矩形隧道掘進(jìn)模擬機(jī)的研究與開發(fā)

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 概述

矩形隧道與傳統(tǒng)圓形隧道相比，能充分利用結(jié)構(gòu)斷面，減少地下掘進(jìn)面積，不僅節(jié)約資源，降低造價(jià)，而且有利于對既有建筑、管線的保護(hù)，減少施工對環(huán)境影響，是一項(xiàng)“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的新技術(shù)、新工藝[1]，目前已在上海城市建筑密集、交通流量較大的地區(qū)地下人行通道等施工中得到越來越多的應(yīng)用。

隨著矩形隧道應(yīng)用的發(fā)展，施工企業(yè)技術(shù)培訓(xùn)、?？圃盒Ｊ┕そ虒W(xué)都提出了培養(yǎng)矩形隧道施工技術(shù)人員、矩形隧道掘進(jìn)機(jī)操作人員的要求。這是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，單純依靠教材上的文字、圖紙、照片難以形象直觀地進(jìn)行教學(xué)表達(dá)，也不能培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)際動(dòng)手能力。考慮到矩形隧道掘進(jìn)機(jī)造價(jià)昂貴，以及施工安全等問題，又不宜以真實(shí)的掘進(jìn)機(jī)在真實(shí)的施工環(huán)境中對學(xué)員進(jìn)行教學(xué)、培訓(xùn)和訓(xùn)練。因此亟需發(fā)明一種以計(jì)算機(jī)仿真、三維動(dòng)畫等高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)的、能夠比較形象地演示施工情況、供學(xué)員操作的矩形隧道掘進(jìn)模擬機(jī)（以下簡稱模擬機(jī)），以達(dá)到或接近真實(shí)的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)（以下簡稱真實(shí)機(jī)）的施工效果，提高教學(xué)、培訓(xùn)的水平和質(zhì)量。

本文闡述模擬機(jī)的原理、構(gòu)成和功能，介紹其研究開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。

2 模擬機(jī)的原理和構(gòu)成

真實(shí)機(jī)由控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成，控制系統(tǒng)操控機(jī)械系統(tǒng)，對施工對象（地下土體等）進(jìn)行掘進(jìn)施工，機(jī)械系統(tǒng)通過傳感檢測電路，將自身的狀態(tài)和施工對象的狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)。

模擬機(jī)由控制系統(tǒng)、虛擬處理系統(tǒng)和仿真顯示系統(tǒng)構(gòu)成，虛擬處理系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，通過虛擬運(yùn)算，進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)物理仿真，一方面驅(qū)動(dòng)仿真顯示系統(tǒng)，以三維動(dòng)畫演繹掘進(jìn)機(jī)施工，另一方面模仿掘進(jìn)機(jī)和施工對象，向控制系統(tǒng)反饋施工狀態(tài)[2]。因此虛擬處理系統(tǒng)和仿真顯示系統(tǒng)共同擔(dān)當(dāng)真實(shí)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和施工對象的作用。

模擬機(jī)的控制系統(tǒng)與真實(shí)機(jī)的控制系統(tǒng)，在基本原理、設(shè)備外形、操作界面上完全一致，使操作者使用時(shí)無異于真實(shí)機(jī)。在內(nèi)部電路、輸入輸出接口上與真實(shí)機(jī)有所區(qū)別，因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)的是計(jì)算機(jī)仿真模型，而非真實(shí)的機(jī)械系統(tǒng)；其接收的反饋信息是計(jì)算機(jī)模擬的，而非來自真實(shí)的掘進(jìn)機(jī)和施工對象。

模擬機(jī)的虛擬處理系統(tǒng)和仿真顯示系統(tǒng)都有人機(jī)界面。虛擬處理系統(tǒng)的人機(jī)界面供教師使用，可以設(shè)置、修改模擬機(jī)的各種性能、參數(shù)、模式，可以對操作者進(jìn)行考核、評分[3]。仿真顯示系統(tǒng)的人機(jī)界面用于鏡頭、視圖等交互操作，使用者可以全方位、多視角地觀看，可以實(shí)現(xiàn)透視、隱蔽等各種特殊視覺效果，還可以回放歷史數(shù)據(jù)。虛擬處理系統(tǒng)和仿真顯示系統(tǒng)分別安裝在PC計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，與控制系統(tǒng)主機(jī)（PLC）以數(shù)據(jù)通訊線連接。

3 模擬機(jī)的控制系統(tǒng)

