原晓伟，卓兴建，姜礼杰，孙颜明，杨 航

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

0 引言

TBM是实施《中长期铁路网规划》、“一带一路”倡议等路网建设的重大核心装备[1]，高效、安全是采用TBM开展隧道施工的核心竞争优势[2]。

TBM施工中，岩爆、顶部坍塌掉块导致渣石堆积在隧道底部拱架安装机附近，清渣已成为钢拱架立拱前的必备环节[3]。目前，渣石的清理主要依靠人工作业，即人工采用铁锹和编织袋将积渣装袋，然后采用运渣车运输出去。该方法作业效率低，严重制约隧道快速开挖。因此，提升隧道底部清渣的自动化程度，已成为提高开挖效率、加快施工进度亟需解决的问题[4-5]。但隧道底部积渣体量、位置和粒径分布具有随机性，给清渣装置的设计带来巨大挑战。

德国Herrenknecht公司采用小型装载机实现机械化作业，但对工作空间和操作人员技能要求高。意大利SELI公司研制了提斗式清渣机(见图1)，但无法进行寻渣作业，且对工作空间要求较高。美国Robbins设计了一种4自由度辅助清渣机械臂(见图2)，但其运渣工作需人工完成。西安理工大学研制了一种6自由度清渣机械臂[6]，但该机械臂仅具有一种末端执行器，无法满足大范围渣石的清理。综上所述，目前底部清渣总体上尚未实现自动化，渣土采集与运输自动化在机构设计上有待突破。

图1 提斗式清渣机

图2 辅助清渣机械臂

针对上述实际问题，结合隧道底部积渣状态和现有的钢拱架施工工法，以开挖直径6 400 mm的敞开式TBM为搭载对象并建立试验台，提出一种隧道底部积渣清理机构搭配运渣小车的清渣方案，建立其清渣机械臂的运动学模型与轨迹规划方法，为渣石的快速清理提供条件。……