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摘要：在钻爆法隧道作业过程中，三臂凿岩台车开挖的效率直接影响到整个施工的工期及成本。现有的辅助作业吊篮存在结构复杂、质量过大等问题，导致安装拆卸不便，造成施工周期增长及成本增加。设计一种三臂凿岩台车便拆式吊篮，通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建立理论模型，采用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ进行静力学分析，在满足结构强度的条件下开展轻量化设计。优化后的吊篮单体质量低于８９ｋｇ，且最大效应力和变形量均满足设计要求，具有结构简单、安全性高、质量小、便于制造等特点。新设的吊篮可安装在推进梁上，可多人同时进行装药，提高了装药效率。设计思路可以为同类型设计提供相应理论参考。
关键词：三臂凿岩台车；钻爆法施工；吊篮；轻量化；ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ
０引言
随着我国整体经济实力的不断增强，基建设施领域取得了快速发展，国家铁路“八纵八横”网络逐步建成，高速铁路及高速公路建设逐渐向西南西北等边远地区延伸。我国西南及西北等地区山脉较多，铁路及公路修建桥隧比较高，在个别施工路段桥隧比高达９０％以上，修建难度高。我国山岭隧道施工目前主要以新奥法施工工法为主，开挖作业为新奥法施工工法的主要作业工序，其决定了施工的安全、效率、质量等多方面因素，对隧道施工起着关键作用［１］。三臂凿岩台车是隧道钻爆法施工中最先进的开挖设备，能降低人工开挖劳动强度、改善作业环境、提高作业安全系数及缩短施工工期。充分发挥机械设备效率、进行机械化作业是今后隧道施工的发展方向［２］。
在三臂凿岩台车施工工序过程中，装药是必不可少的一环。装药的安全性及高效性直接影响到整个开挖工序的进行［３－４］。三臂凿岩台车自带的一个辅助作业平台，在工作过程中并不能较好地满足装药工序的快速进行；在正常的施工过程中，现场经常会自制辅助作业吊篮直接安装在打孔完成后的推进梁上以提高装药效率［５］。现场自制的作业吊篮，经常会由于结构复杂、质量大、安全性低等缺点存在相应的安全隐患。
本文设计一种三臂凿岩台车便拆式吊篮，经过一定的理论分析并使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建模，在导入ＡＮＳＹＳｗｏｒｋｂｅｎｃｈ相应的优化分析后求得最优解，能够保证其具有其结构简单、安全性高、质量小、便于制造等特点。有利于现场制造安装，满足现场快速使用要求，保证现场施工安全，以进一步提高三臂凿岩台车开挖效率，同时参照仿真结果制造的便拆式吊篮在工业性试验中得到了有效验证。
１模型的建立
结合市场上现有的吊篮结构及三臂凿岩台车推进梁型式，现通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ初步设计并建立吊篮结构模型如图１所示。吊篮两侧设置较大位置以便作业人员的进入及移动、安装；吊篮前后设置四处护栏以增强其结构强度及作业安全性；吊篮后部设置相应的Ｕ型结构以便平稳地安装在推进梁上；吊篮底部设置相应的防滑钢板及焊接角钢以便作业人员施工作业。该吊篮按照单人吊篮设计，初步设计吊篮的尺寸等规格型号如表１所示。
２静力学分析
考虑到吊篮设计的经济性、安全性等，设计的吊篮所选用的材料型号为Ｑ２３５Ａ，材料属性如表２所示。
为使ＡＮＳＹＳ分析结果更具现实参考价值及减少工艺缺陷等干涉，对吊篮模型进行合理的简化假设如下：（１）各零部件上的材料视为密度均匀分布的材料，对于各零部件上的焊接位置假定为理想的焊接状态，不存在裂纹、未焊透、夹渣、气孔等焊接制造缺陷；（２）焊接连接关系通过绑定接触、节点耦合及焊点单元等软件功能单元实现。
在对吊篮模型假设简化后，根据设计参数施加相应的载荷与约束如表３所示。
另当吊篮平台底板上施加额定载荷承载时，最大变形量应满足不大于平台长度的１／２００，根据有限元分析得知最大变形量２．３０３２ｍｍ＜７５０ｍｍ／２００＝３．７５ｍｍ，出现在底板前部。故初步设计的吊篮满足实际使用要求。
３设计优化分析
根据初始设计参数可知，正常工作状态下的吊篮，其最大变形量及等效应力均满足设计使用要求。但是，其总质量约为１５４．５９ｋｇ，在隧道内施工作业不利于搬运、安装及拆除，给施工作业造成一定的不便。现对其进行相应的设计优化分析，满足吊篮作业安全性前提下，尽量减轻其质量，利于搬运、安装及拆除［８］。
由于吊篮结构所用焊接圆管较多，现主要通过改变焊接圆管的壁厚来实现吊篮的轻量化设计要求。查阅对应国家标准并结合实际经验，在表４中选择焊接圆管的壁厚，确定需要的圆管规格参数。
根据相应国家标准ＧＢ／Ｔ２１８３５—２００８［９］，在选择第一系列中不同的焊接圆管的壁厚时，吊篮在工作状态下的变形量、等效应力及质量随焊接圆管壁厚变化的曲线分别如图５～７所示。
