莊欠偉

1. 上海隧道工程有限公司，上海 200232

2. 上海盾構(gòu)設(shè)計試驗研究中心有限公司，上海，200137

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化的推進，城市交通中地下空間的開發(fā)與利用日趨重要。為了更合理地運用有限的地下空間，矩形或類矩形等異形斷面的隧道被越來越多地應(yīng)用到城市隧道工程中[1]，矩形斷面隧道的尺寸越做越大，施工距離也越來越長[2-3]。然而，由于此類隧道均是在城市交通道路和建筑結(jié)構(gòu)的地下，加上錯綜復(fù)雜的地下管線的影響，矩形隧道的施工對環(huán)境、設(shè)備和技術(shù)的要求也越來越高，現(xiàn)有的施工設(shè)備和技術(shù)已很難滿足要求，新型異形斷面隧道掘進機的研發(fā)已成為一種趨勢，而拼裝機系統(tǒng)作為隧道掘進機的重要組成部分，直接關(guān)系到隧道施工的質(zhì)量和效率。

當(dāng)前市場上投入到工程應(yīng)用的矩形或類矩形隧道掘進機主要以頂管形式為主，不具備管片拼裝機等設(shè)備，管節(jié)跟隨掘進機體一同被向前頂進，施工條件受到很大限制。傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)所用的管片拼裝機受拼裝機械手活動范圍所限，無法直接應(yīng)用在矩形等異形隧道掘進機上。因此本文對可用于矩形及其他異形斷面的管片拼裝機進行研究具有重要的意義。

1 研究背景

國外對矩形盾構(gòu)進行過許多研究，其中日本在2003年就研究了采用2臺傳統(tǒng)拼裝機的大斷面矩形盾構(gòu)[4]。目前最大的矩形盾構(gòu)應(yīng)用于日本東京相?？v貫川尻隧道工程，斷面尺寸為11.96 m×8.24 m，為敞開式盾構(gòu)。它所采用的管片拼裝機構(gòu)為矩形環(huán)狀導(dǎo)軌式，該結(jié)構(gòu)不足之處在于拼裝裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，且360°導(dǎo)軌對盾構(gòu)前后區(qū)域造成空間隔離，給施工帶來不便。

國內(nèi)多家機構(gòu)對盾構(gòu)管片拼裝機進行了研究，也提出了一些新的拼裝機構(gòu)類型。如武漢大學(xué)喻萌和程燕[5-6]采用虛擬樣機技術(shù)研究了回轉(zhuǎn)加擺臂式拼裝機；上海交通大學(xué)黃業(yè)平等人研究了基于3-RPS并聯(lián)構(gòu)型的管片拼裝機構(gòu)[7-8]；錢曉剛研究了采用球面二自由度的空間五桿機構(gòu)來實現(xiàn)拼裝自由度，為隧道管片拼裝技術(shù)提供了新的思路。上海隧道工程有限公司借助寧波類矩形盾構(gòu)研究開發(fā)了1P5R串聯(lián)式六自由度管片拼裝機，不僅解決了類矩形各個環(huán)形管片拼裝，還解決了長達5.2 m中立柱的管片拼裝問題[9-10]。

