新型隧道支护作业设备钢拱架安装台车的研究及应用

倪平利

（中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054）

1 钢拱架安装台车的研究背景及意义

国内铁路、公路隧道以钻爆法施工为主，立钢拱架是隧道支护作业的一道关键工序。钢拱架安装台车主要用于铁路、公路隧道内钢拱架（工字钢拱架、H 型钢拱架、钢格栅拱架）的安装，可辅助实现安装锚网锚杆、装药、欠挖处理、隧道检测、排险等作业。钢拱架安装台车的研究及推广应用，将会在铁路、公路隧道钢拱架施工作业中真正实现机械化，保证钢拱架安装的安全和质量，同时起到减少劳动力、有效降低劳动强度、预防隧道职业病的作用,对提高我国隧道施工技术整体水平具有重要意义。

1.1 隧道施工需求大背景分析

中国提出“一带一路”全球性的倡议，基础建设配套设施必将会有持久性的需求；国内基础设施建设的继续大力投入和城际快速通道的加快开发方兴未艾；西部大开发的不断深入，新建铁路、公路网近期将不断增加；我国各地区多种地质条件决定了各类隧道的建设将会越来越多；国家安全环保节能相关法律法规的要求。

1.2 隧道施工工法变革需求背景分析

隧道施工市场对隧道施工技术提出了越来越高的要求；广泛采用的传统的人工开挖的成本逐年攀升，职业病、安全质量事故频发；围绕传统钻爆法隧道施工的机械设备面临升级换代并国产化的变革需求；响应国家大力推行“隧道施工机械化”号召，中铁、中交、中建等“中”字头单位对提高隧道施工机械化水平、加快隧道施工全面机械化已明确地提出了具体要求。

1.3 隧道钢拱架安装车在国内外应用情况

在20 世纪80年代起，在欧洲、日本已经作为专业配套隧道施工设备。

截至目前，国外进口钢拱架安装台车设备在中国隧道施工中没有推广应用，国内个别单位研发的拱架安装台车还处于初步的试用阶段。

国内已经有对挖机、装载机进行改造作为钢拱架安装的施工设备，但是施工效率仍然较低，应用效果不好。

2 新型拱架台车的研究

2.1 国内外拱架台车现状

图1 芬兰NORMET UTILIFT 2000

芬兰NORMET UTILIFT 2000 四臂钢拱架安装台车：4 轮驱动，刚性重载底盘，2个拱架安装臂，2个作业平台臂。（见图1）

图2 中国铁建重工的SCD112

中国铁建重工的SCD112 隧道多功能作业车：4 轮驱动，刚性重载底盘，2个拱架安装臂，1 至2个作业平台臂。（见图2）

图3 北京新能正源环境科技有限公司JC3B1250

北京新能正源环境科技有限公司：多功能三臂拱架安装台车JC3B1250；履带行走底盘，三臂拱架安装，三臂作业平台。（见图3）

2.2 拱架安装台车技术状况

进口拱架安装台车：以NORMET UTILIFT 2000为代表的进口拱架安装台车，2 根抓臂+2个工作平台的结构，轮式自行走方式，抓臂底座滑架式，在国外（主要是在欧洲）严格的现场工艺规范下能顺利地进行钢拱架的安装；在国内，由于铁路隧道、公路隧道的工况条件已发生很大变化，很难适应，因而在国内应用少，推广面不大。

国产拱架安装台车：其代表机型主要为两个厂家，一是铁建重工SCD112A，该款机型主要技术来源是在NORMET UTILIFT 2000 基础上做了局部改进和提高。另一个是北京新能正源环境科技有限公司JC3B1250，3 根抓臂+3个工作平台的结构、液压操作，履带式自行走方式，抓臂底座采用固定摆动式，行驶速度2.8km/h，立拱过程需6个人靠近拱顶和掌子面，适应于大截面的隧道拱架安装。

2.3 新型拱架安装台车的研发

2.3.1 整车外观

图4 轮式工程底盘+三臂的总体结构

2.3.2 新型拱架安装台车的技术特点

2.3.2.1 整机设计先进

整机采用正T 型结构全工程底盘，四轮驱动；三臂全回转结构设计，结构紧凑，展臂收臂灵活，国内首创，已获国家发明专利；整机模拟工况下最优化匹配设计，重心位置佳、通过性好、抗倾覆性强。

2.3.2.2 动力及行驶性能优越

采用双动力系统，满足全工况下拱架安装施工要求；最大时速20km/h，爬坡度30%，隧道进场、山路转场轻松快速；离地间隙450mm，接近角、离去角20°，行驶通过性优越。

2.3.2.3 作业功能多用途、幅域大、效率高

满足铁路、公路隧道钢拱架（工字钢拱架、H 型钢拱架、钢格栅拱架）安装；具备安装锚网、锚杆、装药、欠挖处理、隧道检测排险等辅助作业功能；拱架机械手可加装工作吊篮，三工作臂可单独或平行作业；拱架机械手可近地面抓取，快捷装夹；拱架机械手电比例控制，能够灵活、精准、快速实现对拱架的安装；单臂机械手最大夹持重量1t，作业高度可达12.8m（目前国内最高）；工作平台机械手额定荷载500kg，平台面积1.2mx1.6m。

2.3.2.4 操作、维护、保养方便

双无线遥控器操作，工作平台独立操控盒，三臂机械手独立控制，同时工作；操作手柄、按钮、操作位置符合操控习惯，人机交互流畅；设备仪表位置明显，能方便有效监控设备运行状态；整机布置合理，维护保养、检修空间大，便于操作；配置旋转驾驶室，操作人员操作舒适，视野开阔。

2.3.2.5 专注安全、环保、节能

控制系统：

（1）采用低压控制系统。

（2）配置倒车警示灯、机械手作业指示灯。

（3）机械臂回转安全限位。

（4）整车实时全景监控。

行车制动采用双回路液压制动，安全可靠；机械手、平台自动调平设计，作业平稳；国Ⅲ电喷柴油发动机，燃油经济性好，废气排放低；IE3 高效三相交流异步电机，高效节能，低噪音。

3 XZGT311 拱架安装台车应用推广情况

3.1 截至目前推广应用的铁路公路线路

铁路线：郑万高铁线、成兰高铁线、牡佳客运专线。

公路线：贵黄高速、绵九高速、理小环线。

3.2 设备实际使用情况

（1）显著优点

满足铁路公路隧道所有拱架（I 字钢、H 型钢、格栅）的安装施工；满足全断面及台阶法开挖工法；极大降低劳动强度；有效降低台班人数（与人工立架可减少4 至6人）；极大提高作业安全性。

（2）急需优化改进方向

与人工立架全过程（含立架、焊连接筋、挂网片）比较，工作效率没有显著提高，重点放在提高焊接连接筋和挂网片的工作效率上；安装拱架过程中快速处理拱面缺陷的工具缺失，影响整体安装工作效率；操控性能的稳定性。

4 新型拱架安装台车的技术发展趋势

目前，国内铁路、公路隧道拱架安装台车的发展趋势分析结果：更倾向于轮式自行走方式，机动性强；抓臂、工作平台臂更灵活、快速反应，操作性好，安装工作效率高；隧道施工的适应性更强（隧道截面的变化、开挖方式的变化等）；能实现一机多能，多功能辅助作业；更多节能减排、低碳环保、减震降噪、安全保护等技术的应用；维护检修更方便；智能化发展，实现无人操作。

总之，稳定可靠、适应性强、经济适用、易操作性、易维护性、高安全性、环保降噪、智能化程度高的新型拱架安装台车是未来技术的发展趋势。