既有铁路隧道内壁燕尾形排水管道安装槽切槽工具的研制与应用

盛 磊 于振军 韩凌峰

（1.四川工程职业技术学院，德阳 618000；2.中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，德阳 618000）

1 技术背景

隧道渗水是隧道常见病害中一种较为普遍的病害形式，已经对包括隧道的电气化改造[1]等造成了严重的安全隐患。目前，隧道渗漏治理方法主要是以“防、堵、排、截”相结合的原则进行综合治理[2-3]，其中“排”是现有技术条件下经济合理的一种治理方案，已经广泛应用到了隧道的渗漏治理中，它是在隧道内壁凿槽引排的方法，以渗漏点为起点钻孔，沿隧道壁开凿引水槽，再埋入聚氯乙烯（Poly Vinyl Chloride，PVC）排水管，从而实现将渗水从上往下引流的目的。传统人工开凿方法是利用手持式混凝土切割机和电锤冲击钻进行作业，受施工天窗期的影响，单条排水槽需要多个工人多个天窗期才能完成，且人工作业方式前期准备工作繁多、施工工艺复杂、施工效率低下、作业环境恶劣，严重影响了隧道施工进度[4-5]。

为解决隧道渗漏病害治理中排水槽施工过程出现的上述问题，推进隧道病害治理施工的智能化进程，研发了一套用于以机器人等为载具的末端切槽工具，经试验，该工具满足预期设计目标，可降低施工工艺复杂性，提高施工效率。

2 工艺介绍

排水管道安装槽设计结构为燕尾槽结构，其目的是为了使引水管道固定更加安全，在填充混凝土并固化后不易从墙壁中脱落。引水管通常采用外径为50 mm 及以下的PVC 管，排水管道安装槽内截面尺寸通常设计为外宽50 mm，底宽80 mm，高60 mm 的燕尾型结构，排水管道安装槽设计截面图如图1 所示。

图1 排水管道安装槽设计截面图

本文提供的切槽方法是以工业机器人为载具，在其前端安装上研制的切槽工具，经过系统对隧道进行扫描生成切槽轨迹，然后按轨迹通过两次固定角度切槽即可完成符合工艺要求的燕尾槽切槽作业。这种切槽方法前期场地准备少、工艺复杂性低、施工效率高，大大减少了切槽时间。

3 切槽工具总体方案

由于该切槽工具需要安装到工业机器人等载具平台上才能使用，结构设计中需留有与之相应的安装接口。其主要结构还包括刀头装置、柔性浮动装置、力矩变换装置、限位装置、除尘降温装置和主轴电机等，总体结构图如图2 所示。

图2 总体结构图

4 详细设计

4.1 刀头装置

作为本切槽工具最重要的组成部分，刀头结构的合理性直接影响了最终的切槽效果，为了达到理论开槽截面尺寸要求，本设计采用了多切割片叠加放置的方式，通过两次交叉切割，得到了接近理论切割面的切口，由于切口底面程V 字形结构，使得放置水管时的贴合度更高。两次切槽切割片组呈现的叠加效果如图3 所示，最终完成的切槽切口截面如图4 所示。

图3 两次切槽切割片叠加效果

图4 切口截面

为了达到铁路隧道混凝土强度等级要求，本次试验用的混凝土预制试件采用了强度等级为C45 的混凝土砌块，因此切割片的选择既要能对该强度的混凝土有较强的切削能力，又要有较高的耐磨性。经试验，采用干式金刚石锯片对此种强度的混凝土有较强的切削能力和耐磨性[6]，满足切槽要求。在选择切割片时，若尺寸选择过小，则不能满足基本切槽深度，若尺寸过大会加大电机负荷，因此切割片尺寸的选择既要达到切槽深度，又要尽量减轻电机负荷。通过多次试验与分析，最终采用的切割片直径为230 mm。

