矩形盾构2P5R管片拼装机的研制

庄欠伟

1. 上海隧道工程有限公司，上海 200232

2. 上海盾构设计试验研究中心有限公司，上海，200137

0 引言

随着城市现代化的推进，城市交通中地下空间的开发与利用日趋重要。为了更合理地运用有限的地下空间，矩形或类矩形等异形断面的隧道被越来越多地应用到城市隧道工程中[1]，矩形断面隧道的尺寸越做越大，施工距离也越来越长[2-3]。然而，由于此类隧道均是在城市交通道路和建筑结构的地下，加上错综复杂的地下管线的影响，矩形隧道的施工对环境、设备和技术的要求也越来越高，现有的施工设备和技术已很难满足要求，新型异形断面隧道掘进机的研发已成为一种趋势，而拼装机系统作为隧道掘进机的重要组成部分，直接关系到隧道施工的质量和效率。

当前市场上投入到工程应用的矩形或类矩形隧道掘进机主要以顶管形式为主，不具备管片拼装机等设备，管节跟随掘进机体一同被向前顶进，施工条件受到很大限制。传统圆形盾构所用的管片拼装机受拼装机械手活动范围所限，无法直接应用在矩形等异形隧道掘进机上。因此本文对可用于矩形及其他异形断面的管片拼装机进行研究具有重要的意义。

1 研究背景

国外对矩形盾构进行过许多研究，其中日本在2003年就研究了采用2台传统拼装机的大断面矩形盾构[4]。目前最大的矩形盾构应用于日本东京相模纵贯川尻隧道工程，断面尺寸为11.96 m×8.24 m，为敞开式盾构。它所采用的管片拼装机构为矩形环状导轨式，该结构不足之处在于拼装装置结构复杂、庞大，且360°导轨对盾构前后区域造成空间隔离，给施工带来不便。

国内多家机构对盾构管片拼装机进行了研究，也提出了一些新的拼装机构类型。如武汉大学喻萌和程燕[5-6]采用虚拟样机技术研究了回转加摆臂式拼装机；上海交通大学黄业平等人研究了基于3-RPS并联构型的管片拼装机构[7-8]；钱晓刚研究了采用球面二自由度的空间五杆机构来实现拼装自由度，为隧道管片拼装技术提供了新的思路。上海隧道工程有限公司借助宁波类矩形盾构研究开发了1P5R串联式六自由度管片拼装机，不仅解决了类矩形各个环形管片拼装，还解决了长达5.2 m中立柱的管片拼装问题[9-10]。

本文以上海国资委矩形盾构项目为依托，管片外廓尺寸为11.50 m（宽）×6.94 m（高）。

1P5R型拼装机的各部件运动均通过油缸或液压马达来驱动，采用油缸驱动的平移或旋转运动速度可控性高，运动相对平稳，而依靠液压马达驱动的拼装机大回转运动采用模数较大的齿轮来传动，旋转精度相对较低，由其导致的管片运动定位误差较大。11.83 m×7.27 m 类矩形隧道管片长宽比（1.63）较大，适合采用2个1P5R拼装机拼装管片，而7.50 m×10.40 m的矩形断面长宽比（1.39）比较小，适合采用1个拼装机拼装管片。 本文设计了改进型的2P5R拼装机，如图1所示。2P5R作为单圆的管片拼装机，与双圆的1P5R管片拼装机相比，可作用于不同形式的矩形隧道。2P5R 管片拼装机在大臂中加入伸缩自由度，在大回转运动停止的状态下，依靠新加入的伸缩自由度依然可以实现管片在小范围内的高精度六自由度运动。

图1 2P5R七轴六自由度管片拼装机

2 机构原理

2P5R型拼装机的整体构造与1P5R型拼装机相似，包括平移系统、回转系统、机械臂系统、机械手系统等，如图2所示。其中，平移系统直接固定在盾构机机体上；回转系统则连接于平移系统，跟随平移系统实现沿盾构管片的轴线方向的平移运动。机械臂系统连接在回转系统上，并能够进行绕盾构管片轴线的回转运动和绕回转系统的摆动运动。机械手系统与机械臂系统相连且能够绕所述机械臂系统进行转动和摆动。管片夹取装置连接在机械手系统的末端上。

平移系统包括导轨、行走轮系统和平移油缸。其中，导轨体固定在盾构机机体上；平移油缸则驱动行走轮系在盾构管片的轴线方向行走平移。 回转系统包括固定盘和回转盘。其中，固定盘连接在行走轮系上；回转盘连接在固定盘上，且能在该固定盘上绕盾构管片的轴线作回转运动。 机械臂系统包括大臂、大臂油缸和小臂油缸。其中，大臂由伸缩端、固定端和伸缩油缸3个主要部分组成。固定端铰接在回转盘上；伸缩油缸的桶体固定在大臂固定端底部的伸缩油缸座上，伸缩油缸的杆体与大臂的伸缩端相连；伸缩端被伸缩油缸驱动并与机械手系统相连。大臂油缸的筒体与回转盘相连，其杆件则与大臂相铰接，驱动大臂绕着它与回转盘的铰接点作转动。小臂油缸的一端与大臂铰接，另一端与机械手系统相连。

