胡衛(wèi)平

(中國中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

一種三臂鑿巖臺車推進梁上頂盤的改造

胡衛(wèi)平

(中國中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

為提高鑿巖臺車施鉆時超欠挖控制的精度，通過對一種三臂鑿巖臺車推進梁上的頂盤結構進行分析，發(fā)現(xiàn)原頂盤的結構設計存在一定的缺陷，即頂盤鉆桿導向孔與隧道縱向水平線之間的距離過大，導致施鉆時外插角難以控制，從而影響超欠挖控制的精度。通過分析和總結，對頂盤重新進行了設計，通過減小頂盤鉆桿導向孔與隧道縱向水平線之間的距離減小了施鉆時的外插角，從而減少了對超欠挖的影響。

鑿巖臺車; 超欠挖; 頂盤改造; 外插角

0 引言

液壓鑿巖臺車是隧道鉆爆法施工中最先進的開挖設備，能降低人工開挖勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境、提高作業(yè)安全系數(shù)及縮短施工工期。充分發(fā)揮機械設備效率、進行機械化作業(yè)是今后隧道施工的發(fā)展方向[1]。在機械化配套作業(yè)中，液壓鑿巖臺車鉆爆法施工中的超欠挖控制是施工的難點，也是鉆爆法施工中研究的重點。在施工過程中，由于液壓鑿巖臺車自身結構的原因，液壓鑿巖臺車施鉆周邊眼時產生的外插角比手持式風動鑿巖機產生的外插角大，故對超欠挖的影響也大[2]。鑿巖臺車施工過程中因外插角較大，超欠挖較難控制，從而影響施工的質量和成本，這是目前阻礙鑿巖臺車鉆爆法施工推廣的主要原因之一。文獻[2]提出鑿巖臺車本身的結構設計決定了鑿巖臺車施鉆時外插角的角度，并說明了鑿巖臺車的結構設計對超欠挖的影響，但沒有進行深入研究，也未給出改進措施。

本文通過總結與分析，發(fā)現(xiàn)在液壓鑿巖臺車鉆爆法施工中一種三臂鑿巖臺車(簡稱X三臂鑿巖臺車)推進梁上的頂盤結構導致施鉆時外插角β偏大，對超欠挖存在一定的影響。為減少這種影響，必須降低施鉆時的外插角，但在鑿巖臺車設計時外插角β已經固定，施工過程中無法對外插角β進行調整。因此，只有對鑿巖臺車頂盤結構進行改造，重新設計頂盤結構，降低施鉆時的外插角，才能減少對超欠挖的影響。通過分析X三臂鑿巖臺車頂盤結構影響超欠挖的原因，提出了頂盤結構改造的方法，并對原裝頂盤結構進行了改造與設計，提高了X三臂鑿巖臺車施鉆時外插角的控制精度，減少了對超欠挖的影響，有利于鑿巖臺車在機械化配套施工中的推廣。

1 X三臂鑿巖臺車推進梁與頂盤結構的組成

1.1 推進梁的結構組成

X三臂鑿巖臺車推進梁的結構組成如圖1所示。其主要由鋁合金推進梁、液壓油管轉盤、鉆機、牽引鋼絲繩、回位鋼絲繩、推進油缸、中扶釬器、頂盤和導軌等組成。

圖1 X三臂鑿巖臺車推進梁的結構組成

Fig. 1 Structural components of propulsion beam of X-three-boom rock-drilling jumbo

1.2 頂盤的結構組成

X三臂鑿巖臺車頂盤的結構組成如圖2所示。頂盤主要由U型卡、頂盤架和橡膠盤等組成，并采用4顆螺栓將其固定在鋁合金推進梁上。

圖2 X三臂鑿巖臺車頂盤的結構組成

Fig. 2 Structural components of top plate of X-three-boom rock-drilling jumbo

2 推進梁和頂盤的作用以及外插角對超欠挖的影響分析

2.1 推進梁和頂盤的作用

X三臂鑿巖臺車推進梁的作用主要是： 鋁合金推進梁上設計有導向導軌供鉆機在導軌上往復行走。在推進油缸的作用下，鉆機由牽引鋼絲繩牽引向前行走，鉆機推動鉆桿向前鑿巖炮眼； 然后，鉆機退回，推進油缸缸筒反向行走，回位鋼絲繩在缸筒的作用下拉動鉆機向回走，同時拉回鉆桿。中扶釬器的作用是支撐鉆桿做往復運動，為鉆桿起導向作用。

