Engineering工程
hinaCPlant
浅谈隧道防水板铺设台车技术创新应用
曹战锋
（中铁一局集团第四工程有限公司，陕西 咸阳 712000）
摘要：目前国内隧道防水板和土工布铺设施工中，仅依靠简易的铺设台架或台车，由于人为干扰因素较多，铺设质量难以保证，铺设效率不高，施工安全隐患和劳作强度均很大。本研究经过对目前的防水板铺设台车进行了技术革新，反复计算、论证，创新和应用了齿轮齿条传动机构、气囊顶推抚平机构、工作平台旋转机构、无线遥控系统、安全制动和防护机构、电缆卷线机构、卷材提升机构等先进技术，提高了防水板铺设的自动化、机械化水平，具有实用性和推广性。
关键词：铁路隧道；防水板铺设台车；试验研究；创新；新型
中图分类号：U25 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）12（下）-0137-04
防水板铺设施工中，由于施工工艺缺陷和施工人为因素的影响，好多完工不久的隧道就得面临渗水的严峻问题，其严重威胁着隧道整体质量和车辆运行安全。面对隧道渗水问题，后期处理难度极大、费用很高且安全风险大。因此采取有效预防和控制措施，减少人为因素的影响，提高隧道防水板的铺设质量，提升隧道防渗水性能，成为当务之急。
1 国内现状及背景
从国内现状来看，目前防水板施工主要采用简易台架，其不能与施工现场情况很好地衔接，铺设质量达不到预期效果。
隧道工装设备机械化程度的不断完善，高标准、严要求成为隧道施工常态化，经过对隧道施工的考察和调研分析，进行反复论证，对防水板铺设台车进行了技术创新，研发出了新型防水板铺设台车，其更具有实用性和推广性。
新型湿喷机作业流程：物料+水→螺旋搅拌→液压缸体推送→风动力→喷射；
与传统喷浆机相比，具有作业粉尘小、喷射回弹少、保护工作环境、节省原材料、提高喷层质量等显著优势。经实际测试，主要技术指标如下：
粉尘低：经测定粉尘浓度平均值，干喷为103.1mg/m³，湿喷为1.92mg/m³，平均降低率98.1%。在喷咀旁的粉尘量仅是干（潮）喷粉尘量的1/6，故改善作业环境粉尘效果显著，减少尘矽肺病发生率，保护施工人员健康。
回弹少：干喷回弹一般在35%～50%，湿喷一般低于10%～15%。同时因回弹量的减少缩短作业时间，节省原材料显著。
强度高：相同条件下巷道支护喷层强度的测试结果：干（潮）喷14.6MPa，湿喷30MPa；混凝土喷层强度提高51.3%。有利于煤矿安全。5 结语
本次双螺旋全液压湿式混凝土喷射机样板工程，完成喷浆支护巷道总长623m，平均回弹率10%～15%，现场无灰尘，达到新型湿喷机的设计指标。符合国家降低粉尘，防尘肺病发生、保护施工人员健康的总体要求。是煤矿喷浆设备在结构上的突破。主要创新点：
2 新型防水板铺挂台车的特点和优势
新型防水板铺挂台车结合现场施工实际，进行了技术创新，具有了以下特点和优势：2.1 弧形拱圈
采用与隧道匹配的“弧形拱圈”，且在弧形拱圈外表面焊接“齿条”，利用齿轮齿条机构带动工作平台做环向运动，实现机随人走，连续性和连贯性作业。2.2 吊挂工作平台
“吊挂式工作平台”随爬升小车做环向运动，实现了防水板连续热熔焊接作业，减轻了劳动强度，提高了工效。2.3 气囊顶推机构
充分利用空气的可压缩性和气囊的柔韧性，克服喷射混凝土面不平整的缺陷，使防水板与喷射混凝土面紧密贴合。2.4 机电连锁
构成多道安全防护措施，确保人员和设备安全。（1）研发出无轴双螺旋专利技术结构，使混凝土+水充分搅拌，真正实现湿喷混凝土作业，保障作业人员健康，社会效益显著。
（2）本机将湿喷作业的混凝土物料输送、搅拌、全液压推送实现一体化的设计，整机结构紧凑，适合煤矿井下狭窄工况条件。
（3）新型湿喷机采用液压动力输出为主要结构，操作复杂，特别是混凝土搅拌要求较高，是保证不堵管、施工顺利的保证条件，司机要经专业培训才可上岗。
（4）新型湿喷机具有喷射、注浆双重功能，并可广泛应用于有色矿山、公路护坡、地铁隧道等需喷（射）注（浆）混凝土施工作业领域，市场前景广阔。
参考文献：
[1]张荣立，何国伟，李铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2017.