机械手系统包括连接座、连接筒、转动板、仰俯油缸和转动油缸。其中，连接座分别与大臂的伸缩端和小臂油缸的杆件相铰接。小臂油缸驱动连接座绕大臂的末端作转动，连接筒为筒体结构。筒体的上部设有与连接座连接的转动轴。筒体的下部设有通过仰俯油缸与连接座相连的耳座，仰俯油缸驱动连接筒在连接座上作摆动。转动板的上部设有轴体，该轴体嵌套连接在连接筒的筒体内，转动板通过转动油缸与连接筒相连，转动油缸驱动转动板绕连接筒作转动。管片夹取装置包括内置油缸、吊装筒和吊装螺栓，其中内置油缸固定于转动板的轴体内部；吊装筒嵌套在内置油缸的下部与内置油缸的杆件相连，吊装筒在杆件的驱动下沿内置油缸移动，吊装筒内有卡槽，吊装筒的壁上有卡槽口；吊装螺栓的一端通过卡槽口置放于卡槽中，另一端通过螺纹与盾构管片连接。盾构管片通过可伸缩单机械臂管片拼装机的整体机构实现在矩形盾构的空间范围内全方位无死角高精度运动。

图2 2P5R型拼装机构造

3 拼装机联动控制模式

由2P5R型拼装机的结构可知，通过单独操作拼装机的1个油缸或回转马达难以完成管片的水平或竖直直线运动，这给大断面异形隧道管片拼装作业带来一定难度。鉴于此，2P5R型拼装机采用多轴运动控制器来同时控制多个运动件的伸缩或回转运动，通过多轴的联合运动来合成管片最终的直线运动或定点转动，以提高管片拼装作业的便利性。

如图3所示，管片在拼装平面内的运动位置和姿态主要由拼装机大回转、大臂的摆动、大臂的伸缩以及小臂的摆动来决定，通过多轴运动控制器来联合拼装大回转、大臂摆动及小臂摆动运动（三联动Ⅰ型），或联合大臂摆动、伸缩以及小臂摆动运动（三联动Ⅱ型），均可控制管片在拼装平面内的运动位置和姿态。前者由于受回转齿轮传动的精度限制，联动精度相对较低，主要用于管片在拼装空间内长距离的移动；后者受大臂伸缩行程的限制，联动精度高，可动作的幅度小，主要用于管片的钳取以及最终拼装就位的小范围精细运动。

图3 拼装机控制

4 室内试验

为试验新型 2P5R 拼装机的作业性能，课题组进行了室内模型管片及实体管片的拼装试验。拼装模拟管片如图4所示。对调试完成的拼装机液压及电气控制系统进行多轴联动功能测试，为拼装机的重载实体管片拼装作业做好了铺垫。

实体管片试拼装的现场如图5所示，试验结果表明，该拼装机相比 1P5R 型拼装机具有更高的运动稳定性，并顺利完成了大断面矩形管片的整环拼装。

5 结语

2P5R型管片拼装机相对1P5R型增加了大臂伸缩自由度，在不改变拼装机整体构型的前提下，满足了环臂式拼装机在小范围内钳取管片以及拼装就位时更高的运动精度要求。通过室内模拟以及实体管片拼装试验，验证了2P5R型管片拼装机运动稳定性高、动作精度高以及施工效率高等特点。这种新型拼装机解决了工程中类矩形断面隧道管片的拼装难题，亦可扩展应用至其他异形断面隧道管片的拼装。通过在计算机预置拼装路径，可根据需要实时计算各执行元件的动作过程，以实现所需运动轨迹，提高了施工效率，并为隧道施工的自动化和智能化提供了发展空间。

图4 模拟管片试验

图5 实体管片拼装试验

[1] 郭 昊.矩形顶管机下穿郑州市中州大道工程简介[J].中国市政工程,2013(5):53-55.

[2] 贾连辉.超大断面矩形盾构顶管设计关键技术[J].隧道建设,2014,34(11): 1098-1106.

[3] Nakamura H, Kubota T, Furukawa M, et al. Unified Construction of Running Track Tunnel and Crossover tunnel for Subway by Rectangular Shape double Track Cross-section Shield Machine[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2003,18(2): 253-262.

[4] Tadashi Hashimoto.市区软土地层地下工程施工新技术[J].隧道建设,2012,32(3):261-269.

[5] 喻 萌.TBM管片拼装机的虚拟样机研究[D].武汉:武汉大学,2005.

[6] 程 燕.隧道管片自动拼装机的虚拟样机及其仿真[D].武汉:武汉大学,2005.

[7] 黄业平.隧道掘进装备铰接与管片拼装机构设计研究[D].上海:上海交通大学,2010.

[8] 黄业平,郭为忠,高 峰. 3-RPS并联构型的管片拼装新机构[J].机械设计与研究,2010,26(3):12-14,18.

[9] 庄欠伟,杨 正.类矩形盾构六自由度串联型管片拼装机[J].现代隧道技术,2016(S1):46-50.

[10] 庄欠伟,杨 正.1P5R型管片拼装机构分析及设计[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(3):103-106.