铁路隧道衬砌机械化开槽设备设计及研究

刘志强，叶灿铙，袁 玮

（1.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731；2.浙江金温铁道开发有限公司工电部，浙江 温州 325011）

既有隧道病害整治中对严重裂损的衬砌常采用钢拱架进行永久性加固，且通常由于隧道净空的限制，需凿槽将钢拱架嵌入衬砌内。国内在开槽施工中通常采用人工手持通用建筑机械进行钢拱架安装槽的开槽作业，一般采用的开槽机械有角磨机、云石机、风镐、电镐以及金刚石钻孔机等。人工开槽存在人员多、效率低的问题，且手持式设备进行高空作业存在施工安全风险，研究机械化开槽设备是解决该问题的有效途径。

1 机械化开槽设备整体方案

1.1 带水平回转的可伸缩曲臂式开槽机方案

方案I：带水平回转的可伸缩曲臂式开槽机方案如图1 所示。开槽机安装在既有线铁路隧道病害综合整治作业台车上，主要由纵向行走机构、底座、伸缩臂、切削摆动臂、切削头及动力马达等组成。

图1 开槽机方案I

1.2 带弧形导轨的类仿形作业式开槽机方案

方案Ⅱ：带弧形导轨的类仿形作业式开槽机方案如图2 所示。开槽机主要由安装在台车上的纵向轨道、带动开槽机沿轨道行走的纵向行走机构、安装在行走机构上可升降的弧形导轨、安装在弧形导轨上的行走小车、带动切削摆动臂回转的回转支撑装置、切削摆动臂、液压马达以及切削头等组成。

图2 开槽机方案Ⅱ

1.3 带横向导轨的多节伸缩臂式开槽机方案

方案Ⅲ：带横向导轨的多节伸缩臂式开槽机方案如图3 所示。开槽机主要由安装在台车上的纵向轨道、卡装在纵向轨道上可沿隧道纵向行走的横向轨道、带动开槽机横向移动的横向行走小车、由螺旋油缸带动可实现180°回转的机械臂、带动刀具进行切槽作业的液压马达以及切削头等组成。

图3 开槽机方案Ⅲ

1.4 公铁两用载运平台开槽机方案

方案Ⅳ：公铁两用载运平台开槽机方案如图4 所示。利用现有挖掘机为基础进行改装，开槽机主要由公铁两用底盘、上装总成、大臂总成、支腿总成、安装座总成、伸缩臂总成、切削头总成组成，采用公铁两用底盘可实现设备在公路上行走速度≥5km/h，铁路上行走速度≥20km/h，设备可在天窗时间外公路走行至隧道洞口，待封锁后上道至铁路轨道行走至施工点。

图4 开槽机方案Ⅳ

2 总体方案比选

方案I 为带水平回转的可伸缩曲臂式开槽机方案，其优点是：开槽机采用伸缩式曲臂结构，结构紧凑，无需横向移动即可实现衬砌开槽作业；开槽机能连续完成一个工位隧道一侧拱顶及拱腰开槽作业，开槽效率较高。缺点是：因开槽机臂长较长，最大长度为2.5m，而重量较重的刀具及液压马达都位于机械臂远端，作业时机械臂及回转支座将承受较大的载荷，受力较为不利；机械臂需同时具备伸缩及曲折功能，结构较复杂。

方案Ⅱ为带弧形导轨的类似仿形作业式开槽机方案，其优点是：机械臂臂长较短，从回转支座伸出机械臂长为1.46m，回转支座所受弯矩较方案I 小，受力较好；开槽机拱顶开槽作业类似于仿形作业，易于实现开槽轨迹的控制，通过在液压回路中设置储能器即可实现切削摆动臂的自动摆动，可有效降低开槽机能耗。缺点是：布置弧形导轨所占空间较大；为了使刀具能顺利从接触网下穿过，升降导轨需要有较大的升降幅度，导轨弧长较小，开槽机需分4 步完成一个工位的开槽作业，降低了开槽效率。

方案Ⅲ为带横向导轨的多节伸缩臂式开槽机方案，其优点是：开槽机没有水平回转机构，且机械臂无需设计曲折功能即可实现衬砌的开槽作业；同时，开槽机能一次连续完成一个工位隧道一侧拱顶及拱腰开槽作业，开槽效率较高。缺点是：伸缩臂为四节伸缩臂，结构较复杂；因臂长较长，作业时机械臂将承受较大的弯矩载荷，受力较为不利；横向轨道的设计使布置开槽机需占用较大的台车平面。

方案Ⅳ为公铁两用载运平台开槽机方案，其优点是：不借助铁路平板车，采用公铁两用底盘施工更灵活，能快速达施工地点。缺点是：公铁两用底盘存在故障风险，如果设备在隧道内发生故障，救援十分困难。因此，要针对该方案制定严谨的应急救援预案。

表1为4种开槽机方案的各项性能指标对比，以方案IV 设计的开槽机施工更灵活，且能更快到达施工地点，作为既有线铁路隧道衬砌钢拱架安装槽快速开槽设备的最优设计方案。

表1 方案各项性能指标对比

3 详细方案设计

1）切削头设计 图5（a）为切削头结构图，通过调整锯片宽度可以实现衬砌槽开槽宽度，最大开槽宽200mm，最大深度230mm。

2）浮动臂总成设计 图5（b）为开槽机机械臂，伸缩长度0～600mm，仰俯角度0～81.5°。

3）安装座总成 图5（c）为安装座总成，通过底座可使开槽机机械臂进行360°回转，实现从隧道两侧分别进行开槽作业。

图5 详细设计方案图

4）液压系统 由于开槽机用于隧道内施工作业，工作环境恶劣，工况复杂，因此要求所设计的液压系统性能稳定，能适应隧道内高温、高粉尘、高噪声及振动等恶劣作业环境。开槽机共有3 个液压缸（伸缩臂伸缩液压缸、伸缩臂仰俯液压缸和支腿液压缸），一个刀具驱动液压马达。

5）电气系统 为了便于开槽机械臂精准控制，采用电比例阀组设计，所设计的开槽机电气控制系统主要用于控制电比例阀组的闭合以及开合量大小，从而调节控制开槽机刀盘转速、机械臂伸缩速度以及仰俯速度。

6）技术参数 开槽机技术参数如表2 所示。

表2 开槽机主要技术参数

4 结语

针对现有铁路隧道衬砌人工开槽低效、安全风险高等问题，开展了机械化开槽设备的设计，进行总体方案比选，优选公铁两用载运平台开槽机方案，进行削切头、浮动臂总成、安装座总成、液压系统和电器系统等关键部位的详细设计。该设备可实现快速行走、机械化快速开槽等功能，提高了铁路隧道衬砌开槽作业效率及安全性。