一種新型硬巖隧道掘進機設(shè)計及分析

曾祥盛，鄭康泰

（1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016；2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001）

全斷面隧道掘進機（盾構(gòu)和TBM）施工技術(shù)因其高效性、安全性、環(huán)保性和低擾動等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)輸水隧道盾構(gòu)/TBM 使用率為60%，地鐵隧道盾構(gòu)/TBM 使用率為30%。但是，在鐵路隧道和公路隧道的建設(shè)中盾構(gòu)/TBM 設(shè)備一直未被大量使用，其重要原因就是鐵路隧道為減低工程成本，提高空間利用率，斷面形狀多為異形斷面（馬蹄形、門洞形等），而盾構(gòu)/TBM 斷面為圓形，開挖后需進行回填，易造成資源浪費[1]。

目前，用于鉆爆法施工的成套化機械裝備也有很多，如三臂鑿巖臺車、懸臂掘進機、濕噴臺車等，但總體來說我國鐵路隧道機械化應(yīng)用程度并不高，主要原因之一就是機械開挖作業(yè)與人工開挖作業(yè)工序循環(huán)時間相當(dāng)[2]，而懸臂掘進機只能適應(yīng)60MPa 以下的巖石地層。綜上所述，目前隧道施工領(lǐng)域亟需一種能夠高效、低成本、高度靈活的異形硬巖開挖裝備。

1 異型斷面掘進機現(xiàn)狀

目前矩形盾構(gòu)、馬蹄形盾構(gòu)、雙圓盾構(gòu)、三圓盾構(gòu)等異形斷面掘進機[3]能夠大幅提高異形斷面開挖效率，但這些設(shè)備只能用于軟土地層，且裝備斷面形狀固定單一。為實現(xiàn)單裝備的不同斷面開挖，除懸臂掘進機外，國內(nèi)外進行柔性斷面裝備研究。小松礦業(yè)掘進機采用單刀旋切方式，但開挖效率低；中鐵裝備設(shè)計了一種旋切刀盤，安裝于懸臂掘進機，但開挖功率與底盤穩(wěn)定性能還需進一步提升；安百拓研制了一種礦用擺臂式刀盤掘進機，但其工作空間與斷面靈活性難以適應(yīng)鐵路硬巖隧道的需求；維爾特開發(fā)一種Mobile Tunnel Mobile（簡稱MTM）礦用硬巖掘進設(shè)備，但目前均沒有進行大量應(yīng)用。

綜上，國內(nèi)外掘進機制造商均在針對異形硬巖斷面隧道開挖進行相關(guān)研究，但目前應(yīng)用場景以礦用隧道為主，在隧道硬巖施工領(lǐng)域未見大規(guī)模報道。

針對上述難題，本文提出了一種基于機器人支撐的柔臂硬巖隧道掘進機（Robotic TBM）設(shè)計方案。Robotic TBM 可依靠機器人支撐實現(xiàn)刀盤在較大范圍內(nèi)的六自由度運動，最終實現(xiàn)以小直徑刀盤開挖大直徑任意形狀斷面隧道。在破巖方式上，除了在刀盤安裝有正面滾刀，又在刀盤軸向布置有多把旋切刀，當(dāng)帶動刀盤運動的油缸完全縮回時柔臂掘進機以刀盤正面板上布置的正滾刀壓裂破巖為主，當(dāng)需要向四周擴挖洞徑時以刀盤的側(cè)面旋切刀旋切破巖為主，通過對多自由度柔性機械臂的破巖路徑規(guī)劃和控制，帶動刀盤實現(xiàn)兩種破巖模式的任意切換，從而達到最優(yōu)的破巖效果和開挖效率。

2 機器人支撐的柔臂硬巖隧道掘進機

2.1 總體方案設(shè)計

基于機器人支撐的柔臂硬巖隧道掘進機，結(jié)合全斷面硬巖掘進機刀盤高效率開挖和機器人技術(shù)高靈活度、高精度的優(yōu)勢，將其刀盤支撐推進系統(tǒng)采用機械臂的形式進行設(shè)計，使刀盤具有多自由度運動性能，實現(xiàn)隧道任意斷面開挖。刀盤支撐系統(tǒng)的機械臂結(jié)構(gòu)可采用串聯(lián)機構(gòu)（圖1）、并聯(lián)機構(gòu)（圖2）或混聯(lián)機構(gòu)形式，動力源以液壓系統(tǒng)為主，同時還需對出渣系統(tǒng)、支護系統(tǒng)進行針對性設(shè)計，提高設(shè)備整體施工效率。