[2]臧培刚.一种适用于井工煤矿的新型湿喷工艺及设备研究[J].北京：建井技术，2014（6).
[3]李云江,樊炳辉,张志献.国内外湿喷机的发展现状[J];中国设备工程，2003年(01).
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Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术
2.5 电缆线卷线系统
电缆线卷筒随爬行机构运行而转动，实现电缆线有序收放，避免电缆线散而乱，从而引发安全事故。2.6 无线遥控系统
采用“无线遥控装置”，灵活性和自动化程度更高。2.7 提升、吊装机构
快速、准确地实现防水板、土工布卷材的安装工作，减轻工作强度，提高工效。3 技术创新
3.1 爬升系统的设计与齿轮齿条传动的应用
爬升驱动装置主要承受爬行机构自重、工作台自重、防水板重量、工作机具、作业人员重量以及气囊在转动时与防水板之间的摩擦力等载荷。其载荷大小如表1所示。
表1 爬行机构主要载荷
载荷类型载荷大小（kN）
备注
爬行机构自重10电机、减速机及机架
工作台自重10结构件
防水板自重1.5长度24m，宽度4m气囊自重0.5直径0.5m，长度5m
作业人员1.62名
作业机具5焊接机及其他配件
气囊与防水板摩擦
5载荷合计
33..6
载荷合计为33.6kN，考虑到液压油、油管等其他载荷，现取最大载荷Fmax=40kN。3.1.1 电机的计算选型
最大载荷Fmax即为爬升机构所需克服的载荷，也为齿轮传动中齿轮分度圆切向力，
根据公式： （1）
得知，
=2400N·m
式中，Fmax为爬升机构最大载荷；T1为爬升驱动轮驱动
扭矩；d1为爬升驱动轮直径。
根据： （2）
得知，
；
式中，P为爬升驱动总功率；T1为爬升驱动轮驱动扭矩；
n为爬升驱动轮转速，取5r/min。
根据以上步骤，初步选择的驱动电机功率为1.26kW，考虑到功率损耗和驱动安全系数，驱动装置由2组机构组成，故单台电机的功率为：
P1=K1×[P÷（η1×η2×η3）÷2] （3）P1=2.5×[1.26÷（0.9×0.85×0.85）÷2]=2.425kW式中，P1为电机初步选择功率；K1为电机驱动安全系数，取2.5；η1为电机功率损耗系数，取0.9；η2为齿轮齿条传动功率损耗系数，取0.85；η3为减速机功率损耗系数，取0.85。
查阅《机械设计手册》，选择4级电机，功率选择3kW，转速为1450r/min。
最终选择电磁制动电机的规格型号为：YEJ90S-4，输出转矩为T转=2.3kN·m。
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由于爬升机构最大载荷Fmax=40kN，爬升机构由两组机构组成，即单组电机需要承载的扭矩为：
（4）
式中，T2为为电机克服扭矩；Fmax为爬升机构最大载荷；d1为爬升齿轮直径。
T2=1.66kNm 3.1.3 齿轮传动系统的选型 （1）确定齿轮材料、热处理方式、传动进度等基本参数：根据传动载荷大小、使用环境、后期维护保养以及大小齿轮的关系，小齿轮选40Cr钢，调质处理，齿面硬度取260HBW，大齿轮选45#钢，调质处理表面，硬度取230HBW。传递的功率为3kW，驱动轮转速n=5r/min， （2）确定许用应力、齿面接触疲劳强度设计：查询齿根弯曲疲劳强度表，以及安全系数，得：σbblim1=230MPa σbblim2=195MPa SF =1.3式中，σbblim为齿根弯曲疲劳极限；SF为齿根疲劳安全系数。 因齿面硬度小于350HBW，属于软齿面，所以按照齿面接触疲劳强度进行设计。 确定基本参数：Z1=15，Z2=1508，m=8，载荷为轻度载荷，齿宽系数取φd=0.25。 确定齿轮宽度：b2=Z1×m×φd=15×8×0.25=30mm；为了补偿两轮轴向尺寸的安装误差，使大齿轮宽度大于小齿轮，考虑安装结构尺寸的影响，小齿轮的宽度应大于大齿轮，故： 取小齿轮齿宽b1=70mm，大齿轮齿宽b2=30mm，小齿轮分度圆直径：d1=15×8=120mm， （3）验算齿根弯曲疲劳强度： 爬升机构有两组驱动装置，单个小齿轮转矩为： （5）式中，T3为小齿轮转矩；P为爬升驱动总功率；n为小齿轮的转速，取5r/min。 