牵引式公路隧道安全作业平台设计与研究

杨俊 YANG Jun；张春文 ZHANG Chun-wen；王晓安 WANG Xiao-an；赵志攀 ZHAO Zhi-pan

（云南省交通科学研究院有限公司，昆明 650011）

0 引言

当前，随着国家“城镇化”“一带一路”和“交通强国”三大战略的推进，越来越多的隧道投入施工建设和交通运营中。针对隧道运营管理、病害检测，国内外开发众多隧道检测及施工设备，虽然这些设备各有专长，在各自领域做出巨大贡献，但该类设备都不适合公路隧道检测及施工作业，且价格昂贵，目前国内外尚无较为合适便捷的产品。为此，项目组结合公路隧道检测及施工作业的实际工况，研究一款拆装便捷快速，安全稳定可靠的公路隧道检测及机电安装施工的安全作业平台。

1 平台结构

研发的安全作业平台，主架体采用盘扣脚手架搭设，利用横杆、竖杆、斜杆及步梯搭设安全作业平台主架体，搭设悬挑操作平台作方便作业人员操作，如图1 所示。

2 平台构成

2.1 牵引系统

牵引系统为项目组针对安全作业平台研制的一套完整的可升降的牵引装置。该装置采用新能源动力驱动，由行走轮、牵引机构架体、转向机构、升降机构、开关系统、调速系统等构成，如图2 所示。

图2 牵引系统三维模型

本装置与安全作业平台配套使用，可以实现作业平台转向和移动。能源动力方面，充分考虑产品的续航能力，动力强劲，速度可调，升降高度可调。

2.2 转向、行走机构

安全作业平台底部有4 个行走轮，其中前置两只行走轮为万向轮，可以方便整个平台转向，后置两只大轮为定向轮，满足作业平台在前进或后退过程中朝预定方向行进。

2.3 架体系统

架体系统由主要横杆、立杆、斜拉杆组成，为一个几何不变刚体。

2.3.1 横杆

横杆由锁头、钢管拼接后焊接组成。每个横杆有两个锁头一根钢管，主要长度有600mm，900mm，1200mm，1500mm，2400mm 五种。横杆钢管选用Q235 材质，钢管直径45mm，壁厚2mm。焊接后，镀锌以增强杆件的使用寿命，防止因腐蚀等造成壁厚减薄，影响强度。

在架体主体结构中，横杆通过插销及锁头端部环形曲面，与立杆接触，对立杆施加侧向力，相当于扶持作用，起到稳定立杆的作用。

横杆受到的力主要有两种，一种立杆受荷载时发生大变形产生侧向力作用在横杆上（这种力发生在架体及立杆严重变形后，如果立杆轴向荷载不超出荷载极限，没有发生变形时候，这种力可以忽略不计），产生轴向力；一种是受到结构件或者施工荷载等产生在横杆上的侧向力。

考虑到横杆系列长度分为600mm、900mm、1200mm、1500mm、2400mm 五种长度，跨度越短荷载能力越强，在此仅分析最长长度2400mm 横杆横向荷载能力，对于轴向能力，完全满足要求，不做分析。由软件分析，施加300kg 力集中荷载，横杆的应力最大值为2.085×108N/m2，最大点为施加集中荷载的集中点；横杆材料Q235 的最大屈服应力为2.206×108N/m2。最大处的应力小于最大屈服应力，横杆安全。

2.3.2 立杆

立杆由圆盘、钢管、连接件拼接后焊接组成。国内立杆连接件主要有两种，一种是钢管直接焊接在立杆主管上，另外一种连接件由连接棒连接。立杆的长度主要有500mm，1000mm，1500mm，2000mm，3000mm 五种。这五种基本长度，可任意组合成所需要的高度。立杆强度分析：立杆竖向荷载能力是最主要能力，在此对3000mm 立杆进行轴向荷载能力分析。跨度越短荷载能力越强，在此仅分析最长长度3000mm 立杆杆轴向荷载能力，如图3-图4 所示。对于侧向能力，在架体荷载不超过轴向荷载能力时，立杆变形可以忽略不计，不会产生侧向荷载，在此不做分析。

图3 立杆应变图

图4 立杆位移图

由应力云图得出，施加10000kg 力，立杆的应力最大值为2.205×108N/m2，最大点为两侧挂钩虎口处；横杆材料Q345 的最大屈服应力为2.75×108N/m2。最大处的应力小于最大屈服应力，立杆安全。实际作业平台上部总重量约1吨，远小于立杆荷载，作业平台立杆荷载稳定性满足要求。

2.3.3 斜拉杆

斜拉杆由锁头、钢管、连接螺栓组成。每个斜拉杆有两个锁头一根钢管， 主要长度有 600mm*1500mm，900mm*1500mm，1200mm*1500mm，1500mm*1500mm，2400mm*1500mm 五种。在架体搭设中，斜杆主要起到稳定作用，不承受主要荷载。将立杆与横杆连接起来，形成几何不变刚体。由于斜杆仅仅起到稳定作用，受力较小，在此不做受力分析。