模擬機(jī)控制系統(tǒng)的操作界面與真實(shí)機(jī)的完全相同，包括控制臺(tái)操作板、控制臺(tái)內(nèi)開關(guān)和觸摸屏界面，操作方法和真實(shí)機(jī)相同。

3.1 控制臺(tái)操作板

控制臺(tái)操作板是模擬機(jī)的主要操作界面，其控件包括：系統(tǒng)控件：控制電源開關(guān)、聯(lián)絡(luò)按鈕、變頻器復(fù)位按鈕、警報(bào)停止按鈕、緊急停止按鈕；刀盤控件：刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)開關(guān)、刀盤轉(zhuǎn)速旋鈕；左、右螺旋機(jī)控件：螺旋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)開關(guān)、螺旋機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈、螺旋機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕（帶指示燈）、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速旋鈕、出土閘門開關(guān)；糾偏控件：總閥門開關(guān)、左閥門開關(guān)、右閥門開關(guān)、注泥泵開關(guān)；后頂控件：后頂啟停開關(guān)、后頂方式設(shè)置按鈕、后頂油缸伸出按鈕、后頂油缸縮進(jìn)按鈕、后頂速度設(shè)置旋鈕；其他控件：氣密泵開關(guān)、注漿泵開關(guān)、排土泵開關(guān)。

3.2 控制臺(tái)內(nèi)開關(guān)

在控制臺(tái)操作板的下方箱體里，安裝有掘進(jìn)機(jī)的連鎖開關(guān)，用于確定各主要部件動(dòng)作的時(shí)序連鎖，主要有：“排土泵→螺旋機(jī)”連鎖開關(guān)、“排土泵→刀盤”連鎖開關(guān)、“刀盤→螺旋機(jī)”連鎖開關(guān)、“后推進(jìn)→螺旋機(jī)”連鎖開關(guān)、“側(cè)滾角度→刀盤”連鎖開關(guān)、“刀盤→后推進(jìn)”連鎖開關(guān)、“給脂間斷→連續(xù)”設(shè)置開關(guān)等。

3.3 觸摸屏界面

控制臺(tái)上有兩個(gè)觸摸屏，也是模擬機(jī)的主要操作界面，包括：掘進(jìn)控制、運(yùn)行監(jiān)控、糾偏操作、泵站啟停、系統(tǒng)設(shè)置、模擬數(shù)據(jù)、異常報(bào)警，以及后頂推進(jìn)操作等十多個(gè)畫面。

4 模擬機(jī)的虛擬處理系統(tǒng)

模擬機(jī)的虛擬處理系統(tǒng)安裝在PC計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。它接收控制系統(tǒng)的指令，按虛擬運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)物理仿真，將模擬的動(dòng)作、狀態(tài)信息傳送給仿真顯示系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)仿真模型和施工環(huán)境仿真模型，演繹掘進(jìn)施工，同時(shí)將模擬的狀態(tài)信息反饋給控制系統(tǒng)，形成一個(gè)完整的控制回路。

虛擬處理系統(tǒng)的主要功能有：數(shù)據(jù)通訊、物理仿真、事件模擬、運(yùn)行監(jiān)視、作業(yè)管理、系統(tǒng)管理等六類。

4.1 數(shù)據(jù)通訊

虛擬處理系統(tǒng)以串口通訊協(xié)議與控制臺(tái)PLC連接，以以太網(wǎng)通訊協(xié)議與仿真顯示系統(tǒng)連接。通訊是自動(dòng)、強(qiáng)制進(jìn)行的，在通訊失穩(wěn)時(shí)能自動(dòng)重試接續(xù)，并將出錯(cuò)信息寫入日志文件備查。

4.2 物理仿真

掘進(jìn)機(jī)物理仿真的內(nèi)容主要為動(dòng)作仿真和狀態(tài)仿真。動(dòng)作仿真要模擬掘進(jìn)機(jī)各項(xiàng)動(dòng)作的形式、方向、行程、時(shí)間、速度、軌跡等，狀態(tài)仿真要模擬掘進(jìn)機(jī)和施工對象的幾何形態(tài)、體積、容積等變化，還要模擬壓力、轉(zhuǎn)矩等物理量及其變化。

仿真算法要解決時(shí)間效應(yīng)問題，例如：為彌補(bǔ)通訊延遲，需要對運(yùn)動(dòng)采樣進(jìn)行流暢、平滑處理，為模擬運(yùn)動(dòng)阻力、慣性，需要對模擬機(jī)的響應(yīng)做延時(shí)、遲滯處理，等等。