本文以上海國資委矩形盾構(gòu)項目為依托，管片外廓尺寸為11.50 m（寬）×6.94 m（高）。

1P5R型拼裝機的各部件運動均通過油缸或液壓馬達來驅(qū)動，采用油缸驅(qū)動的平移或旋轉(zhuǎn)運動速度可控性高，運動相對平穩(wěn)，而依靠液壓馬達驅(qū)動的拼裝機大回轉(zhuǎn)運動采用模數(shù)較大的齒輪來傳動，旋轉(zhuǎn)精度相對較低，由其導(dǎo)致的管片運動定位誤差較大。11.83 m×7.27 m 類矩形隧道管片長寬比（1.63）較大，適合采用2個1P5R拼裝機拼裝管片，而7.50 m×10.40 m的矩形斷面長寬比（1.39）比較小，適合采用1個拼裝機拼裝管片。 本文設(shè)計了改進型的2P5R拼裝機，如圖1所示。2P5R作為單圓的管片拼裝機，與雙圓的1P5R管片拼裝機相比，可作用于不同形式的矩形隧道。2P5R 管片拼裝機在大臂中加入伸縮自由度，在大回轉(zhuǎn)運動停止的狀態(tài)下，依靠新加入的伸縮自由度依然可以實現(xiàn)管片在小范圍內(nèi)的高精度六自由度運動。

圖1 2P5R七軸六自由度管片拼裝機

2 機構(gòu)原理

2P5R型拼裝機的整體構(gòu)造與1P5R型拼裝機相似，包括平移系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、機械臂系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)等，如圖2所示。其中，平移系統(tǒng)直接固定在盾構(gòu)機機體上；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)則連接于平移系統(tǒng)，跟隨平移系統(tǒng)實現(xiàn)沿盾構(gòu)管片的軸線方向的平移運動。機械臂系統(tǒng)連接在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)上，并能夠進行繞盾構(gòu)管片軸線的回轉(zhuǎn)運動和繞回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的擺動運動。機械手系統(tǒng)與機械臂系統(tǒng)相連且能夠繞所述機械臂系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)動和擺動。管片夾取裝置連接在機械手系統(tǒng)的末端上。

平移系統(tǒng)包括導(dǎo)軌、行走輪系統(tǒng)和平移油缸。其中，導(dǎo)軌體固定在盾構(gòu)機機體上；平移油缸則驅(qū)動行走輪系在盾構(gòu)管片的軸線方向行走平移。 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括固定盤和回轉(zhuǎn)盤。其中，固定盤連接在行走輪系上；回轉(zhuǎn)盤連接在固定盤上，且能在該固定盤上繞盾構(gòu)管片的軸線作回轉(zhuǎn)運動。 機械臂系統(tǒng)包括大臂、大臂油缸和小臂油缸。其中，大臂由伸縮端、固定端和伸縮油缸3個主要部分組成。固定端鉸接在回轉(zhuǎn)盤上；伸縮油缸的桶體固定在大臂固定端底部的伸縮油缸座上，伸縮油缸的桿體與大臂的伸縮端相連；伸縮端被伸縮油缸驅(qū)動并與機械手系統(tǒng)相連。大臂油缸的筒體與回轉(zhuǎn)盤相連，其桿件則與大臂相鉸接，驅(qū)動大臂繞著它與回轉(zhuǎn)盤的鉸接點作轉(zhuǎn)動。小臂油缸的一端與大臂鉸接，另一端與機械手系統(tǒng)相連。

機械手系統(tǒng)包括連接座、連接筒、轉(zhuǎn)動板、仰俯油缸和轉(zhuǎn)動油缸。其中，連接座分別與大臂的伸縮端和小臂油缸的桿件相鉸接。小臂油缸驅(qū)動連接座繞大臂的末端作轉(zhuǎn)動，連接筒為筒體結(jié)構(gòu)。筒體的上部設(shè)有與連接座連接的轉(zhuǎn)動軸。筒體的下部設(shè)有通過仰俯油缸與連接座相連的耳座，仰俯油缸驅(qū)動連接筒在連接座上作擺動。轉(zhuǎn)動板的上部設(shè)有軸體，該軸體嵌套連接在連接筒的筒體內(nèi)，轉(zhuǎn)動板通過轉(zhuǎn)動油缸與連接筒相連，轉(zhuǎn)動油缸驅(qū)動轉(zhuǎn)動板繞連接筒作轉(zhuǎn)動。管片夾取裝置包括內(nèi)置油缸、吊裝筒和吊裝螺栓，其中內(nèi)置油缸固定于轉(zhuǎn)動板的軸體內(nèi)部；吊裝筒嵌套在內(nèi)置油缸的下部與內(nèi)置油缸的桿件相連，吊裝筒在桿件的驅(qū)動下沿內(nèi)置油缸移動，吊裝筒內(nèi)有卡槽，吊裝筒的壁上有卡槽口；吊裝螺栓的一端通過卡槽口置放于卡槽中，另一端通過螺紋與盾構(gòu)管片連接。盾構(gòu)管片通過可伸縮單機械臂管片拼裝機的整體機構(gòu)實現(xiàn)在矩形盾構(gòu)的空間范圍內(nèi)全方位無死角高精度運動。