查齿形系数表得知，齿形系数YF=3.25，传动比较平稳，查得载荷系数表得知，载荷系数K=1。 （6） 安全 式中，K为载荷系数；T3为小齿轮的转矩；YF为齿形系数，查表得3.25；b1为小齿轮的宽度；m为齿轮模数；Z1为小齿 轮齿数。 由于大齿轮的齿数较多，接近齿条，现只对小齿轮进行齿根弯曲疲劳强度进行验算。 （4）验算圆周速度 （7） 小齿轮的圆周速度为1.88m/min，符合设计要求。3.2 橡胶气囊在防水板台车中的应用 橡胶气囊主要是将防水板顶紧，使防水板紧贴初支表面，针对初支表面的凹凸不平情况，充分利用气囊的特殊构造，保证横向4m方向防水板达到80%以上能紧贴初支表面，减少人工扶持的工作强度。 气囊端部预留气管和压力表安装位置，实时观察气囊压力值，及时进行补充气压。 图1 橡胶气囊 气囊基本参数： 气囊压力：0.01MPa～0.02MPa适应初支面不平整度：D/L≤1/103.3 工作平台机构 爬升机构内侧设有工作台吊挂轴，爬行机构通过电机、减速机构带动小齿轮，与焊接在拱圈顶部的齿条啮合传动，实现爬升，实现工作台随爬升机构同步环向双向运行。 图2 爬升工作平台 3.4 无线遥控系统 台车整体行走、对中、调平采用无线遥控操作，满足操作人员实地操作，近距离观察，同时对操作人员也是一种保护。3.5 安全措施系统 为了保证人员和设备安全，加设了三道安全保护装置。第一道：电磁制动电机安全装置。第二道：电磁吸盘制动系统。第三道：在拱圈两端设置机械挡板制动装置。3.6 电缆卷线器 工作原理：位于卷线器内部的回卷弹簧带动线槽顺、逆时针旋转，线槽将电缆线进行拉伸或收缩。实现对电缆线进行集约化的管理，解决以往电缆线杂乱散落的问题，大大节约了工作空间，美化了工作环境，提升了使用安全性。 电缆卷线器主要参数：型号：400-700-90-150卷筒规格：筒身直径φ1=400mm ChinaPlant 中国设备 Engineering工程 最大外径φ2=700mm线槽净宽度B=90mm最小收放力：Fmin=150N 电缆线选用5×10mm2，铜芯电缆，查表得其参考质量为：120kg/km，约合重力：1.2N/m。 按照设计，爬行机构在运转时所需电缆线的总长度为22m，22m电缆线总重力G总=1.2×22×5=132N 卷筒的最小收放力Fmin=150N>G总 因此，电缆线卷筒的收放力满足设计要求。3.7 卷材提升系统的设计 防水板卷材安装机构由横梁、滑梁、挂轮、电动葫芦等组成。横梁与防水板门架相连接，通过挂轮将滑梁悬挂于横梁上，滑梁端部安装有电动葫芦。使用过程中，电动葫芦将防水板卷材提升至需要位置，通过人工外力，使滑梁水平移动，实现防水板卷材安装至小车支架相应位置，此结构安全、便捷，省时省力。 图3 吊装系统 4 新型防水板自动铺挂台车的效率优势及实际应用4.1 工效对比 新型防水板自动铺设台车与传统台车进行工效对比，有诸多优点，如表2所示： 前提条件：铺设一板土工布和防水板：一板长度12m，防水板、土工布每卷长度24m； 表2 功效对比表 类别 传统新型人数 42无纺布铺设（工时/小时）43防水板铺设（工时/小时）63 铺设质量外观 较差松弛度差外观整洁 松弛有度劳动强度 高 一般 4.2 市场反映 该新型防水板铺设台车在多个项目已经投入使用，根据施工现场的反馈及回访中得知，其铺设工效更高，质量效果更好。整体铺设效果如图4所示。 图4 使用效果 中国设备工程 2019.12 （下）139 Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术 焦炉基础顶板 施工工艺技术及测量精度控制实践探索 刘秀 （攀钢集团矿业有限公司，四川 攀枝花 617063） 摘要：焦炉基础施工的最大难点为焦炉基础顶板施工，因其埋件和埋管数量大、种类多、密度大、精度高，故对其施工工艺技术及工程测量精度控制要求很高。本文对某钢一期焦炉易地大修工程1＃、2＃焦炉基础顶板施工工艺技术及测量精度控制的施工实践进行了总结，供同行参考和探讨。 