4.3 事件模擬

操作者可以通過“偏差模擬器”、“事件模擬器”，產(chǎn)生模擬的偏差、故障，滿足教學(xué)、實(shí)習(xí)需要。各種模擬的觸發(fā)、波動(dòng)機(jī)制有如下幾種：

（a） 手動(dòng)觸發(fā)、波動(dòng)；

（b） 定點(diǎn)觸發(fā)、波動(dòng)；

（c） 定時(shí)或周期性觸發(fā)、波動(dòng)；

（d）函數(shù)觸發(fā)、波動(dòng)，模擬外界擾動(dòng)的發(fā)生、變化。

4.4 運(yùn)行監(jiān)視

模擬機(jī)運(yùn)行監(jiān)視窗口有：系統(tǒng)狀況、刀盤切削、螺旋排土、后頂推進(jìn)、鉸接和其它等5 個(gè)。

4.5 作業(yè)管理

一位操作者的一次上機(jī)操作稱為一次作業(yè)。作業(yè)啟動(dòng)時(shí)登記作業(yè)的名稱、類別、內(nèi)容、操作者、指導(dǎo)教師等信息[4]。作業(yè)啟動(dòng)后，系統(tǒng)就自動(dòng)記錄本次作業(yè)的所有操作指令、運(yùn)行數(shù)據(jù)，按規(guī)定格式存入數(shù)據(jù)庫，記錄的數(shù)據(jù)可以查詢，可以回放，以重現(xiàn)操作者的上機(jī)過程和情況。作業(yè)終止時(shí)結(jié)束數(shù)據(jù)記錄。作業(yè)終止后還可以恢復(fù)，自剛才終止處繼續(xù)記錄下去。也可以重啟，重啟時(shí)該作業(yè)之前的記錄全部廢除，重新開始記錄。作業(yè)管理功能記錄的作業(yè)數(shù)據(jù)，也是一份完整的模擬機(jī)教學(xué)、上機(jī)檔案。

4.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能包括：基礎(chǔ)信息維護(hù)、系統(tǒng)參數(shù)的導(dǎo)出與導(dǎo)入，以及數(shù)據(jù)庫的備份與恢復(fù)等。

5 模擬機(jī)的仿真顯示系統(tǒng)

模擬機(jī)的仿真顯示系統(tǒng)需要安裝在高性能圖形處理計(jì)算機(jī)上，通過以太網(wǎng)與虛擬處理系統(tǒng)連接。可以同時(shí)連接多臺(tái)仿真顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多終端異地應(yīng)用。

仿真顯示系統(tǒng)的核心是掘進(jìn)機(jī)仿真模型、施工環(huán)境仿真模型，以及仿真模型驅(qū)動(dòng)程序。仿真顯示系統(tǒng)的人機(jī)界面提供齊全的三維交互功能，使模擬機(jī)可以更好地用于技術(shù)培訓(xùn)和教學(xué)實(shí)訓(xùn)。

5.1 掘進(jìn)機(jī)仿真模型

掘進(jìn)機(jī)仿真模型以上海機(jī)械施工集團(tuán)研發(fā)的TH691PMX-1矩形隧道掘進(jìn)機(jī)為藍(lán)本建立，其主要構(gòu)成如下：

（a）掘進(jìn)機(jī)機(jī)身。是掘進(jìn)機(jī)的外殼，又稱盾殼，殼內(nèi)安裝了掘進(jìn)機(jī)的主要機(jī)構(gòu)和裝置。機(jī)身分為前中后3 段，前段的外端面裝置有組合刀盤和周邊刀，中段分為前后鑲嵌鉸接的2 部分，通過鉸接油缸的不同伸縮，改變前后部分的鉸接角度，可以使機(jī)身上下左右微轉(zhuǎn)，從而微調(diào)掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)姿態(tài)，糾正掘進(jìn)軸線偏差。鉸接處采用充氣橡膠密封。

（b）刀盤切削系統(tǒng)（圖1）。包括6 套組合刀盤（每套有1 臺(tái)變頻器、3 臺(tái)電機(jī)以及若干刀具）。刀盤切削系統(tǒng)的運(yùn)行原理是：由控制系統(tǒng)控制變頻器驅(qū)動(dòng)刀盤電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速齒輪箱帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，以刀盤旋轉(zhuǎn)來切削前方土體，達(dá)到向前掘進(jìn)并支撐開挖面土體的目的。6 套刀盤既可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)，可以聯(lián)動(dòng)，也可單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身和刀盤切削系統(tǒng)的仿真模型

