一种面向变断面洞室开挖的安全保护台车设计

潘福营，张兴彬，殷 康，龚振如，杜 藏

（1.国网新源控股有限公司，北京100761；2.河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南 洛宁471700）

1 引言

自21世纪以来，钻爆法因其具有经济性好、对地质的适应性强等特点，越来越多的在公路、铁路、水电等工程领域的隧洞开挖过程中得到广泛应用[1]。虽然凿岩台车配气动凿岩机开挖工法[2]具有方便快速、高效经济的优点，且目前已成为隧洞开挖施工的主流方法，但是该工法存在诸如施工人员多、劳动强度大、作业环境差、钻进速度慢等缺点[3]。然而，具备防护功能的隧洞开挖支护设备—盾构机，其价格高昂、设备庞大，且一般是为某一固定断面如高铁、地铁等工程而设计，不适用于抽水蓄能电站变断面的隧洞开挖。因此，目前国内外在抽水蓄能电站中小型洞室开挖过程中仍主要采用钻爆法进行开挖，同时随着现代社会对安全文明施工要求的提高，钻爆法需要进一步的改进和完善。

目前，针对抽水蓄能电站中小型变断面隧洞开挖工程，国内尚无较合适的具备一定防护功能的凿岩台车产品。因此，本文基于围岩松动圈理论[4]和“新奥法”支护原理[5]提出了一种具备安全防护功能和工作平台的凿岩台车，该台车对施工作业人员具有一定的安全保护能力，同时具备自主移动功能，以及性价比高、操作方便的特点。实践表明该凿岩台车可应用于我国抽水蓄能电站及常规水电站隧洞开挖工程，同时也可推广至矿山、公路、铁路等工程建设领域。

2 结构组成

本凿岩安全保护台车的主要部件和附件系统包括以下几个部分：

（1）顶防护架总成：顶板和边板各分为2块，采用折叠伸缩式设置，顶板之间及边板之间用螺栓连接，采用铰接机构，用于伸板和收板，如图1中的部件1。下部通过支撑液压顶连接于门架，顶板架体由3根纵梁和多根横梁及立柱组成，立柱采用立式垂直防护箱型液压支柱，固定于门架支柱上方，如图2中上部所示。

（2）门架及工作防护平台系统：门架是整个安全保护台车的承重部件，它主要由横梁、立柱、纵梁等组成，连接部位通过螺栓连接而成，同时各个横梁、立柱以及纵梁之间又通过连接梁、斜拉杆和剪刀架等结构来提高门架的整体刚性和强度。在台车门架的左右两侧，分别布置有上下2层可升降的工作防护平台，平台外侧设置安全保护围栏，如图2所示。

（3）主行走机构：台车行走机构由2个主动行走机构组成。行走机构与门架底梁相连接，主动轮及其架体如图1中的部件8和13所示。

图1 台车侧面结构图

图2 台车门架内部通道侧面图

（4）液压动力系统：台车的液压动力系统主要通过三位四通手动换向阀进行换向动作，从而实现液压油缸的伸缩功能。左右侧板的油缸分别采用两联换向阀来控制两侧水平油缸的伸缩动作，4个竖向油缸则共用1个换向阀来控制换向动作。

（5）电气系统：台车的电气系统主要用于台车的启动、停止以及正反方向的前后运动进行控制，同时也为液压系统提供必要的动力。

3 台车结构设计计算

3.1 防护顶板设计与计算

顶部弧形板按照双铰耳的结构进行设计，同时针对其最大正负弯矩区域采用加强筋进行加强，弧形面板部分按照四边支撑的假设进行计算。防护顶板支撑面板的计算载荷q主要由设计上部荷载、允许超挖部分载荷、局部过大超挖部分载荷以及防护面板的自重等组成，其可写成如下形式：

其中，q-面板计算载荷，单位为kgf/m2；q0-防护板的自重，根据初选面板的厚度进行计算；q1-设计上部载荷，q1=γh，γ- 土石的容重，为 2500kgf/m3，h-设计开挖的厚度，等于1m；q2-允许超挖部分的载荷，其值为500kgf/m2（按允许0.2～0.3m计算）；q3-局部过大超挖部分的载荷（不包括允许超挖部分）为1.5m。

采用上式计算设计情况I（顶拱开挖完成时）时的顶板载荷值为q1+q2+q3=7657kgf/m2，弧形板的载荷为q0+q1+q2=5762kgf/m2。台车面板厚度δ的计算则可通过表1计算得出。

表1 面板厚度δ的强度挠度验算计算表

根据表1进行计算，结果表明采用厚度δ=12mm钢板做面板时效果更好。

3.2 弧形面板内部支撑计算

顶板两侧的弧形面板采用A3δ12钢板，宽度尺寸为200mm，加强筋采用75mm×75mm×6mm的角钢，中心距大小为260mm。各截面组合内力的计算参照双铰等截面直墙圆拱钢架梁内力计算公式[6]进行计算，计算结果如表2所示。

弧板内部支撑截面选择则采用以下公式进行计算：

M=q'L2/8

表2 不同角度下钢拱梁各截面组合内力计算值（该表内力均以1m计）

σ=M/WX≤[σ]

fmax=5q'L4/384EIx≤1/250

其中，q'-表示作用在支撑角钢上的线载荷，且q'=q·a；L-表示支撑角钢的计算跨度，取值1.5m；a-表示支撑角钢的间距，取值280mm；Wx，Ix-分别表示对X轴的截面抵抗力矩及截面惯性矩。梁单元的最大变形量，即模板的最大位移为：

fmax=5×2.25×104×1.54/（384×2.1×1011×3.02×10-6）=0.0023m=2.3mm

因此可以看出，整个模板的强度符合设计要求。

表3 弧板内部支撑截面内力计算结果

弧板内部支撑截面的内力同样满足要求，如表3中的计算结果所示，截面应力小于许用应力值，因此，整个弧板内部支撑强度符合设计要求。

4 结论

本文提出了一种具备一定人员防护和自主移动功能的变断面洞室开挖凿岩台车。并且基于围岩松动圈等理论对该台车的防护罩和钢结构系统的强度和内力支撑等方面进行了受力计算，计算结果表明该凿岩台车能够满足抽水蓄能电站等中小型变断面隧洞开挖工作的强度要求，该凿岩台车技术可在抽水蓄能电站及常规水电站、矿山、铁路、公路等隧洞开挖作业中得到较好地应用推广。