防水板自动铺设台车在高原隧道施工中的应用

0 引言

随着我国现代化进程的不断深入，铁路和公路建设也相应得到了快速的发展，隧道施工的机械化程度也在不断提高，许多工序出现专用设备来满足施工要求。

在进行高原隧道施工时，为了增强对劳务人员的安全保护，节约人工费用，减轻劳动强度，提高铺设质量，设计及制造适应隧道一体化、机械化、自动化施工的防水板自动铺设台车成为了高原隧道施工迫切需求。

1 工程概况

新建川藏铁路雅安至林芝段中间段CZSCZQ-11标段有新建隧道34966m/（0.8+2+0.4）座。隧道施工工程量非常大。标段隧道均位于海拔3500m以上，最高海拔4423m（德达隧道）。因高原地区高寒、低气压、低含氧，施工人员劳动效率大幅降低。且项目地处人烟稀少的川藏高原上，劳动人员严重缺乏，用工成本极高。而传统防水板铺设为自制简易平台进行人工操作，机械化及自动化程度极低，劳动强度高，安全风险高。故在本项目施工中，研究防水板机械化、自动化施工技术势在必行。

为了配合川藏铁路高原隧道防水板施工而专门设计、制造了一种新型的防水板自动铺设台车。

2 防水板自动铺设台车主要技术参数

新型防水板自动铺设台车主要技术参数为：①长度：4m；②高度：9.91m；③门架净空：7.64m×5m；④台架行走轮中心距：8m；⑤宽度：14.22m；⑥台架纵向轮中心距：7.6m；⑦行走减速电机：2.2kW×2台；⑧爬升减速电机：2.2kW×2台；⑨台车整体走行速度：7m/min；⑩小车最大爬行速度（调频电机）：（3～4.0m/min）；1○适应隧道断面大小：R7.11m±0.1m；12○适应隧道纵、横坡：±2%；13○适应防水板幅宽：3m；14○适应初支表面平整度：≤1/10，即1平方米范围内，工作表面最大凸凹差值0.1m。

3 结构形式及使用原理

3.1 结构形式

新型防水板自动铺设台车主要由：①门架总成系统；②作业工作台总成；③拱圈总成系统；④行走、爬升机构；⑤安全制动机构；⑥台车整体液压调平机构；⑦防水板吊装机构；⑧监测装置等八部分组成。台车结构设计如图1、图2所示。

图1 台车横断面图

图2 台车侧面图

3.1.1 门架总成。

门架主要由型钢制作，构成台车的骨架。门架设置3榀，间距2m，总长度4m，满足防水板（幅宽3m）铺设；为确保行走时台车平稳，纵向行走轮间距按7.6m，横向间距（铺轨间距）按8m。

3.1.2 作业工作台总成。

为确保安全以及避免操作人员频繁上下攀爬，减轻高原施工劳动强度，特设计3.5m×0.7m的悬挂式施工人员工作台。工作台悬挂在爬行小车的悬臂轴上，在重力作用下，工作台能够始终处于竖直状态。

3.1.3 拱圈总成系统。

拱圈采用钢板焊接成“II”字形，外侧焊接齿圈，作为爬行小车的运动轨道，腹板部分作为爬行小车钩轮的轨道，保证了爬升小车的行走平稳，且平面稳定性好。

3.1.4 爬升行走机构。

行走爬升小车在轮箱内部安装4个小轮，小轮镶嵌在拱圈的凹槽内，约束小车沿拱圈行走，采用电机（减速机）带动与齿条啮合的小齿轮实现小车爬升行走，爬升行走机构如图3所示。

图3 爬升行走机构

爬升行走机构选用电磁制动电机，电磁制动电动机的直流圆盘制动器安装在电机非轴伸端的端盖上。接通电源时，制动器开始工作，电磁铁产生磁力吸引衔铁并压缩弹簧，制动盘与衔铁端盖脱开，爬升小车可自由行走。当切断电源后，电磁铁磁力消失，弹簧推动吸盘压紧制动盘，产生制动摩擦力，使爬升行走机构立即停止运转。形成了第1道安全制动防线。

爬升机构上面安装气囊支架及防水板支架。

3.1.5 安全制动机构。

在爬升机构里面还设有电磁吸盘，当停车时，电磁吸盘会牢牢地吸合在拱圈上，将爬升机构和工作平台固定在拱圈上，防止意外事故的发生，形成了第2道安全制动防线。

在爬行机构安装完成后，在拱圈两端设置机械式挡板，挡板高度要大于轮箱端板高度，防止电器部分失效而引起的小车下滑坠落，避免意外，形成第3道安全制动防线。

3.1.6 台车调平机构。

隧道内情况复杂，有纵向、横向坡度，仰拱面高低不平等现象，为了保证拱圈顶部处于水平状态，在门架底部安装4个顶升油缸，通过油缸调整，确保台车的水平状态。

3.1.7 防水板吊装机构。

1圈30m长的防水板重量约120kg，为减轻高原施工人员的劳动强度，特在门架外侧设置“折线形”旋转吊架（如图4所示），吊架主体由桁架组成，桁架分为2段，所有连接点均为销轴，桁架顶面设置悬挂吊点，利用1t提升倒链将整卷防水板提起，人工旋转吊架，可轻松简便地将整卷防水板安装在爬升小车的支撑架上。