关键词：焦炉基础；顶板；工艺技术；精度控制 中图分类：TU753 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）12（下）-0140-02 没有焦炉建设经验的某钢冶建公司承揽了某钢一期焦炉易地大修工程1＃、2＃焦炉基础工程建设，笔者当时作为施工方现场技术人员，有幸参与了该项目的建设，并与参与建设的同仁共同努力，摸索出了一套经济有效的施工方法。本文仅对焦炉基础施工的最大难点焦炉基础顶板施工的施工工艺及工程测量精度控制的施工实践应用进行总结。1 工程概况 某钢一期焦炉易地大修工程1、2焦炉基础，基础顶板为长75.2米×宽16.19米×厚0.33米的现浇钢筋混凝土结构，板面和板侧有预埋铁件共915块，直埋煤气下喷支管、测温管和清扫管共3728套。设计要求每座焦炉基础顶板的砼连续浇注不留施工缝，板面在抹灰后标高允许在+5mm和-15mm之间，在水平面1米距离内高差不超过5mm。煤气下喷管、测温管垂直度控制在1mm以内，其他管件的垂直度控制在2mm以内，预埋铁件的顶面标高控制在-5mm以内。2 焦炉基础顶板施工工艺技术方案确定 焦炉基础顶板施工工艺技术主要包括脚手架，模板、埋管、钢筋、砼的施工技术，其中埋管精度控制是关键。 （1）脚手架采用Φ48×3.5mm钢管搭设纵横间距900mm的满堂脚手架，立管采用统一长度的钢管并将最上层的横杆调至统一高度，然后在最上层横杆面纵向（平行框架梁）绑设间距200～300mm的木枋。 （2）焦炉基础顶板的底模采用9层胶合板，直接铺设在木枋上并用铁钉将模板与木枋钉牢。5 结语 隧道防水板铺设台车创新技术应用以来，具有铺设质量好，工效高，安全系数高，自动化、机械化程度高，经济效益好等优点，是一种新型的防水板铺设隧道工装设备，实现了机械化换人和自动化减人的目的，有很好的应用空间，在实际施工中具有重要意义。 ＃ ＃ （3）管件采用直埋施工法，即：先在模板上开孔并通过螺杆将管座固定在模板上，同时用1～3mm厚的钢板垫块调整管件的垂直度和顶面标高，然后在管件上部用角钢加固并拧紧管座连接螺杆。 （4）砼浇筑由人工配合一台布料车进行。3 焦炉基础顶板施工工艺技术的应用 焦炉基础顶板施工： （1）脚手架。脚手架是保证模板的位置和平整度准确的关键，要求搭设的脚手架应稳固和具有足够的承载力，因此，采用Φ48×3.5mm钢管搭设纵模间距900mm的满堂脚手架，并与已浇筑成型的框架柱形成拉结（立管选用已进行垂直度校正和统一长度的钢管），初步成形后将最上层横杆拉线调整并使之统一高度，最后用8＃铁丝在最上层横杆面绑设50×100mm的木枋，并用木楔微调而使木枋上表面位于同一水平。选用已精加工且表面平整和顺直、规格统一的木枋，按纵向间距200～300mm（错开管件位置以利于模板上开设螺孔）设置木枋，木枋之间的联结固定采用铁钉钉牢。 （2）模板。焦炉基础顶板的底模，因煤气管采用直埋需在模板上开设联结螺杆孔而使模板报废，故从经济方面考虑选用9层胶合板，其规格为长1920mm×宽920mm×厚10mm。外挑小牛腿等特殊部位则采用定型模板。 胶合板在现场按实际切割，直接铺设在木枋上，用铁钉将模板与木枋钉牢，并在板缝间用胶带粘牢（防止漏浆）。为避免胶合板吸收砼或空气中的水分而变形，在其组装前均手册[M].北京：中国铁道出版社，2013. [2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2016.[3]张久成.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2007.[4]中铁隧道集团有限公司.铁路隧道施工作业要点手册[M]北京：中国铁道出版社，2007. [5]中铁隧道集团有限公司.铁路隧道防排水施工技术指南：TZ331——2009 [S].北京：中国铁道出版社，2009. [6]王永红.可编程控制器原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2018. 参考文献： [1]张志文，王金诺，程文明，邹胜，刘权，王少华.起重机设计 140 中国设备工程 2019.12 (下) 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容