劉 洋 宋 明

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1 前言

在傳統(tǒng)的隧道工程掘進(jìn)開挖過程中,炸藥的使用是必須且時(shí)常見到的,針對炸藥的控制,國內(nèi)出臺(tái)了很多法律規(guī)定,例如《中華人民共和國民用爆炸物品管理?xiàng)l例》規(guī)定禁止在規(guī)定的安全距離內(nèi)進(jìn)行爆破作業(yè);《爆破安全規(guī)程》規(guī)定工作面空頂距離超過設(shè)計(jì)規(guī)定的數(shù)值,不準(zhǔn)爆破;《大爆破安全規(guī)程》規(guī)定嚴(yán)控爆破地震的安全距離,爆破沖擊波安全距離。隨著爆炸物品購買渠道的單一、手續(xù)繁瑣,運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜,以及國家嚴(yán)控炸藥的生產(chǎn)。這給需要爆破的企事業(yè)單位,增加了許多運(yùn)營成本。而工程機(jī)械中的隧道設(shè)備取代爆破,從根源上解決炸藥所帶來的隱患。

工程機(jī)械的使用取代了“炮掘”的工藝,為有效的防治城市揚(yáng)塵污染,改善城市環(huán)境空氣質(zhì)量,預(yù)防工程施工中對環(huán)境污染起到了一定的作用。這響應(yīng)環(huán)保法的規(guī)定,即“排污的企事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營者,應(yīng)當(dāng)對生成建設(shè)過程中產(chǎn)生的污染物、放射性物質(zhì)、電磁輻射等采取相應(yīng)的防護(hù)措施,避免其對環(huán)境造成污染,從而危害人類健康”。尤其是隧道掘進(jìn)設(shè)備配備的高效除塵系統(tǒng)裝置。為施工現(xiàn)場中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、隧道開挖等改變了工程建設(shè)中的降塵、降噪施工所帶來的極大的好處。

目前國內(nèi)機(jī)械化隧道施工主要采用的是盾構(gòu)法,而盾構(gòu)法使用的盾構(gòu)機(jī)又存在設(shè)備投入大、操作維護(hù)要求技能高、不適合短里程隧道等不足。因此,現(xiàn)市場需求一種介于鉆爆法和盾構(gòu)法之間的隧道掘進(jìn)產(chǎn)品。

2 懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)國內(nèi)外發(fā)展概況

現(xiàn)在國內(nèi)的非爆開挖的懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)正處于起步階段,大部分設(shè)備僅是原有煤礦用懸臂掘進(jìn)機(jī)的簡單改進(jìn),只能最低限度的滿足施工要求,其截割范圍和效率等不能滿足大斷面的隧道施工要求。所以,為滿足市場需求,開發(fā)出一種適應(yīng)隧道工況非爆開挖的懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品。

2.1 國內(nèi)環(huán)境分析

第一階段:60年代初～70年代末,引進(jìn)國外掘進(jìn)機(jī)為主,定型生產(chǎn)機(jī)型,使用范圍越來越廣,切割能力逐步提高,有截割?yuàn)A巖和過斷層的能力。

第二階段:70年代末～80年代末,與國外合作生產(chǎn)懸臂掘進(jìn)機(jī)并逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,特點(diǎn)是可靠性高,能適應(yīng)我國巷道掘進(jìn)的需要,半煤巖的掘進(jìn)技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?出現(xiàn)了重型機(jī)。

第三階段:80年代末至今,重型機(jī)型大批出現(xiàn),懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造水平已相當(dāng)先進(jìn),代表機(jī)型有EBJ型、EL型、EBH型等,主要應(yīng)用于鐵路、公路、市政、水利工程等。

目前,我國掘進(jìn)機(jī)的機(jī)型已從輕型發(fā)展到中、重型,切割對象從煤層向巖石拓展,切割功率和機(jī)重都大大增加,掘進(jìn)能力大幅提升。我國掘進(jìn)機(jī)主要經(jīng)歷了引進(jìn)、消化吸收和自主研制3個(gè)階段。20世紀(jì)90年代以來是我國掘進(jìn)機(jī)的自主研發(fā)階段,這一階段我國中型掘進(jìn)機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)相對成熟,獨(dú)立研制截割硬度≤80 MPa,機(jī)重90t左右,截割功率160～260k W的重型掘進(jìn)機(jī),并且具備了根據(jù)礦井條件實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)的能力。