图4 防水板吊装系统示意图

3.1.8 监测装置。

由于电机性能差异、荷载不均匀、电压不稳定等原因常，引起的两端爬行小车出现位移差。在左右侧爬行小车上设置红外线对射装置，当两端小车不同步量超过10cm时，红外线对射装置输出断电信号，小车断电。然后通过配电箱上电机的控制系统对单侧电机进行调整，使两端小车实现同步。

3.2 使用原理

防水板铺设台车核心机构为拱圈和爬升机构，爬升机构附着在拱圈上，通过电机、减速机、齿轮传动，实现爬升动作。

爬升机构上安装有气囊和防水板卷材，在工作时，气囊与已展开的防水板接触，通过气囊将防水板扶贴在初支面上，通过工作人员将防水板热熔连接，实现防水板的铺设。从而实现防水板铺设的自动化作业。

爬升机构上的电机为电磁制动变频电机，可以实现电磁制动和调节爬升速度的功能。

4 防水板台车的安装步骤

①安装行走梁。先将顶升导轨穿入行走梁对应滑槽中，并将行走梁按安装尺寸放置到位（以隧道中心为基准，放置行走梁），行走梁中心距离8m，两端横向距离误差不得大于10mm，并支垫稳当，垫枕高度为45～50cm。调平行走梁，使两行走梁相对高差不大于2cm；并测量两侧行走上翼缘板连接孔的对角尺寸，使连接孔的对角线误差控制在1cm之内，便于门架的安装。②安装门架。预先将立柱、斜撑和横梁拼装成整体，然后整体吊装，与行走梁拼装，依次完成三榀门架的安装。③安装门架对应的外伸杆件、工作平台以及爬梯。④将门架上方的小立柱和横梁以及斜撑杆件等安装相应位置，同时安装对应的工作平台、爬梯和围栏。⑤将拱圈安装在门架的相应位置，并且将相应的拱圈销轴、连接板安装到位。⑥将两侧拱圈的间距调整到所需尺寸，其误差控制在±2mm之内。然后将门架的斜撑杆件、吊装机构等按照图纸要求安装，同时二次紧固相应的螺栓。⑦安装吊篮和移动工作平台。预先将单侧爬升机构放入弧形轨道内，并支撑牢靠；安装另一侧爬行机构，支撑牢靠；安装防水板支架、气囊支架。然后再将吊篮工作平台、栏杆、吊篮调节油缸等安装在拼装好的爬升机构对应的位置上，使其成为整体结构。在拱圈上焊接限位挡块，防止其从拱圈上滑落。⑧将集线器安装在拱圈的对应位置，按照布线图纸，将所需要的电缆线，配电箱及电气控制系统等安装布置在对应位置。⑨安装顶升液压系统。首先将顶升液压泵站固定在行走梁对应位置，然后将顶升油缸安装在立柱的油缸座上，最后连接顶升机构的液压油管以及其他配件。安装吊篮提升油缸和气囊调节油缸。将液压泵站安装在吊篮的相对位置，通过油管连通液压泵站和吊篮提升油缸、气囊调节油缸。⑩行走机构安装。操作顶升油缸，将台车整体上升，使行走梁与其垫块脱离，撤走垫块，将行走主动机构和被动机构依次安装在相应的位置，最后铺设钢轨，要求轨距8m，误差±5mm，将钢轨固定在地面上。1○在各个传动部位注入相应的润滑油脂，泵站加注YB-N46#抗磨液压油，减速机加注齿轮油，检查钢轨铺设质量及齿轮传动部位有无障碍等，接通电源，进行台车试运行。12○待台车运行状态良好的情况下，利用吊装机构将防水板卷材提升安装在吊篮的对应位置。对气囊进行充气（气压控制在0.02±0.005MPa）。根据隧道喷锚的情况，通过气囊调节油缸来控制气囊与防水板铺设面的距离，使其达到最佳铺设距离，启动爬升机构，进行防水板的铺设作业。

5 防水板铺设台车使用过程中注意事项

①台车各个部位须可靠安装、连接。拧紧各个部位的螺栓。②按要求，如数正确安装台车上的防护栏杆。③统一指挥台车的操作。④台车行走时，严格控制台车中心线与隧道的中心重合，确保钢轨的平直度和轨距，钢轨间的接缝要平滑，不应有明显高低错台，以免给台车行走带来较大阻力。行走时随时观察台车有无剐蹭，及时清理前方道路。⑤随时观察爬升小车的运行状态，如果有异常，须立即停车，排除故障。⑥正确可靠连接爬升机构机械制动装置，防止非行走状态时的台车爬升机构下滑。正确连接夹轨器，防止台车在轨面不平时自行滑动。⑦定期维护保养台车，轴承、齿轮等部位需有充分润滑，避免“干摩擦”现象。⑧台车铺设防水板前，对初支锚杆的外漏长度进行检查，不得超过初支面10mm。⑨工作平台禁止堆放杂物，载重量不得超过300kg；门架上设置反光警示条，防止其他设备或机械撞击。台车上配备灭火器，并固定。

6 结束语

此台车为全液压电动行走，可以实现标准化、自动化施工，其设计先进、结构合理、性能完善、工艺精良。有效提高防水板的铺设质量，提高铺设效率，降低施工劳动强度，节约成本，在高原隧道及其它普通隧道防水板铺设施工中均能发挥很好的作用。