潘福營，張興彬，殷 康，龔振如，杜 藏

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京100761；2.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南 洛寧471700）

1 引言

自21世紀(jì)以來，鉆爆法因其具有經(jīng)濟(jì)性好、對地質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，越來越多的在公路、鐵路、水電等工程領(lǐng)域的隧洞開挖過程中得到廣泛應(yīng)用[1]。雖然鑿巖臺車配氣動鑿巖機(jī)開挖工法[2]具有方便快速、高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，且目前已成為隧洞開挖施工的主流方法，但是該工法存在諸如施工人員多、勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、鉆進(jìn)速度慢等缺點(diǎn)[3]。然而，具備防護(hù)功能的隧洞開挖支護(hù)設(shè)備—盾構(gòu)機(jī)，其價(jià)格高昂、設(shè)備龐大，且一般是為某一固定斷面如高鐵、地鐵等工程而設(shè)計(jì)，不適用于抽水蓄能電站變斷面的隧洞開挖。因此，目前國內(nèi)外在抽水蓄能電站中小型洞室開挖過程中仍主要采用鉆爆法進(jìn)行開挖，同時(shí)隨著現(xiàn)代社會對安全文明施工要求的提高，鉆爆法需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

目前，針對抽水蓄能電站中小型變斷面隧洞開挖工程，國內(nèi)尚無較合適的具備一定防護(hù)功能的鑿巖臺車產(chǎn)品。因此，本文基于圍巖松動圈理論[4]和“新奧法”支護(hù)原理[5]提出了一種具備安全防護(hù)功能和工作平臺的鑿巖臺車，該臺車對施工作業(yè)人員具有一定的安全保護(hù)能力，同時(shí)具備自主移動功能，以及性價(jià)比高、操作方便的特點(diǎn)。實(shí)踐表明該鑿巖臺車可應(yīng)用于我國抽水蓄能電站及常規(guī)水電站隧洞開挖工程，同時(shí)也可推廣至礦山、公路、鐵路等工程建設(shè)領(lǐng)域。

2 結(jié)構(gòu)組成

本鑿巖安全保護(hù)臺車的主要部件和附件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：

（1）頂防護(hù)架總成：頂板和邊板各分為2塊，采用折疊伸縮式設(shè)置，頂板之間及邊板之間用螺栓連接，采用鉸接機(jī)構(gòu)，用于伸板和收板，如圖1中的部件1。下部通過支撐液壓頂連接于門架，頂板架體由3根縱梁和多根橫梁及立柱組成，立柱采用立式垂直防護(hù)箱型液壓支柱，固定于門架支柱上方，如圖2中上部所示。

（2）門架及工作防護(hù)平臺系統(tǒng)：門架是整個(gè)安全保護(hù)臺車的承重部件，它主要由橫梁、立柱、縱梁等組成，連接部位通過螺栓連接而成，同時(shí)各個(gè)橫梁、立柱以及縱梁之間又通過連接梁、斜拉桿和剪刀架等結(jié)構(gòu)來提高門架的整體剛性和強(qiáng)度。在臺車門架的左右兩側(cè)，分別布置有上下2層可升降的工作防護(hù)平臺，平臺外側(cè)設(shè)置安全保護(hù)圍欄，如圖2所示。

（3）主行走機(jī)構(gòu)：臺車行走機(jī)構(gòu)由2個(gè)主動行走機(jī)構(gòu)組成。行走機(jī)構(gòu)與門架底梁相連接，主動輪及其架體如圖1中的部件8和13所示。

圖1 臺車側(cè)面結(jié)構(gòu)圖

圖2 臺車門架內(nèi)部通道側(cè)面圖

（4）液壓動力系統(tǒng)：臺車的液壓動力系統(tǒng)主要通過三位四通手動換向閥進(jìn)行換向動作，從而實(shí)現(xiàn)液壓油缸的伸縮功能。左右側(cè)板的油缸分別采用兩聯(lián)換向閥來控制兩側(cè)水平油缸的伸縮動作，4個(gè)豎向油缸則共用1個(gè)換向閥來控制換向動作。

