拱架安装台车施工作业优化设计方案

高 越

（中铁十九集集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

近年来，交通基础设施建设飞速发展，我国高速铁路里程数已跃居世界第一[1-3]。在高速铁路修建过程中，隧道的建设至关重要，隧道的修建速度将直接影响整个工程的施工进度[4-6]。拱架安装台车是隧道施工中用于安装拱架的专用设备，扮演着支梁的重要作用，随着隧道施工机械化和高效化的进展，拱架安装台车的应用也越来越广泛[7]。针对隧道修建过程中钢拱架的安装与拼接问题展开研究，设计一种抓举式隧道拱架安装台车，给出该设备的相关作业要求与结构组成，并对该设备的工作原理进行分析，并根据施工作业需求确定其主要工作参数，从设备的基本结构、主要参数、工作原理及施工方案设计4 个方面对该设备进行总结。

对于工程机械的研发首先要考虑其功能需求与作业环境，进而确定设备的设计标准与作业性能参数，对工程机械进行整体规划，最终确定设计方案。主要针对隧道施工过程中拱架安装台车拼装时出现的费人力、安全性差这一问题，预期研制一套能够协助人力拼接隧道安装台车的设备，通过CATIA 软件构建拱架安装台车三维数值仿真模型，为后续分析结构的动力特性及施工过程中的受力情况计算奠定基础。该设备将大大减少施工作业人员危险性，提升拱架台车的作业效率，加快整个隧道工程的施工进度。

1 设备基本结构

拟设计的拱架安装台车如图1 所示，该设备主要包括施工作业平台、轮式底盘、平台托举系统及拱架安装系统4 部分组成。

图1 中施工作业平台主要是将拱架台车安装技术工人运送至指定位置进行作业。平台托举系统主要将施工作业平台抬至一定高度，同时调整施工作业平台的空间位置，使其能够有充足的施工空间。拱架安装系统主要是对保持平台托举系统的安全稳定姿态进行调节，保障托举系统的精准定位，能够为技术人员提供安全保护。轮式底盘主要是将设备整体运移至隧道内指定施工位置，机动性较好，且施工效率高，能够随时进行隧道拱架台车的安装与拆卸。

图1 拱架安装台车设备简图

2 设备主要参数

为了验证设计的拱架安装台车设计方案的合理性，为后续设备整体施工作业性能提供可靠的基础模型，决定采用CATIA软件对设计的拱架安装台车进行建模。

设计的拱架安装台车最大托举重量为2800～3000 kg，机械臂底座采用回旋式线性马达进行驱动，其转速为2 r/min，最大排量为170 mL/r，动力油缸包括机械主臂调幅油缸、调平油缸、水平油缸、上下油缸、抓手伸缩油缸、抓手上下油缸、抓手左右油缸、抓手紧锁油缸以及主臂伸缩油缸，各动力油缸设计参数见表1。

表1 各动力油缸设计参数

3 设备工作原理

设计的拱架安装台车施工作业流程如下：

（1）拱架安装台车运移时需通过夹持设备来携带台车配件，且以相对较高的运移效率将台车配件运至指定工位。运送过程中，拱架安装台车应保持自身的安全稳定性，同时还应确保安装的准确性，因此安装台车整体处于水平收缩状态，机械抓手夹持配件运移。

（2）当配件运至安装指定工位后，调节各主动油缸，通过伸缩机构来调整拱架台车的位姿，并缓慢提升施工作业平台，使平台处于合理的施工作业位置，以便于隧道施工台车配件的安装。

（3）微调有待拼装的台车拱架，使配件与隧道施工台车良好对接，施工技术人员在施工作业平台上完成隧道施工台车配件的安装作业，实现隧道施工台车的准确安装。

设计的拱架安装台车主要由伸缩主臂、调整臂、抓手臂及抓手组成，配套的动力系统包括液压系统及电子控制系统。拱架托举及空中姿态需要多个机械臂联合调整，该方法使得整个拱架台车的施工自由度增多，进而使得台车能够更加准确的将配件运移至指定位置。不同机械臂的调动主要由各机械臂对应的动力油缸来实现，其中，主臂调幅油缸主要驱动伸缩主臂，主臂伸缩油缸主要驱动主臂的伸缩，调平油缸主要驱动连接左臂的俯仰与调平，抓手内部伸缩油缸主要驱动抓手上臂伸缩，抓手左右油缸主要驱动抓手臂的水平移动，抓手紧锁油缸主要驱动抓手使其抓手夹紧。

4 设备施工方案设计

作为一种特殊的隧道工程施工机械，拱架安装台车主要负责运移隧道施工台车配件及配件安装任务。由于隧道施工环境相对较差，作业空间有限，因此对拱架安装台车的整机设计要求相对较高，具体要求如下：

（1）适用范围：受围岩等级的影响，拱架安装台车对IV、V 类围岩的三台阶开挖法并不适用。设计的拱架安装台车主要适用于高铁双线隧道的全断面开挖法，以及两台阶开挖法的拱架安装要求。

（2）功能要求：设计的拱架安装台车要能够实现配件的抓取、配件的运移、配件的托举及姿态的调整等基本功能的同时，还需要保证配件被托举到一定的高度后要达到安装精度及稳定性，以便于连接螺栓的安装及拱架与配件之间的拼接。此外，拱架安装台车在确保基本安装功能前提下，还能展开其他功能的探索，实现一机多用的发展趋势。

（3）尺寸要求：在隧道施工过程中，配套的机械车辆较多，包括三臂凿岩台车、挖掘机、转载机、运渣车、装载机、自卸汽车等，设计的拱架安装台车应与上述施工机械和车辆兼容，即与上述设备配合使用。因此，拱架安装台车对外形尺寸有一定要求，原则是必须满足与上述设备中最小尺寸的设备之间留有一定的安全剩余量，以确保安全有效的与其他设备配合施工。

（4）安全可靠要求：受施工环境影响，隧道内经常出现高温、高湿及大量灰尘，此种环境下，拱架安装台车的液压系统与电气系统需进行特殊处理，以满足此类恶劣的作业环境，提升设备该类似环境下的长期安全性与可靠性。

（5）经济要求：经济费用作为整个安装台车的核心问题贯穿始末，应尽可能的使安装台车的设计与制造成本低，但需要在保证安全稳定及生产效率的前提下。

5 结语

针对已建及在建隧道施工过程中钢拱架的安装与拼接等相关工艺进行简单总结，设计研发一种新型的拱架安装台车，设计方案给出该设备的相关作业要求与结构组成，分析该设备的工作原理，并根据施工作业需求确定其主要工作参数，通过CATIA 软件构建拱架安装台车三维数值仿真模型，为后续分析结构的动力特性及施工过程中的受力情况计算奠定基础。设计的拱架安装台车能够推动今后隧道施工的高效率、低成本的发展趋势趋势。