圖2 2P5R型拼裝機構(gòu)造

3 拼裝機聯(lián)動控制模式

由2P5R型拼裝機的結(jié)構(gòu)可知，通過單獨操作拼裝機的1個油缸或回轉(zhuǎn)馬達難以完成管片的水平或豎直直線運動，這給大斷面異形隧道管片拼裝作業(yè)帶來一定難度。鑒于此，2P5R型拼裝機采用多軸運動控制器來同時控制多個運動件的伸縮或回轉(zhuǎn)運動，通過多軸的聯(lián)合運動來合成管片最終的直線運動或定點轉(zhuǎn)動，以提高管片拼裝作業(yè)的便利性。

如圖3所示，管片在拼裝平面內(nèi)的運動位置和姿態(tài)主要由拼裝機大回轉(zhuǎn)、大臂的擺動、大臂的伸縮以及小臂的擺動來決定，通過多軸運動控制器來聯(lián)合拼裝大回轉(zhuǎn)、大臂擺動及小臂擺動運動（三聯(lián)動Ⅰ型），或聯(lián)合大臂擺動、伸縮以及小臂擺動運動（三聯(lián)動Ⅱ型），均可控制管片在拼裝平面內(nèi)的運動位置和姿態(tài)。前者由于受回轉(zhuǎn)齒輪傳動的精度限制，聯(lián)動精度相對較低，主要用于管片在拼裝空間內(nèi)長距離的移動；后者受大臂伸縮行程的限制，聯(lián)動精度高，可動作的幅度小，主要用于管片的鉗取以及最終拼裝就位的小范圍精細運動。

圖3 拼裝機控制

4 室內(nèi)試驗

為試驗新型 2P5R 拼裝機的作業(yè)性能，課題組進行了室內(nèi)模型管片及實體管片的拼裝試驗。拼裝模擬管片如圖4所示。對調(diào)試完成的拼裝機液壓及電氣控制系統(tǒng)進行多軸聯(lián)動功能測試，為拼裝機的重載實體管片拼裝作業(yè)做好了鋪墊。

實體管片試拼裝的現(xiàn)場如圖5所示，試驗結(jié)果表明，該拼裝機相比 1P5R 型拼裝機具有更高的運動穩(wěn)定性，并順利完成了大斷面矩形管片的整環(huán)拼裝。

5 結(jié)語

2P5R型管片拼裝機相對1P5R型增加了大臂伸縮自由度，在不改變拼裝機整體構(gòu)型的前提下，滿足了環(huán)臂式拼裝機在小范圍內(nèi)鉗取管片以及拼裝就位時更高的運動精度要求。通過室內(nèi)模擬以及實體管片拼裝試驗，驗證了2P5R型管片拼裝機運動穩(wěn)定性高、動作精度高以及施工效率高等特點。這種新型拼裝機解決了工程中類矩形斷面隧道管片的拼裝難題，亦可擴展應(yīng)用至其他異形斷面隧道管片的拼裝。通過在計算機預(yù)置拼裝路徑，可根據(jù)需要實時計算各執(zhí)行元件的動作過程，以實現(xiàn)所需運動軌跡，提高了施工效率，并為隧道施工的自動化和智能化提供了發(fā)展空間。

圖4 模擬管片試驗

圖5 實體管片拼裝試驗

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