根据ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ响应面优化分析可知，在设定条件为质量较小，等效应力在以内及安全系数较高的情况下，取得的优化解分别为２．３３３、２．８３１、３．５４５ｍｍ。结合变形量、等效应力及质量与壁厚变化的曲线图（即图５～７）可知，选取焊接圆管壁厚为２．６ｍｍ作为最优化结果，此结构下施加表３中给定的载荷及约束后，吊篮的受力状况如图８～１０所示。
通过设计优化之后的吊篮，其质量为８８．４６７ｋｇ，最大等效应力为１３４．４８ＭＰａ，小于其许用应力［δ］＝δｓ／ｎ＝１５６．６７ＭＰａ，最大等效应力出现在底部等边角钢的连接焊缝处，实际吊篮制作过程中可通过焊接工艺消除这部分应力。
优化后的吊篮在模拟工作状态下，最大变形量为２．７３０９ｍｍ，出现在底板前部，且最大变形量２．７３０９ｍｍ＜７５０／２００＝３．７５ｍｍ。故满足设计使用要求。
优化前后的吊篮相应参数对比如表５所示
４现场工业性试验
为提高软弱围岩隧道开挖效率、提高三臂凿岩台车工法适应性、降低隧道钻爆开挖超挖量，满足全断面、两台阶、三台阶法隧道施工要求，中铁隧道局于２０２２年上半年成功研制了全工况三臂凿岩台车，该三臂凿岩台车在吊篮设计时参照上述吊篮仿真结果设计了便拆式吊篮。并于２０２２年８月持续在中铁隧道局承建西十高铁湖北段郧西隧道进口开展工业性试验，如图１１所示。该隧道为双线高铁隧洞，开挖断面顶部高１２ｍ，底部宽１４．７ｍ，围岩为Ⅴ级，施工方法为三台阶法。在工业性试验过程中，该便拆式轻型吊篮安全性满足现场要求，安装及拆除、人员装药作业方面效率显著提升。
通过统计，得益于便拆式吊篮结构简单、质量轻等优点，其安装和拆除时间明显缩短，采用将其安装在推进梁实现多人多方位同时装药的施工工法在大断面钻爆法隧道施工中优势尤为凸显，工序作业效率明显提升。
５结束语
吊篮设计虽然相对较简单，但是设计出满足现场使用要求且质量小、安全性高等条件的吊篮，需要一定量的理论计算、分析及试验。本文结合相应国家准，经Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ对吊篮进行理论建模后，导入ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中结合ＳｔａｔｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒａｌ静力学分析模块及ＲｅｓｐｏｎｓｅＳｕｒｆａｃｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ优化模块进行进一步分析，能够较快、较好地得出满足需要的结构设计参数，同时也为同类型设计提供相应理论参考［１０－１１］。
根据分析结果知，吊篮在正常额定承载下，整体变形量随焊接圆管的壁厚增加呈减小趋势；等效应力随焊接圆管的壁厚增加呈减小趋势；吊篮的质量随焊接圆管壁厚的增加呈增大趋势。根据设计优化分析结果，确定焊接圆管的规格为直径４０ｍｍ、壁厚２．６ｍｍ，所对应的质量较最初设计减少４２．７７％，现约为８８．４６７ｋｇ，最大等效应力及变形量均满足设计使用要求。并参考该结果制造了便拆式吊篮，在采用钻爆法施工的大直径隧道中进行了工业性试验，通过试验发现，该类吊篮安拆时间明显降低，同时多人多方位的施工方法大大提高了钻爆法隧道施工装药工序作业效率，具有一定经济效益。
参考文献：
［１］杨涛．三臂凿岩台车臂架液压系统设计及试验［Ｊ］．机电工程技术，２０２２，５１（３）：２６７－２７０．
［２］朱琴生．三臂凿岩台车施工技术在青岛胶州湾海底隧道中的应用研究［Ｊ］．隧道建设，２０１０（６）：６７０－６７４．
［３］张跃坤，张建超，郭文武．隧道钻爆法施工的大型机械装备［Ｊ］．工程机械，２０１８（８）：４－１０．
［４］郭文武．新常态下的中国铁路与工程机械［Ｊ］．建筑机械化，２０１５（８）：２８－３３．
［５］苗峰山．铁路隧道钻爆法施工序及其关键节点［Ｊ］．黑龙江交通科技，２０１６，３９（１）：１１８－１１９．
［６］ＧＢ／Ｔｌ９１５５—２０１７，高处作业吊篮［Ｓ］．
［７］杨宗良，王秀为．基于ＡＮＳＹＳ的舞台升降台结构的静力学分析［Ｊ］．机械工程师，２０１０（６）：６８－６９．
［８］郑夕健，高晓巍，谢正义．吊篮悬吊平台参数化设计及优化［Ｊ］．建筑机械化，２０１４（６）：４９－５１．
［９］ＧＢ／Ｔ２１８３５—２００８，焊接钢管尺寸及单位长度重量［Ｓ］．
［１０］许京荆．ＡＮＳＹＳ１３．０Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ数值模拟技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２０１２：１２５－１９９．
［１１］许京荆．ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ工程实例详解［Ｍ］．北京．人民邮电出版社，２０１５：２４８－２４９
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