2.4 上下通道（爬梯）

直挂爬梯由两根30mm*50mm 方管边梁，6 块40mm*240mm*600mm 钢跳板及4 个可自锁挂钩焊接组成。爬梯自身重量25kg，荷载能力600kg，可同时站在上面6 人，实际作业一般单个爬梯上面同时最多2 个人，满足强度要求。考虑到钢踏板长度仅600mm，跨度短，荷载能力强。在此仅分析爬梯最薄弱的环节两侧边梁的荷载能力。由软件分析，施加300kg 力（单根为600kg 一半），爬梯的应力最大值为1.989×106N/m2，最大点为两侧挂钩虎口处；挂梯材料Q235 的最大屈服应力为2.206×108N/m2。最大处的应力小于最大屈服应力，爬梯安全性满足要求。

2.5 防护网和上部护栏

防护网采用30mm*30mm*2mm 角钢及钢板网和挂钩焊接，挂钩带自锁锁片，产品单重6.8kg。上部护栏与防护网为同系列产品，采用30mm*30mm*2mm 方管及钢板网和挂钩焊接，产品单重32.5kg。防护网和上部护栏为标准化产品，具备安装、拆卸简单快捷，重量轻，防护能力好的优点。使用时候打开自锁锁片，放置在作业平台主架体横杆中间，然后闭合自锁锁片。

防护网主要起到防护作用，当发生意外情况时，起到侧向保护作用，设计的防护网侧向荷载能力为150kg，一般单人体重不超过80kg，150＞80×1.4，设计安全系数超1.4倍的安全系数，在此不做受力分析。

2.6 悬挑作业平台

悬挑平台共三层。第一层悬挑平台主要放置一些工具小型设备，第二层和第三层是作业层。悬挑作业平台的荷载能力，通过加载混凝土试块及人员作业试验可以进行验证，并且悬挑平台踏板为整体。

2.7 可调支腿

可调支腿在作业时候，支腿放下，起到支撑稳定作业平台的作用。需要转移移动作业平台的时候，将支腿受起来，然后启动牵引机构，拖动作业平台。可调支腿的调节选用螺杆实现，通过转动遥感，转动机构内部齿轮，实现内部螺杆和升降螺母上升下降，从而带动整个作业平台的升降。设计的可调支腿单根升力500kg，4 个支腿升力2000kg，升降范围0-200mm。满足支撑及转移移动作业平台需求。

3 作业平台构件强度分析及稳定性计算

整体稳定性分析，施工作业平台由立杆、横杆、斜杆、爬梯等构件连接，已经形成一个稳定的几何不变体，作为一个整体，具有牢固可靠的优点，满足整体稳定性要求。在此处，主要分析作业平台的抗倾覆稳定性。抗倾覆稳定性主要通过受力分析，分析作业平台的重心，及作业时候的受力荷载的平衡性。

3.1 重心分析

通过三维软件进行分析，作业平台重心位于架体中间位置，在距离悬挑平台侧立杆中心水平距离为1074mm，位于架体上侧，距离底部水平横杆高度2741mm 处，作业平台自重约1200kg。

第三层悬挑平台悬挑长度为1240mm，假设最不利情况，集中荷载作用在悬挑平台的外边沿处，计算当施加最大荷载，导致架体倾覆，则可进行简化然后进行计算分析，如图5 所示。

图5 抗倾覆分析简图

经过软件分析，作业平台重量1200kg，重心作用点距离1074mm，施工荷载G，最不利作用点距离1240mm。假设架体发生倾覆，则存在如下关系：1200×1074＜G×1240；求出G＞1200×1074÷1200=1039kg，发生作业平台倾覆。考虑施工荷载小于300kg，架体抗倾覆安全系数达到：1039÷300=3.46 倍，架体稳定可靠。

3.2 架体稳定性试验验证

为了进一步分析架体的稳定性，我们进行了实际试验。试验选用混凝土试验块，每块混凝土试压块重量30kg。对作业平台进行荷载模拟，逐块增加作用在作业平台上的荷载。最终施加在作业平台上10 块试块，作业平台整体牢固可靠，无倾斜、倾覆危险产生，满足稳定性要求。

4 结论

①安全作业平台采用盘扣式脚手架搭设，盘扣式脚手架具有承载力强、耐高温、成本低效益高的优势，销子插接后靠自重即可锁紧，且它的横向和竖向斜杆使每个单元都是固定的三角形格构式结构，架体受到横向和纵向的力之后都不会发生变形，该结构使安全作业平台形成一个整体，经过受力验算及试验表明，安全作业平台具有较高的稳定性、安全性。

②安全作业平台使用的盘扣式脚手架采用统一的500mm 盘距，搭配它的立杆、横杆、斜杆和三脚架可以根据隧道施工作业位置搭设成不同高度、跨度和不同截面的作业平台，每个单元都是格构式结构，结构灵活，且拆卸、安装方便快捷。

③安全作业平台设有电动牵引，通过蓄电池提供电源，开关控制作业平台行走及转向，利用悬挑平台和底盘行走，将检修人员送至隧道需要作业的位置，由于行走速度缓慢，稳定性高，可以实现边行走边检修，单人可完成隧道检测及施工作业。