頂盤可以限位鑿巖鉆機的行程，具有減震、支撐鉆桿、鑿巖時頂緊巖石以及為鉆桿起導向等作用。

2.2 外插角對超欠挖的影響分析

X三臂鑿巖臺車外插角理論值最小為2.17°，實際施工時外插角較大。根據(jù)施工現(xiàn)場情況可以得出如圖3所示的X三臂鑿巖臺車每循環(huán)超挖量理論計算分析圖。按照現(xiàn)有的臺車結構性能和設備安全操作手冊進行施鉆，當循環(huán)進尺為3.8 m時，每循環(huán)的平均線性超挖理論值為0.14 m，最小外插角理論值為2.17°。而在實際施鉆過程中，實際外插角與臺車結構性能、司鉆工技能水平、上循環(huán)超欠挖情況和開眼位置等均有很大的關系。按鑿巖臺車安全操作手冊進行施鉆時，很難將外插角角度控制到理論值2.17°。所以，實際施工過程中，為了更好地控制超欠挖，使外插角角度小于理論值2.17°，一般需要違背設備安全操作手冊進行施鉆。以往施鉆時，為了將平均線性超挖尺寸控制在7 cm以內，常采用的方法是： 當鉆桿伸出頂盤1.5 m左右時扭曲鉆桿進行開鉆。采用此方法雖然能降低外插角，但扭曲鉆桿會導致鉆機內部構件受力不均勻，導致鉆機磨損、損壞； 同時，容易損壞釬具，增加成本消耗[3]。

圖3 X三臂鑿巖臺車每循環(huán)超挖量理論計算分析圖

Fig. 3 Theoretical calculation analysis diagram of overbreak amount per cycle of X-three-boom rock-drilling jumbo

2.3影響超欠挖控制的因素

隧道施工中開挖是最關鍵的工序，施工中超、欠挖的控制直接影響到隧道出渣、鋼筋網鋪設以及二次襯砌中防水層和混凝土施工等一系列工序，影響施工進度以及項目的效益。若為超挖，則對后期混凝土的施工成本控制不利； 若為欠挖，在安裝鋼拱架和鋼筋網時必須進行補炮，在初期支護噴射混凝土時必須增加混凝土回彈量[4]。

影響超欠挖控制的因素中，鉆孔精度的影響是非常大的。鉆孔精度主要包括周邊炮孔的外插角精度、鉆孔定位誤差和鉆孔深度精度。外插角、鉆孔深度和鉆孔定位誤差與平均線性超挖尺寸有確定的函數(shù)關系[5]：

D0=H0tanβ+e。

(1)

式中：D0為平均線性超挖尺寸，m；H0為鉆孔深度，m；β為外插角，(°)；e為鉆孔定位誤差(開眼精度)，m。

根據(jù)施工經驗可知： 1)H0可以通過提高管理與技術水平進行控制； 2)e一般應控制在±0.03 m以內，同時會受到設備結構性能的影響； 3)外插角β的大小只與設備的結構性能有關，不因外部因素的變化而改變，即使是技能水平最好的司鉆工也只能控制其接近于理論值2.17°。因此，為減小外插角對超欠挖的影響、使外插角達到并小于最小理論值，就需要對設備結構進行合理的改進。

