来水源的情况下,仍能正常工作。有效的减少了水的使用量,避免了泥岩工况下,水遇泥后出现的卡料故障。

(5)采用IP67防护等级EPEC工业控制器和隔离器件,保障设备在长期恶劣环境下可靠控制。

(6)系统软件设计保证设备运行情况与故障数据直接显示并含专家诊断系统,防爆安全设计。

(7)选择性配置减振封闭驾驶室,提高了操作舒适性和安全性

4 结束语

隧道犀牛这一悬臂掘进机的创新设计,该设备集切割、装运、行走、喷雾除尘和架梁等多功能于一体,具有多方面的优势,不仅采用大功率重载设计,相比同类机型,截割效率高、作业覆盖面积大、整机稳定性好和接地比压小,具有较强的地质适应性,可适应任意断面形状的隧道掘进施工。同时采用了新型的隧道掘进机机载托梁机构,可实现钢拱架的辅助安装,提高架梁效率和减轻作业人员劳动强度。此外发明的掘进机截割控制系统及控制方法,实现掘进机截割头自动断面定位,降低操作人员工作量,提高工作效率。