研究拱架安装台车施工作业的优化设计方案

  摘要：为保证隧道工程建设中拱架安装台车的应用达到理想效果，文章在介绍隧道工程拱架安装施工工艺的基础上，对拱架安装台车结构、原理和施工作业设计，以及未来发展趋势进行深入分析，以期为相关人员提供参考。关键词：隧道工程；拱架安装台车；台车设计

近年来，我国交通基础设施建设推进 建设对高铁修建至关重要，其施工效率影响工程整体进展。对于拱 中使用，随隧道施工机械化、高效化发展，应用范围扩大。 求以及施工作业环境，明确设计标准和性能参数，整体规 作业费力和缺乏安全性的设计问题，需要研制辅助人力拼接 后续结构受力分析和动力特性计算提供依据。该设备可减少作业人 ，推动隧道工程施工提速

1 拱架安装施工工艺

在当前的隧道工程施工中，以钢拱架和格栅拱架较为常用。其中，钢拱架主要采用型钢或工字钢制作而成，可实现分段拼接；格栅拱架则采用钢筋焊接而成，其截面包括多种类型，如三角截面或四边截面。开挖和支护是隧道工程建设重要工序，开挖会使局部岩土受力改变、应力重分布，可能释放残余应力，导致围岩变形、松弛，薄弱处破坏或致断面失稳垮塌，需支护提升围岩自承载能力。IV 级及以上围岩隧道难长时间自稳，需初期支护。拱架的加工必须严格按照设计要求进行，待初喷完成后和定位锚杆项链，相邻两个拱架之间采用纵向筋相连，并采用混凝土进行填充。拱脚应置于坚实基础，弱围岩段拱脚和墙基脚设锁脚锚固与垫槽钢增强基底承载力，拱架立设垂直于隧道中线，间隙大用混凝土填补。

钢拱架支撑作用：（1）喷混凝土前承载；（2）为超前支护提供支点；（3）为喷射混凝土部分提供前度补充；（4）与混凝土、锚杆共为初期支护，多用于需马上控制围岩松弛等情况。

钢拱架制造工艺要求：（1）外轮廓线据围岩、设计开挖轮廓以及留设的空隙得出；（2）型钢弯制钢架分节，每节不超 4m，腹板钻孔；（3）弯制方法以冷弯法或热弯法为宜，尺寸需按照 1:1 控制；（4）格栅拱架用对称胎膜焊接，节点焊长超 40mm ；（5）首榀试拼，尺寸合格批量生产，周边拼装偏差不能超过 ±30mm ，平面翘曲不能超过 20mm。

钢拱架安装时应达到如下要求：（1）将地脚处存在的杂物清理干净；（2）横向和高程偏差不能超过 ±5cm，垂直度偏差不能超过 ±2^∘ ；（3）各节螺栓连接，连接板密贴，缝隙不超 2mm ；（4）外缘与基面密贴，在缝隙部位按照 2m 的间隔距离借助钢楔或预制块确保达到紧固；（5）底脚应处在稳固的基础上，并与围岩紧贴，和锚杆采用焊接相连，严格按照设计要求进行纵向连接。

2 拱架安装台车基本结构与工作原理

2.1 基本结构

拱架安装台车主要包括以下组成部分：轮式底盘、拱架安装工作机构、工作平台及工作平台举升机构。其中，工作平台的主要作用在于将安装作业人员运送至指定位置；举升机构的作用在于对工作平台进行举升与调平，形成足够的作业空间；工作机构的作用在于对钢拱架的位置与姿态进行控制和调节，保证精确定位；轮式底盘支撑各机构，机动性好，可提升运输与安装效率。

2.2 工作原理

拱架安装台车作业流程如下：

（1）拱架的夹持与运输：转场时，夹持机构携带拱架运至安装工位，在运输过程中台车工作机构沿水平方向逐渐收合，末端抓手将拱架牢牢夹持，维持稳定。

（2）拱架的举升与姿态调整：到达工位后，通过主动油缸对工作机构的位置与姿态进行调整，确保拱架和道断面保持平行，并处于要求的高度，为之后的拼合安装创造便利条件。

（3）连接螺栓的安装：对拱架之间的对接进行微调，作业人员到达指定高度实施连接与安装，最终完成拼接。

作为台车核心作业机构，工作机构主要包含两级伸缩主臂、调整臂、抓手调整臂、抓手体等结构件及液压、控制系统构成。拱架举升与姿态调整需多工作臂联动，自由度越多控制越精准。在工作机构设计过程中要确保伸缩主臂自由伸缩、连接左臂实现俯仰调平、连接右臂实现水平方向摆动、抓手下臂俯仰、抓手上臂伸缩、抓手调整臂俯仰调节、抓手体侧摆调节及夹紧等动作。抓手体左右摆动通过抓手侧摆油缸，抓手夹紧由夹紧油缸完成。各个主动油缸的设计驱动参数如表1 所示。