（c）螺旋排土系統(tǒng)。又稱土壓平衡系統(tǒng)，包括2 套螺旋機(jī)、2 臺(tái)泵站、2 套出土閘門、4 個(gè)土壓傳感器、1 套排土泵等。螺旋排土系統(tǒng)的運(yùn)行原理是：由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)，帶動(dòng)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)來抽出刀盤切削下來的渣土，再由排土泵將渣土排出到集土坑內(nèi)；通過改變螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速控制排土量，可以調(diào)節(jié)土壓力。

（d）鉸接糾偏系統(tǒng)。包括盾殼鉸接處上、下、左、右4 組液壓鉸接油缸、2 臺(tái)泵站、1 臺(tái)傾斜儀。鉸接糾偏系統(tǒng)的運(yùn)行原理是：由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓鉸接油缸，帶動(dòng)機(jī)頭上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)，微調(diào)掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向，從而糾正掘進(jìn)軸線偏差。

（e）注泥糾側(cè)、注脂密封、注漿減摩、氣壓密封等系統(tǒng)。注泥系統(tǒng)以注泥壓力影響掘進(jìn)機(jī)左側(cè)或右側(cè)升降，糾正機(jī)身的側(cè)轉(zhuǎn)。注脂密封系統(tǒng)將潤滑油脂打到刀盤唇口密封處和螺旋機(jī)唇口密封處，阻擋機(jī)外泥土進(jìn)入機(jī)內(nèi)。氣壓密封系統(tǒng)將空氣壓力打入機(jī)身鉸接處的內(nèi)、外周密封氣囊，阻擋機(jī)外泥土進(jìn)入機(jī)內(nèi)。注漿減摩系統(tǒng)將泥漿注出于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的外表面，用于減小掘進(jìn)的摩阻力（圖2）。

圖2 螺旋排土系統(tǒng)的仿真模型

（f ）后頂推進(jìn)系統(tǒng)。固定設(shè)置在始發(fā)井的最后面，由頂推油缸、U形頂鐵、發(fā)射架、鋼后靠等部分組成。后頂推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行原理是：由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)頂推油缸伸縮，將管節(jié)和機(jī)頭向前推進(jìn)；通過改變后頂推進(jìn)速度改變土倉出土量，可以調(diào)節(jié)掘進(jìn)面土壓力，實(shí)現(xiàn)土壓平衡（圖3）。

圖3 后頂推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型

（g）管節(jié)吊裝系統(tǒng)：包括起重機(jī)、吊索、鐵扁擔(dān)等。管節(jié)吊裝系統(tǒng)不是掘進(jìn)機(jī)本身的組成部分，而是為它服務(wù)的施工機(jī)械。實(shí)際施工中，管節(jié)吊裝是由起重機(jī)司機(jī)操作，將管節(jié)從地面上吊到始發(fā)井下，就位于先前已安裝頂進(jìn)的管節(jié)和后頂推進(jìn)系統(tǒng)之間。為完整表現(xiàn)矩形隧道施工過程，模擬機(jī)配置了管節(jié)吊裝系統(tǒng)。

5.2 施工環(huán)境仿真模型

模擬機(jī)的施工環(huán)境仿真模型有5 項(xiàng)：矩形隧道掘進(jìn)機(jī)車間、矩形隧道施工工地、矩形隧道始發(fā)井、掘進(jìn)土體及已掘進(jìn)的隧道、矩形隧道接收井（圖4、圖5）。

圖4 矩形隧道施工的工地鳥瞰

圖5 矩形隧道掘進(jìn)的地下施工場景

5.3 仿真顯示系統(tǒng)的人機(jī)界面

仿真顯示系統(tǒng)可以供用戶操控的功能主要有：

（a）模式設(shè)置。監(jiān)視模式：仿真顯示系統(tǒng)作為掘進(jìn)機(jī)的監(jiān)視器，保持與虛擬處理系統(tǒng)的通訊，接收其發(fā)來的數(shù)據(jù)，顯示掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)的施工畫面和有關(guān)信息。

回放模式：仿真顯示系統(tǒng)作為歷史數(shù)據(jù)的回放器，用戶可以通過回放管理器播放以前的作業(yè)情景?；胤诺臍v史數(shù)據(jù)可以來自模擬機(jī)數(shù)據(jù)庫，也可以來自顯示終端本機(jī)的數(shù)據(jù)庫（從模擬機(jī)數(shù)據(jù)庫下載到本地）。