國內(nèi)目前在隧道工程領(lǐng)域(公鐵路隧道、水利水電隧洞)施工中采用人工鉆爆比例仍在50%以上,相對歐美的發(fā)達(dá)國家隧道施工,機(jī)械化率較低;同時(shí)由于鉆爆法存在用人多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性低等不足和國家對部分區(qū)域炸藥的嚴(yán)格管控,所以隧道施工急需實(shí)現(xiàn)由人工鉆爆向綠色、環(huán)保的機(jī)械化施工轉(zhuǎn)變。另外在地鐵隧道施工中也仍有50%以上工程采用人工開挖,也亟待進(jìn)行機(jī)械化施工升級(jí)。因此,隧道產(chǎn)業(yè)將會(huì)帶來大量的工程裝備需求。

2.2 國外環(huán)境分析20世紀(jì)初,國外中型掘進(jìn)機(jī)日趨完善,其代表機(jī)型有英國多斯克公司的LH130型號(hào)、德國保拉特公司的E200型、奧地利阿爾卑尼公司的AM75型、日本三井三池公司的S220型等。其切割功率在132～220Kw 之間,機(jī)重50～70t,經(jīng)濟(jì)切割的巖石硬度80 MPa,近年德國在研究開挖切割硬度達(dá)100 MPa的掘進(jìn)機(jī)。

目前,國外懸臂掘進(jìn)機(jī)在國外礦山業(yè)應(yīng)用較多,應(yīng)用多達(dá)4000余臺(tái),掘進(jìn)機(jī)重量為20～160t,最大切割功率已達(dá)408k w,切割巖石的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)170 MPa。最早應(yīng)用于水利工程的為菲律賓大馬尼拉引水工程。

3 一種新型隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用

現(xiàn)有市場采用的是煤礦類懸臂掘進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品,其體積小、作業(yè)范圍小、適用能力小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工程隧道施工的要求。設(shè)計(jì)研發(fā)了一種集切割、行走、裝運(yùn)、噴霧滅塵等多功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)開挖機(jī)械——隧道犀牛。其具有以下特點(diǎn):

(1)超大定位截割范圍、整機(jī)高穩(wěn)定性和最強(qiáng)勁的截割動(dòng)力滿足大斷面隧道掘進(jìn)機(jī)需求。

(2)截割電機(jī)與截割減速機(jī)之間采用柔性連接技術(shù),具有偏心兼容性,解決了剛性連接偏心損壞減速機(jī)及電機(jī)的問題;

(3)液壓系統(tǒng)風(fēng)水雙重冷卻的設(shè)計(jì),可保證液壓系統(tǒng)油溫在70℃以下,滿足長時(shí)間連續(xù)截割作業(yè)。

(4)創(chuàng)新地配置了截割電機(jī)自循環(huán)冷卻系統(tǒng),可保證設(shè)備在未接外來水源的情況下,仍能正常工作。有效的減少了水的使用量,避免了泥巖工況下,水遇泥后出現(xiàn)的卡料故障。

(5)采用IP67防護(hù)等級(jí)EPEC工業(yè)控制器和隔離器件,保障設(shè)備在長期惡劣環(huán)境下可靠控制。

(6)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)保證設(shè)備運(yùn)行情況與故障數(shù)據(jù)直接顯示并含專家診斷系統(tǒng),防爆安全設(shè)計(jì)。

(7)選擇性配置減振封閉駕駛室,提高了操作舒適性和安全性

4 結(jié)束語

隧道犀牛這一懸臂掘進(jìn)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),該設(shè)備集切割、裝運(yùn)、行走、噴霧除塵和架梁等多功能于一體,具有多方面的優(yōu)勢,不僅采用大功率重載設(shè)計(jì),相比同類機(jī)型,截割效率高、作業(yè)覆蓋面積大、整機(jī)穩(wěn)定性好和接地比壓小,具有較強(qiáng)的地質(zhì)適應(yīng)性,可適應(yīng)任意斷面形狀的隧道掘進(jìn)施工。同時(shí)采用了新型的隧道掘進(jìn)機(jī)機(jī)載托梁機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)鋼拱架的輔助安裝,提高架梁效率和減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。此外發(fā)明的掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)及控制方法,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割頭自動(dòng)斷面定位,降低操作人員工作量,提高工作效率。