表1 各动力油缸设计参数

3 拱架安装台车工作机构设计

作为特殊隧道工程施工机械，台车用于运移和安装各类配件，考虑到隧道施工环境往往很差，且作业空间有限，故对整机设计提出了极高的要求，具体包含以下几个方面：（1）适用范围：由于受到围岩实际情况的影响，IV 级和V 级围岩一般不适用，大多在全断面开挖或两台阶开挖情况中使用，对此相关人员必须引起重视，以免出现不必要的问题。

（2）功能要求：拱架安装台车需具备配件抓取和运移，以及托举和位置姿态调整等各项功能，确保托举高度符合要求，并达到预期的精度与稳定性，给之后的螺栓安装和拼接等作业过程创造良好条件。除此之外，还需在保证安装功能的基础上，探索其他功能，实现一机多用。

（3）机构设计要点：台车底盘行走机构牵引力和爬坡性能应能适应满载条件下隧道最大坡度路段稳定行走要求；通过计算确定适宜的接地比压，以防止在松软地 发生下陷；转弯半径应尽可能小，以便在隧道中可以灵活移动与定位；底盘宽度与重心高度应做好专门的稳定性计算，以免出现侧翻。门架与回转平台一般采用箱型梁，由高强度钢通过焊接制作而成；强度与刚度都需要通过严格的有限元分析来确定和验证，满足在最大载荷条件以及偏载条件下产生的变形量处于容许范围之内的要求；回转平台一般安装于底盘上，确保门架与上部机构进行全角度回转，以增加工作范围，对此需配备扭矩足够的高精度支承。举升机构的行程应能覆盖从地面抓取拱架到设计安装高度；在确定举升能力的过程中应充分考虑拱架自身重量、抓具重量与动力系数；如果举升采用多油缸实现，则要设计专门的同步系统，如机械同步系统或液压同步系统，以免结构卡死。抓取和夹持机构的夹紧力计算应能保证拱架在举升和摆动时不会发生脱落或松动；一般情况下末端夹具应设计成可围绕多个轴线进行旋转的形式，这样是为了能准确调整拱架的实际姿态，确保与连接板完全对准；为方便快速更换，可采用模块化的夹具，以满足不同断面及类型的拱架安装要求。微调机构的作用在于粗定位完成后实施毫米级调整，确保拱架的连接孔完全对齐，在主举升油缸上以串联的方式设置行程较短但有很高精度的微调油缸，采用多油缸实现动作协调，确保末端自由度得以精细调整，在设计过程中应保证精度、平稳性与分辨率。

（4）尺寸要求：隧道施工配套机械车辆多，拱架安装台车应与它们兼容配合。因此，其外形尺寸需满足与最小尺寸设备留有安全剩余量，以确保安全施工。各工作件极限工况受力情况如表2 所示。

表2 各工作件极限工况受力

（5）安全可靠要求：隧道内部往往存在包含高温、高湿与多尘等在内的复杂环境因素，台车自身液压系统和电气系统都需要进行特殊处理，以保证在恶劣条件下仍能长时间稳定运行

（6）经济要求：作为工程建设的核心，需要在保证作业安全与效率的基础上，尽可能降低设计与制造成本

4 拱架安装台车发展趋势

随着基础建设规模扩大和相关理论研究深入，钢拱架安装车有如下研究趋势：

（1）国际隧道协会划分隧道横断面积为五种类型，需深入探索各类断面对应的支护装备，促进台车向细方向发展，以适应不同隧道施工需求。

（2）由于隧道初支时使用的钢拱架往往有很高的弯曲程度，且长度和挠度均偏大，所以要对安装设备进行增强与优化，采用稳定和灵活性更高的夹持机构，减少吊装变形和振动，提升工作机构自由度，确保吊装灵活，提高安装效率与稳定性。

（3）为提升隧道初期支护效率，工程设备向高效转场发展，拱架安装台车底盘结构将改进优化，减轻自重，采用先进行走方式，实现快速转场和稳定支撑。

（4）为增强适用性，研究趋向设备多功能化，在设计中可考虑选择多辅助机构，做到一机多用，适应更多隧道工程的开挖施工要求，保证机械化水平。

（5）鉴于隧道开挖危险且控制技术进步，拱架安装台车向电气化智能控制发展，实现机电一体化，提升控制精度、操控灵敏程度以及智能化水平，进而提高施工准确性与可靠性，为安装作业人员创造良好环境条件。通过日益改进和不断完善，拱架安装台阶必定在隧道工程建设中发挥出更重要的作用。在将来，需将重点放在智能化和信息化上，并关注各类新型材料和技术的应用，以此实现台车的创新发展。

5 结语

综上所述，拱架安装台车在当 要作用，能极大程度的保证拱架安装精准度，并能提高拱架安装作 难度大的问题。以上在明确拱架安装台车基本结构和功能原理的基 与总结，并明确了拱架安装台车的未来发展趋势，旨在为实际隧道工程对拱架安装台车的应用以及工程机械研发专业提供参考借鉴。

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作者简介：万振（1988.5-），男，汉族，本科，工程师，湖南株洲，主要从事机械设计工作