（b）各種窗口的開關(guān)。仿真顯示系統(tǒng)具有許多彈出窗口（圖6），其中用作系統(tǒng)狀態(tài)或作業(yè)信息提示的有：①系統(tǒng)狀態(tài)板、②作業(yè)信息板、③數(shù)字儀表板；用作仿真互動(dòng)的有：④鏡頭定位板、⑤3D顯示效果設(shè)置板；用作功能操控的有：⑥回放管理器、⑦鏡頭巡視器等。這些窗口可以隨意打開、關(guān)閉、拖動(dòng)。

圖6 仿真顯示系統(tǒng)的部分彈出窗口

（c） 仿真交互功能。用戶通過仿真交互功能，可以進(jìn)行三維場景切換、鏡頭操作、視圖制作和選用、3D效果設(shè)置等，滿足各種使用需要。

（d）自動(dòng)巡視：按事先規(guī)定的軌跡，自動(dòng)地移動(dòng)鏡頭，變換鏡頭的視距、視角，連續(xù)地展示三維仿真場景的各個(gè)部位，就像播放錄像一樣。

（e）作業(yè)回放管理：選擇回放的對象、范圍、速度、方式，進(jìn)行播放、暫停、快進(jìn)、快倒、停止等操作。

（f）系統(tǒng)設(shè)置、維護(hù)：包括運(yùn)行性能設(shè)置、管理權(quán)限的設(shè)置、數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與導(dǎo)入等。

6 模擬機(jī)的使用功能

6.1 學(xué)習(xí)掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、原理

教師通過圖示掘進(jìn)機(jī)的機(jī)構(gòu)、部件，介紹掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、原理?？梢允褂苗R頭操控、視圖切換等功能，以及隱藏、單顯、剖視、透明等特殊手段，實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果。

6.2 學(xué)習(xí)掘進(jìn)機(jī)的操作方法

學(xué)員可以在控制臺(tái)上操作模擬機(jī)，學(xué)習(xí)掘進(jìn)機(jī)的操作。學(xué)習(xí)內(nèi)容主要如下：

（a）總體控制：掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)、停止，各類泵啟動(dòng)、停止，緊急停止等。

（b）刀盤系統(tǒng)：刀盤啟停、變速、變向，觀察刀盤扭矩等。

（c）螺旋機(jī)和出土閘門：螺旋機(jī)啟停、變速、變向，出土閘門開大、關(guān)小，觀察土壓力變化、螺旋機(jī)壓力等。

（d）鉸接糾偏系統(tǒng)：鉸接油缸全伸、全縮，機(jī)頭上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，觀察鉸接油缸的伸出長度、掘進(jìn)軸線偏差、機(jī)身傾斜角度的變化等。

（e）注泥糾側(cè)系統(tǒng)：注泥泵啟停，注泥總閥、左閥、右閥的開大和關(guān)小，觀察注泥壓力、機(jī)身側(cè)轉(zhuǎn)角的變化等。

（f）注脂密封、注漿減摩、氣壓密封等系統(tǒng)：觀察各相關(guān)數(shù)值的變化。

（g）后頂推進(jìn)系統(tǒng)：后頂油缸的選擇，后頂油缸伸出、縮進(jìn)：觀察后頂壓力、推進(jìn)距離等。

（h）管節(jié)安裝：掘進(jìn)模式與管節(jié)安裝模式的切換，啟動(dòng)、觀察管節(jié)吊裝過程，操作后頂油缸推進(jìn)、拼裝管節(jié)，觀察管節(jié)安裝環(huán)數(shù)等。

6.3 學(xué)習(xí)掘進(jìn)施工的工藝流程

模擬機(jī)模擬的施工流程或操作流程有如下幾種：

（a）掘進(jìn)機(jī)出洞（頂出始發(fā)井）進(jìn)入土體；

（b）掘進(jìn)機(jī)在土體內(nèi)掘進(jìn)施工；

（c）管節(jié)吊裝和拼裝；

（d）掘進(jìn)機(jī)完成掘進(jìn)后進(jìn)洞（進(jìn)入接收井）。

6.4 學(xué)習(xí)掘進(jìn)中的施工控制

教師可以在虛擬處理系統(tǒng)上設(shè)置各類參數(shù)、偏差、事件等，既可以通過控制臺(tái)上的實(shí)際操作，講解掘進(jìn)中施工控制知識(shí)，也可以讓學(xué)員上機(jī)操作，熟悉、掌握各項(xiàng)施工控制方法。

掘進(jìn)中的施工控制主要內(nèi)容有：土壓平衡的控制、掘進(jìn)軸線偏差的糾正、機(jī)身側(cè)滾的糾正、施工中有關(guān)偏差的糾正、施工中設(shè)備故障的檢查與排除、施工中設(shè)備過載的診斷與排除等。