大长隧道用防水板铺设装置液压系统的设计

张慧杰， 李明涛， 安健涛

（1.青岛城市学院， 山东 青岛 266106；2.青岛海信网络科技股份有限公司， 山东 青岛 266000）

引言

随着我国铁路系统的飞速发展，隧道工程已经成为人们日常常见的施工项目，隧道施工的作业周期、施工质量已经影响到人们的日常生活，如何保证高效高质量地完成施工，成了施工人员关注的重点内容，相关施工单位也在这些方面投入了大量资源，不断提高施工质量和效率。其中，对大长隧道的建设一直是隧道工程施工的重点和难点，而防水工程又直接影响隧道的使用时效和安全性[1-2]，快速有效的防水施工是保证隧道施工工程高效顺利完成的重要环节。

对可以实现防水板自动铺设、低劳动强度、保证施工安全的防水板铺设装置进行了研究，防水板铺设机在继承了常规台车的基础上，对台架、铺设小车、支撑油缸和附属结构进行了设计。实现了防水板铺设机的轨道行走，无纺布和防水卷材的拱墙铺设，多人同时焊接，支撑油缸可微调铺设角度以适应复杂的轮廓断面等功能，铺设完成的防水板成型面平整、无孔洞。防水板定位准确、支撑稳固、松弛有度，保证了防水板与初期支护表面紧密贴合，在受到向下作用力时不会发生脱落、松弛及破损等问题[3]，本文主要对在防水板铺设施工中起定位和支撑作用的液压系统进行了设计。

1 液压系统设计

防水板铺设机铺设用防水板材料为白色EVA防水板，宽度为3 m、长度为30 m，防水板在卷扬机带动下铺设后，操作人员操纵换向阀，油缸伸出将防水板定位在隧道轮廓面上，在液压力作用下对防水板进行支撑。

1.1 液压系统的工作原理

防水板铺设机液压系统油缸操作采用的是单阀控制单缸的方式，每根油缸由上方的手动三位四通换向阀控制该油缸伸出和缩回。防水板铺设机共使用28 根油缸，分别布置在两列轨道上，如图1 所示，每根轨道上分布14 根油缸，油缸选用工程液压缸，中部用卡箍固定，双作用单活塞杆油缸，每根油缸可同时操作也可单独操作。油缸支撑防水板一端端头安装橡胶软端面，操作手动换向阀使油缸伸出将防水板撑起，防水板焊接工序完成后根据需要操作换向阀将油缸缩回。

图1 支撑油缸布置图

油缸选用工程用油缸，手动换向阀操作控制油缸动作，由于每根油缸都要求单独控制，为节省人力，选用了手动三位四通换向阀。该阀直接安装在油缸上方300 mm 处，可由焊接人员直接操作控制，不设置专门阀组操作人员。在回路中选择单油泵供油，油泵流量满足工作要求时部件以合适的速度进行运动。

1.2 液压系统主要参数选择计算

考虑到防水板铺设机在隧道内施工，液压系统的工作环境较为恶劣，因此，液压系统采用对油液污染不敏感的齿轮泵。而要使国产齿轮泵可靠地长期工作，最可靠的方法是降低其使用压力等级。因此，将选用额定压力为20 MPa 的国产齿轮泵在5 MPa的压力等级下工作。故液压回路的压力等级选定为5 MPa。

压力等级确定后，根据台车所受负载计算出油缸的直径。经计算，油缸缸径为63 mm，活塞杆径为50 mm，伸缩行程为905 mm，零行程为1105 mm。根据使用经验，各油缸的动作速度以0.7～1.2 m/min最为合适，在这种速度下，操作者对油缸运动的正确与否或运动遇到障碍物时，均有足够的反应时间来进行处理，也能明显判断部件是否在运动。由于操作时最多同时伸出两根油缸，故选择使2 根升降油缸同时以最低速度升降时所需流量为回路最大流量Q，Q=×3.14×2×70 cm/m=4.36 L/min。