圖1 串聯(lián)機器人支撐的柔臂掘進機方案

圖2 并聯(lián)機器人支撐的柔臂掘進機方案

刀盤結(jié)構(gòu)采用TBM 刀盤形式，刀具采用盤型滾刀，刀盤的自轉(zhuǎn)驅(qū)動部分可采用液壓馬達或電機加減速機的組合形式，刀盤和自轉(zhuǎn)驅(qū)動部分共同作為機器人末端執(zhí)行機構(gòu)，自由度數(shù)可根據(jù)實際工程需要對支撐機器人進行針對性設(shè)計。出渣系統(tǒng)采用隧道底部出渣方式，使用扒渣機將掉落在隧道底部的渣石運輸至皮帶機，隨著皮帶機運輸至掘進機后端。同時，為了提供足夠大的反扭矩和推進支撐力，其支撐系統(tǒng)采用TBM 撐靴或盾構(gòu)管片拼裝油缸結(jié)構(gòu)形式。

2.2 刀盤設(shè)計

施工過程刀盤開挖模式可分為兩種。

1）首先刀盤正向貫入一定深度，向一側(cè)擺動至隧道輪廓設(shè)計邊界，然后開始做圓周或螺旋運動，直至覆蓋整個隧道設(shè)計輪廓范圍（圖3）。此模式下刀盤受力形式主要有3 種：①正向推入階段：此時刀盤主要受力為正推力、系統(tǒng)重力和扭矩；②刀盤向一側(cè)擺動階段：此時刀盤主要受力為徑向力、系統(tǒng)重力和扭矩；③機器人帶動刀盤回轉(zhuǎn)運動階段：此時刀盤主要受力為徑向力、系統(tǒng)重力和扭矩。

圖3 開挖模式一

2）刀盤首先正向貫入一定深度，然后退出并向一側(cè)擺動一定距離，再次正向貫入相同深度，如此往復(fù)，直至覆蓋整個工作面，最后使刀盤按隧道設(shè)計輪廓回轉(zhuǎn)進行修邊（圖4）。此模式下刀盤受力形式主要有2 種：①正向推入階段：此時刀盤主要受力為正推力、系統(tǒng)重力和扭矩，刀盤大多時間處于該階段，只是刀盤每次的位置不同；②刀盤回轉(zhuǎn)修邊階段：此階段刀盤主要受力為徑向力、系統(tǒng)重力和扭矩。

圖4 開挖模式二

在工作過程中，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)始終驅(qū)動刀盤自轉(zhuǎn)，反扭矩由支撐機器人承受。機器人支撐的柔臂TBM 刀盤的結(jié)構(gòu)形式如圖5 所示。

圖5 雙模刀盤圖

2.3 刀盤支撐系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)任意截面的開挖，即進行刀盤的靈活運動，需要其刀盤支撐系統(tǒng)具有多自由度運動能力，此時，刀盤支撐系統(tǒng)類似機械臂，刀盤類似機械臂的末端執(zhí)行器。多自由度刀盤支撐系統(tǒng)按連接形式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并混聯(lián)型。其中，串聯(lián)機構(gòu)指所有構(gòu)件以串聯(lián)形式連接起來，組成一種開鏈結(jié)構(gòu)，其研究較為成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制簡單，運動空間大等優(yōu)點；并聯(lián)機構(gòu)通常由動平臺、靜平臺以及連接動平臺與靜平臺的支鏈構(gòu)成的閉環(huán)機構(gòu)，具有剛度好，承載能力強，精度高，末端件慣性小等優(yōu)點，適用于重載場合，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制解耦難，關(guān)節(jié)的活動范圍受到限制，工作空間較小，且并聯(lián)結(jié)構(gòu)的構(gòu)型及自由度分析比串聯(lián)機構(gòu)復(fù)雜得多；混聯(lián)機構(gòu)可融合串聯(lián)和并聯(lián)機器人的優(yōu)勢。

柔臂TBM 支撐系統(tǒng)工作環(huán)境極其惡劣，系統(tǒng)受隨機強交變負載，耦合因素多，除了要求支撐機構(gòu)具有高強度特性外，還應(yīng)具有良好的力順應(yīng)性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。華東交通大學(xué)徐尤南教授[4]分析了“V”型推進機構(gòu)的性能指標(biāo)，相比于當(dāng)前盾構(gòu)廣泛采用的平行推進油缸布置機構(gòu)具有更好的工況適應(yīng)能力。同時根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)的重載特性，本文主要分析采用“V”型推進機構(gòu)的Stewart構(gòu)型刀盤支撐系統(tǒng)。如圖6 所示，Stewart 機器人結(jié)構(gòu)由6 根作動器按一定規(guī)律連接上下兩個平臺，結(jié)構(gòu)承載能力大，目前國內(nèi)外以電動伺服作動器為主流，以液壓件為作動器（如液壓缸）時可大幅度提高平臺的承載力。Stewart 平臺的性能主要受平臺直徑D、d，上平臺鉸接位置夾角α、下平臺鉸接位置夾角β和上下平臺的間距H影響。