2.4 頂盤結構影響超欠挖控制的原因

鑿巖臺車施鉆時的外插角是指鑿巖臺車施鉆時鉆桿與經過開眼點(本文討論的開眼點均是指其超欠挖為零超零欠的狀態(tài))的隧道縱向水平線之間的夾角。X三臂鑿巖臺車在開眼點施鉆時的外插角示意圖如圖4所示。由圖4可知，鉆頭開眼需開至隧道開挖輪廓線上，鉆桿穿過頂盤鉆桿導向孔，導向孔與隧道縱向水平線之間有一定的距離，致使鉆桿不能與隧道縱向水平線平行開孔，鉆桿必須擺動一定的角度才能將鉆頭開眼開至隧道開挖輪廓線上。同時，根據(jù)圖4可知，頂盤鉆桿導向孔與經過開眼點的隧道縱向水平線之間的距離h1是由頂盤的設計結構確定的，施鉆時h1是不可改變的，即最小外插角β是不可改變的，施鉆時無法控制外插角小于理論值。為使外插角β低于理論值，只有減小頂盤鉆桿導向孔與經過開眼點的隧道縱向水平線之間的距離h1[6]。

圖4 X三臂鑿巖臺車在開眼點施鉆時的外插角示意圖

Fig. 4 Sketch of extrapolation angle when X-three-boom rock-drilling jumbo drilling at open point

當在開眼點的位置定位開孔精度時，推進梁頂盤因自身結構性能很難按照臺車安全操作手冊向前推進頂緊掌子面施鉆，因為頂盤鉆桿導向孔中心線到頂盤頂部的高度h過大(超過了經過開眼點的隧道縱向水平線與隧道輪廓線外壁之間的距離，即頂盤鉆桿導向孔中心線到頂盤頂部的高度大于超挖值)，頂盤無法在隧道縱向水平線與隧道輪廓線外壁之間推進。為使頂盤在隧道縱向水平線與隧道輪廓線外壁之間推進，就必須降低頂盤鉆桿導向孔中心線到頂盤頂部的高度，即減小h1，否則很難滿足開孔精度的要求。

3 減小頂盤對超欠挖影響的辦法以及原裝頂盤的改造與設計

3.1 減小頂盤對超欠挖影響的辦法

從設備管理來說，為了控制成本、降低單耗，必須完全按照設備安全操作手冊的要求進行鑿巖臺車的操作。由2.4節(jié)可知，X三臂鑿巖臺車頂盤的結構性能對超欠挖控制有一定的影響，但是不能為了控制超欠挖而違背設備安全操作手冊。由2.4節(jié)的分析可知，控制超欠挖的最好辦法是減小頂盤鉆桿導向孔與隧道縱向水平線之間的距離h1，進而減小外插角β，因此需對頂盤進行改造并重新設計。

3.2 原裝頂盤的改造與設計

改進前的原裝頂盤結構如圖5(a)所示。頂盤鉆桿導向孔中心線與頂盤頂部之間的高度h為80 mm。頂盤上部設計有U型卡槽，主要用于卡住并固定橡膠襯套。為了保證結構強度，U型卡槽結構的設計高度偏大，為42 mm。原結構設計存在的主要問題有： 1)U型卡槽高度過大，但為了卡住并固定橡膠襯套，基本無法降低，即也無法減小外插角β； 2)原頂盤的上部結構是方形的，施鉆時頂盤上部與隧道輪廓線外壁的接觸是面與面接觸，接觸面積較大，產生的摩擦阻力較大，頂盤很容易碰撞到拱架等結構，造成拱架損壞等。

為了減小頂盤結構對超欠挖的影響，需減小外插角、同時減少施鉆時頂盤上部與隧道輪廓線外壁的接觸面面積，根據(jù)上述分析可知，只有重新設計頂盤結構。經過多年的總結與探索，重新設計了頂盤結構，取消了原有的U型卡槽結構設計，不采用U型卡槽固定橡膠襯套，而是以鑲套的形式設計橡膠襯套的固定結構； 并將原頂盤上部的方形結構設計成圓弧形結構，使施鉆時頂盤上部與隧道輪廓線外壁的接觸由面接觸變?yōu)榫€接觸。改進后的頂盤結構頂盤上部與隧道輪廓線外壁的摩擦阻力變小，并在一定程度上減小了h； 同時，施鉆時頂盤不容易碰撞到拱架等結構，也保護了臺車推進梁。改進后的頂盤結構如圖5(b)所示。改進后h可以降低到60 mm，與原頂盤結構相比降低了20 mm。通過計算可以得出： 1)外插角β由原來的2.17°降低到1.6°，降低了0.57°； 2)鉆孔深度為4.2 m、爆破后循環(huán)進尺為3.8 m、外插角為1.6°時，控制單孔超尺寸量理論值為10 cm，與原單孔超挖尺寸相比，減少了4 cm； 3)開眼精度提高了2 cm。以某一隧道斷面為例，外插角分別為2.17°和1.6°時計算得出的每循環(huán)超挖量理論值見表1。