1.2.1 油泵型号的选择

由于在洞内施工，露天环境下允许的噪声在洞内变得很大，甚至会严重影响操作人员情绪，降低工作效率，故应降低工作噪声。根据经验，选择榆次液压有限公司生产的CB-FC 系列齿轮泵作为液压系统工作泵。其额定压力为16 MPa，最高压力为20 MPa，容积效率为0.89～0.90。为了降低工作噪声，选择6 级电机作为动力机，同步转速为960 r/min。泵的流量应能供给上述的最大流量要求，即Q＞4.36 L/min。其中，

式中：q 为排量，mL；n 为电机转速，r/min；η1为容积效率；η2为考虑回路中阀件内泄而附加的系数，取0.9。

将相关数据代入式（1）得：q=5.55 mL。

选取CB-FC10 型齿轮泵，其排量10 mL，额定压力16 MPa，最高压力20 MPa，最高允许转速2500 r/min，泵的输入功率计算如下：

式中：ΔP 为进出口压力差，MPa；Q 为泵的理论流量。

将相关数据代入式（2）得：N=0.6 kW。

选取Y90L-6 型电机为主泵电机，其额定功率18.5 kW，额定转速970 r/min。

1.2.2 油缸的选择

防水板铺设机铺设整卷防水板总重F1为130kg、使用压力P=1MPa，油缸活塞受力面积=13 cm2。考虑到13 cm2的油缸为非常规油缸，制造费用不菲，结合经济性及考虑到油缸侧向受力选取Φ63 mm/Φ50 mm 油缸，无杆腔受力面积为31.17 cm2，有杆腔受力面积为11.54 cm2，无杆腔体积为2.82 L，有杆腔体积为1.04 L。油缸伸出阻力180 kg，收缩阻力50 kg。油缸空载最高起始压力低于0.5 MPa。整机空载约5000 kg，考虑到支腿油缸的稳定性，且支腿油缸伸缩一定要平稳有一定的抗侧向力，故先选择大尺寸油缸。结合结构的空间选择合适的油缸，再反推工作压力以检验是否和系统压力相匹配，经计算选定工程油缸为HSG160×110-300，设计工作压力为16 MPa，计算理论4 根油缸支撑整机时的压力约为3 MPa。单根最大伸出速度约为85 m/s，单缸缩回速度约为160 m/s，速度由节流阀调节无极可调，根据整机的实际刚度来再次确定支腿油缸的升降速度。

同时该设备采用PLC 控制，较继电器控制更稳定、可靠，故障查找方便、快捷；设置本地或无线遥控操作模式，更适应隧道作业复杂的工况；利用电气系统分别对油缸和支腿油缸进行控制，支撑油缸可单独或联动动作，提高作业工效。

2 应用效果

在南方某隧道施工段进行了工业性试验，该隧道地形地质条件复杂，其中全隧Ⅲ级围岩2330 m，占36.9%；Ⅳ级围岩2865m，占45.4%；Ⅴ级围岩1120 m，占17.7%。从防水板铺设效果来看，采用防水板铺设机铺设的防水板松紧度适中，表面平顺，能够满足防水板铺设要求。采用防水板铺设机铺设防水板，需要作业人员3 人（1 人PLC 控制，2 人热熔焊接）。经统计，单幅防水板铺设平均时间为2.5 h，与人工铺设防水板相比较，采用防水板铺设机进行防水板铺设在单幅铺设时间、作业人员数量、劳动强度、支撑方式、安全性上都具有较大的优势。

图2 防水板铺设效果

3 结论

经试验表明，隧道防水板铺设机有效提高了防水板铺设质量和施工的安全性，同时减少了施工人员数量、降低了劳动强度，在施工质量、效率等方面有明显优势。隧道防水板铺设机采用轨行式铺设及支撑装置采用液压驱动，无线遥控操作适应隧道作业复杂工况，性能可靠。该设备可铺设土工布和防水板，是一种新型隧道专用施工机械，有极大的应用价值。