（5）電氣系統(tǒng)：臺車的電氣系統(tǒng)主要用于臺車的啟動、停止以及正反方向的前后運(yùn)動進(jìn)行控制，同時(shí)也為液壓系統(tǒng)提供必要的動力。

3 臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 防護(hù)頂板設(shè)計(jì)與計(jì)算

頂部弧形板按照雙鉸耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)針對其最大正負(fù)彎矩區(qū)域采用加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)，弧形面板部分按照四邊支撐的假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。防護(hù)頂板支撐面板的計(jì)算載荷q主要由設(shè)計(jì)上部荷載、允許超挖部分載荷、局部過大超挖部分載荷以及防護(hù)面板的自重等組成，其可寫成如下形式：

其中，q-面板計(jì)算載荷，單位為kgf/m2；q0-防護(hù)板的自重，根據(jù)初選面板的厚度進(jìn)行計(jì)算；q1-設(shè)計(jì)上部載荷，q1=γh，γ- 土石的容重，為 2500kgf/m3，h-設(shè)計(jì)開挖的厚度，等于1m；q2-允許超挖部分的載荷，其值為500kgf/m2（按允許0.2～0.3m計(jì)算）；q3-局部過大超挖部分的載荷（不包括允許超挖部分）為1.5m。

采用上式計(jì)算設(shè)計(jì)情況I（頂拱開挖完成時(shí)）時(shí)的頂板載荷值為q1+q2+q3=7657kgf/m2，弧形板的載荷為q0+q1+q2=5762kgf/m2。臺車面板厚度δ的計(jì)算則可通過表1計(jì)算得出。

表1 面板厚度δ的強(qiáng)度撓度驗(yàn)算計(jì)算表

根據(jù)表1進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明采用厚度δ=12mm鋼板做面板時(shí)效果更好。

3.2 弧形面板內(nèi)部支撐計(jì)算

頂板兩側(cè)的弧形面板采用A3δ12鋼板，寬度尺寸為200mm，加強(qiáng)筋采用75mm×75mm×6mm的角鋼，中心距大小為260mm。各截面組合內(nèi)力的計(jì)算參照雙鉸等截面直墻圓拱鋼架梁內(nèi)力計(jì)算公式[6]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

弧板內(nèi)部支撐截面選擇則采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

M=q'L2/8

表2 不同角度下鋼拱梁各截面組合內(nèi)力計(jì)算值（該表內(nèi)力均以1m計(jì)）

σ=M/WX≤[σ]

fmax=5q'L4/384EIx≤1/250

其中，q'-表示作用在支撐角鋼上的線載荷，且q'=q·a；L-表示支撐角鋼的計(jì)算跨度，取值1.5m；a-表示支撐角鋼的間距，取值280mm；Wx，Ix-分別表示對X軸的截面抵抗力矩及截面慣性矩。梁單元的最大變形量，即模板的最大位移為：

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，整個(gè)模板的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

表3 弧板內(nèi)部支撐截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

弧板內(nèi)部支撐截面的內(nèi)力同樣滿足要求，如表3中的計(jì)算結(jié)果所示，截面應(yīng)力小于許用應(yīng)力值，因此，整個(gè)弧板內(nèi)部支撐強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種具備一定人員防護(hù)和自主移動功能的變斷面洞室開挖鑿巖臺車。并且基于圍巖松動圈等理論對該臺車的防護(hù)罩和鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度和內(nèi)力支撐等方面進(jìn)行了受力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該鑿巖臺車能夠滿足抽水蓄能電站等中小型變斷面隧洞開挖工作的強(qiáng)度要求，該鑿巖臺車技術(shù)可在抽水蓄能電站及常規(guī)水電站、礦山、鐵路、公路等隧洞開挖作業(yè)中得到較好地應(yīng)用推廣。