頂盤鉆桿導向孔中心線與頂盤頂部的高度h降低了20 mm(從80 mm降低到60 mm)，便于施鉆開孔。當施工過程中每循環(huán)的單孔孔底超挖≥6 cm時，頂盤可以在經過開眼點的隧道縱向水平線與隧道輪廓線外壁之間平行移動，然后按照設備安全操作手冊的要求推進頂盤、頂緊掌子面，在此情況下可以得到精確的開眼精度，有利于超欠挖的控制。

表1改進前后頂盤的結構參數(shù)和每循環(huán)超挖量理論值

Table 1 Theoretical structural parameters of top plate and overbreak amount per cycle before and after conversion

結構參數(shù)原頂盤新頂盤推進梁長度/m7．17．1扶釬器高度/mm220220頂盤高度/mm220220鉆孔深度H0/m4．24．2平均線性超挖尺寸D0/m0．140．10外插角β/(°)2．171．6循環(huán)進尺H/m3．83．8周邊弧線長度l/m29．729．7每循環(huán)超挖量理論值V=[l×(D0×H)/2]/m37．95．6

(a) 改進前的原裝頂盤結構

(b) 改進后的頂盤結構

4 結論與討論

1)X三臂鑿巖臺車頂盤經過改進后，提高了施鉆時外插角的控制精度，減少了施鉆時對超欠挖的影響，說明改進是有效的。

2)在實際使用過程中取得了較好的效果。將改進后的X三臂鑿巖臺車應用在雅康C1標二郎山隧道中后，臺車在開挖施工中平均線性超挖尺寸基本控制在7 cm以內，單孔超挖尺寸基本控制在10 cm以內，說明X三臂鑿巖臺車頂盤的改進是成功的，是可以進行推廣的。

3)X三臂鑿巖臺車頂盤經過改進后，并未徹底解決X三臂鑿巖臺車在鉆爆法施工中因鑿巖臺車自身結構導致施鉆時外插角偏大而影響超欠挖控制這一問題，從而還需要不斷地對鑿巖臺車推進梁上的頂盤結構進行改進，使鑿巖臺車超欠挖更容易控制，并有效地控制項目成本，也便于鑿巖臺車鉆爆法施工在機械化配套施工中的推廣。

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ConversionofTopPlateonPropulsionBeamofaKindofThree-boomRock-drillingJumbo

HU Weiping

(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450001,Henan,China)

In order to improve the control precision of overbreak and underbreak of tunnel when using rock-drilling jumbo, the top plate structure on propulsion beam of a kind of three-boom rock drilling jumbo is analyzed. The fault, overlarge distance between guide hole of drilling pipe of top plate and longitudinal horizontal line of the tunnel, exists in the structural design of the original top plate, which leads to difficult control of extrapolation angle of the drill and further would affect the control precision of overbreak and underbreak. As a result, optimization, i. e. reducing the extrapolation angle of the drill by shortening the distance between guide hole of drilling pipe of top plate and longitudinal horizontal line of the tunnel, is carried out; so that the overbreak and underbreak of tunnel have been effectively controlled.

rock-drilling jumbo; overbreak and underbreak; top plate conversion; extrapolation angle

2015-05-15;

2017-10-09

胡衛(wèi)平(1983—)，男，湖南婁底人，2013年畢業(yè)于中南大學，電氣工程及其自動化專業(yè)，本科，工程師，主要從事隧道和地下工程設備與專業(yè)化施工管理工作。E-mail： huweiping128@126.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.020

U 455.3+2

B

2096-4498(2017)11-1488-04