除了切割片外径尺寸，层叠的切割片数量与片距也会对电机负荷、排屑能力和进给速度产生直接影响。当切割相同宽度和深度的单边槽时，切割片层叠数量越少，进给速度越快，但切割片排屑能力越差，会在沟槽中留下混凝土残块，不便于清理。若增加切割片数量，使片距缩短，排屑能力会得到改善，但电机负荷会随之增加，需要更大功率的电机来驱动。为了在不增加电机功率的同时又得到较理想的排屑效果，通过实验对比分析得出，在满足切槽进给速度（0.4 m•min-1）和电机额定功率（5.5 kW）的情况下，选择9 片切割片，总体厚度为42.7 mm，片距为2.2 mm 时的切割片组排屑能力最优，同时电机效率也能达到最佳状态。

为了进一步提升切割片组的排屑能力，可将两块切割片之间的垫片打磨出一定角度，使切割片之间呈非平行排列，这样在切割过程中，切割片转动时将会产生不规则的摆动，从而强行将夹在中间的残块甩出，以达到主动排屑的目的。切割片的非平行排列图和切槽效果分别如图5 和图6 所示。

图5 切割片的非平行排列图

图6 切槽效果图

4.2 柔性浮动装置

隧道内壁混凝土表面受建设施工时施工技术的影响，在纵向模具接缝处存在10 mm 左右的不规则错台，切槽工具切割到此处时，由于阻力迅速增加可能导致机构出现卡停现象。因此，切槽工具需要具备柔性自适应能力，以减小经过不规则错台时产生的阻力，使工具前端刀头装置始终维持恒定压力，从而保证槽深的一致性。本次设计的装置由一个大口径气缸构成，利用空气作为介质，通过精确调节气缸进出口的气压能够实现自动恒压的目的。除此以外，柔性浮动装置还能起到减振保护作用，可明显减少切割片和电机在切槽过程中产生的振动，从而减小外部因素对机器人的影响。

4.3 力矩变换装置

主轴电机作为功率输出单元，能够将电能转换成机械能并通过切割片输出到作业端，在电机功率输出过程中，需要经过力矩转换装置把输出至前端的力矩放大，以满足切槽要求。力矩变换装置先通过一对柱齿轮把电机输出力矩放大，然后通过锥齿轮把电机纵向力矩转换成横向力矩由锯片输出。

4.4 限位装置

切槽工具在作业过程中切槽深度的控制主要由安装在切割片组两侧的限位装置实现。限位装置内部安装了行程限位开关，用于检测位置状态信号，限位开关前端与隧道内壁接触处安装了滑轮装置，能够使工具端移动过程更加顺畅，限位装置所安装的限位开关具备IP67 级防护能力，能够保护自身不受粉尘和水的影响。此装置结构上采用加强设计，当出现误操作或突发情况时，自身硬限位部分能够对刀片起到防撞保护作用。

4.5 除尘降温装置

在混凝土切槽过程中会产生大量的粉尘，从而对现场施工环境产生严重的污染，同时也会使切割锯片的温度升高，进而对切削能力和锯片寿命产生很大影响。为了降低环境污染和对锯片的损害，在切割片组上下两端安装了自动喷淋装置，该装置可根据切槽深度和角度手动调节位置，当进行切槽作业时装置能够自动工作，以达到除尘降温的目的。

5 实验及测试

在完成整个切槽工具的安装和调试后，进行了实验室验证测试，配合机器人平台和与本设备配套的切槽系统，对预制的C45 混凝土砌块进行了切割，切槽速度为0.4 m•min-1，按固定角度进行两次切槽，所切燕尾槽表面宽度达到了47 mm，内底宽度达到了78 mm，内高达到了64 mm，误差均在设计范围以内，切割速度、燕尾槽外形与深度均达到了预期要求。另外，此工具还可以开直槽，直槽宽度能够达到42.7 mm。切槽工具实物外形和最终切槽效果分别如图7 和图8 所示。

图7 切槽工具实物外形图

图8 切槽效果

6 结语

燕尾型排水管道安装槽切槽工具的成功研制与测试，降低了隧道切槽工艺的复杂性，提高了施工效率，减轻了工人的劳动强度，为实现隧道切槽作业的智能化提供了解决方案。该工具具有较好的通用接口，后期可移植到其他平台作业，通过对工具性能进行进一步优化和完善，可实现工具小型化并进一步提升工作效率。