圖6 Stewart機構(gòu)原理圖

2.4 柔臂TBM支撐系統(tǒng)仿真分析

對于柔臂掘進機我們主要追求刀盤的正推力和側(cè)向的擺動力，以及要求盡量大的工作空間。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，可以采用數(shù)值解析法和軟件建模法來獲得最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)，同時需要對系統(tǒng)進行三維建模，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉。

Adams 軟件是全球運用最廣泛的機械系統(tǒng)仿真軟件，可以創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)模型，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和作用力曲線[5]，因此本文采用Adams搭建Stewart系統(tǒng)仿真平臺，為提高仿真結(jié)果的真實性，根據(jù)實際工況下的刀盤受力情況為虛擬系統(tǒng)添加負載、自重和刀盤運動速度、加速度等關(guān)鍵參數(shù)，以模擬刀盤的運動和受力情況，作為關(guān)鍵部件的設(shè)計依據(jù)。

由于實際產(chǎn)品設(shè)計中，刀盤和下平臺尺寸可根據(jù)隧道形狀和直徑基本確定，因此主要考慮鉸接點夾角和平臺間距的選擇。本文基于搭建的Adams 仿真平臺，進行刀盤到達相同位置時對油缸的參數(shù)影響情況分析，結(jié)果如圖7、圖8 所示。通過圖7 所示平臺間距對油缸行程的影響可知，平臺間距越大，油缸行程越小，及增大平臺間距可以實現(xiàn)增加工作空間。但從圖8 所示平臺間距對油缸受力的影響可知，增加平臺間距會使油缸受力增加。因此在實際產(chǎn)品設(shè)計中需要在工作空間和零部件受力的取舍上尋找最佳平衡點。

圖7 平臺間距對油缸行程的影響

圖8 平臺間距對油缸受力的影響

2.5 運動學(xué)分析與位置逆解

在掘進過程中撐靴撐緊洞壁，依靠摩擦力保持后配套系統(tǒng)穩(wěn)定，并為刀盤提供反扭矩及反推力。油缸一端鉸接布置于撐靴結(jié)構(gòu)上，沿鉸接所在節(jié)圓平面和隧道設(shè)計軸線建立固定坐標(biāo)系O-xyz，鉸接點表示為Ai(i=1，2…6)。在主機處建立動坐標(biāo)系p-uvw，其上與Ai相應(yīng)的鉸接點表示為Bi(i=1，2…6)，如圖9 所示，則刀盤位姿可表示為P(x，y，z，q，g，j)，(x，y，z)表示刀盤的位置坐標(biāo)，(q，g，j)表示動坐標(biāo)系分別繞固定坐標(biāo)系中z、y、x軸的轉(zhuǎn)角，即刀盤的橫滾角、偏移角和俯仰角。1#～6#表示油缸編號。通過計算，可獲得刀盤任意姿態(tài)下各油缸的長度。

圖9 推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計

刀盤破巖過程中負載表現(xiàn)為交變載荷形式，刀盤及油缸自身質(zhì)量重，刀盤運動范圍廣，且要實現(xiàn)6 根并聯(lián)油缸的協(xié)同控制，要求油缸具有一定的同步性，因此考慮采用油缸壓力和系統(tǒng)重力雙補償方案，同時通過油缸的內(nèi)置位移傳感器實現(xiàn)油缸的位置補償，達到對刀盤的精確控制，其控制策略如圖10 所示。

圖10 力/位控制策略圖

由于系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，工作時受力復(fù)雜，為保證系統(tǒng)安全可靠地運行，需要在控制系統(tǒng)部署一系列的協(xié)同保護機制，防止在開挖過程中出現(xiàn)危險極端狀況，對鉸接運動干涉、閥或傳感器故障、壓力不穩(wěn)定等故障因素進行及時識別和判斷，并使掘進機采取相應(yīng)的保護機制。此外，控制系統(tǒng)應(yīng)具有：數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、報警與故障處理、具有自我保護、運動狀態(tài)檢測、系統(tǒng)測量、系統(tǒng)顯示功能、應(yīng)急功能等運動控制與保護功能。

3 結(jié)語

從異形硬巖隧道的建設(shè)需求出發(fā)，介紹了國內(nèi)外相關(guān)裝備的現(xiàn)狀，提出了一種柔臂TBM 的新型掘進機方案；利用Adamas 軟件建立了仿真模型，對關(guān)鍵部件進行仿真，獲得平臺間距對液壓油缸負載參數(shù)的影響規(guī)律，為基于機器人支撐的柔臂硬巖掘進機設(shè)計提供理論依據(jù)；建立了柔臂支撐機器人的運動學(xué)模型，進行了逆運動學(xué)求解，為柔臂支撐機器人的控制奠定基礎(chǔ)；最后，針對實際工況下負載復(fù)雜，提出柔臂機器人力、位耦合控制器的控制策略，實現(xiàn)對刀盤的精確控制。機器人支撐的柔臂掘進機作為新型裝備，其開挖斷面較為靈活，為異形硬巖隧道開挖難題提供了解決思路。