譚順輝

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

暗挖法修建隧道的方式主要有3種，分別是礦山法、新奧法和隧道掘進機法。隧道掘進機法是安全、高效的隧道開挖方法，國外大多統(tǒng)稱為TBM法，國內(nèi)對于軟土地層開挖稱為盾構(gòu)法； 對于巖石地層開挖，則稱作TBM法。隧道掘進機是周邊帶有保護殼體，具有開挖和前進功能的隧道施工專用設(shè)備，經(jīng)過較長時間的發(fā)展，當前在隧道全斷面一次性開挖、巖土出渣、隧道支護以及隧道掘進機自身動力系統(tǒng)配置和控制技術(shù)等方面已經(jīng)十分成熟[1]，出現(xiàn)了硬巖隧道掘進機、土壓平衡隧道掘進機及泥水平衡隧道掘進機等系列化設(shè)備； 刀盤斷面從圓形發(fā)展到矩形、馬蹄形、橢圓及其他異形； 從單一模式向雙模式發(fā)展，也開始了三模式試驗研究試制工作。

近年來，國內(nèi)外鐵路、公路、水利等基礎(chǔ)建設(shè)對全斷面隧道掘進機提出了巨大的市場需求[2]。同時，人工智能技術(shù)進入了集成發(fā)展期，機器學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)等理論的提出和迅猛發(fā)展，都加速了人工智能的現(xiàn)實應(yīng)用[3]。這些技術(shù)開始應(yīng)用到不同的工業(yè)領(lǐng)域和工程項目之中： 先進的感知技術(shù)逐步應(yīng)用到工程施工現(xiàn)場中，“智慧工地”越來越多； 近來，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員也正在對隧道掘進機智能化開展一些研究工作[4-6]，但這些研究大多停留在理論和試驗層面，實際應(yīng)用較少。對于隧道掘進機法，其如何針對復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境采用不同模式掘進，如何采用不同功能適應(yīng)不同工況，如何進行智能感知并實現(xiàn)自主決策，以不同的功能模式、掘進參數(shù)掘進以及智能預(yù)警等，是當前需要解決的重要課題。

目前，工程地質(zhì)和水文條件仍對隧道掘進機的適應(yīng)性有著一定的限制。隨著多模式、組合功能設(shè)計制造和控制技術(shù)的進步，以及現(xiàn)代地質(zhì)預(yù)報、新型輔助破巖技術(shù)、巖渣監(jiān)控、智能自主決策掘進和預(yù)警等技術(shù)的發(fā)展，隧道掘進機未來將逐步擺脫地質(zhì)和水文條件的限制，以多模式、多功能、智能化的技術(shù)性能適應(yīng)復(fù)雜隧道工程的要求。

1 多模式隧道掘進機技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

在隧道掘進機施工中，同一個隧道工程項目的不同隧道里程有時會出現(xiàn)地質(zhì)條件變化較大的情況，即使同一里程斷面內(nèi)，其上下左右也可能存在地質(zhì)不一樣的情況(如上軟下硬地層)，從而造成隧道掘進機選型時難以抉擇； 或者是在隧道掘進機設(shè)計階段為了滿足占比高的地質(zhì)條件的適應(yīng)性不得不做出設(shè)計折中，從而導(dǎo)致機器在占比小的地質(zhì)段施工時不能充分發(fā)揮應(yīng)有優(yōu)勢。為了更好地解決這些問題，研制出多模式隧道掘進機是良好的應(yīng)對方案。多模式掘進機是為適應(yīng)隧道開挖過程中地質(zhì)發(fā)生明顯變化時能轉(zhuǎn)換工作模式的新設(shè)備。

1.1 雙模式隧道掘進機的應(yīng)用

作為多模式隧道掘進機的一種，雙模式隧道掘進機近些年得到了廣泛應(yīng)用。雙模式隧道掘進機主要有3種，分別是土壓-硬巖雙模式掘進機、土壓-泥水雙模式掘進機和泥水-硬巖雙模式掘進機。這里僅就新型土壓-硬巖雙模式掘進機進行闡述。

土壓-硬巖雙模式隧道掘進機(見圖1)的原理是使用2種出渣方式(中心螺旋輸送機出渣和底部螺旋輸送機出渣)，可同時適應(yīng)軟弱地層、圍巖較差地層和硬巖地層，設(shè)備同時具備土壓平衡掘進模式和硬巖掘進模式。由土壓模式向硬巖模式轉(zhuǎn)換時，只需將底部螺旋輸送機伸入段從刀盤土艙的下半部分取出并抬升至壓力隔板中心部位，同時封閉土艙隔板下部的前閘門，并將刮渣板和溜渣構(gòu)件裝配到刀盤上即可完成模式轉(zhuǎn)換。該模式轉(zhuǎn)換預(yù)計需7～9 d完成，比使用傳統(tǒng)中心皮帶機出渣雙模式隧道掘進機的模式轉(zhuǎn)換能節(jié)省約一半時間。曾經(jīng)有另外一種土壓-硬巖雙模式隧道掘進機，不變動土壓平衡模式掘進時螺旋機的位置，在巖層地段采用敞開模式掘進，依舊是同樣位置的螺旋輸送機出渣，這種模式下，因為螺旋輸送機的坡度問題，導(dǎo)致出巖渣的效率相對較低，螺旋葉片和螺旋筒體內(nèi)壁磨損較快，僅適合于硬巖段較少的隧道項目。

(a) 土壓-硬巖雙模式掘進機土壓模式

(b) 土壓-硬巖雙模式隧道掘進機敞開模式

位于深圳軌道交通的某隧道工程項目全長50.34 km，設(shè)站17座，平均站間距3.15 km。該區(qū)間主要有2大類地層，一類是以強風(fēng)化角巖、中風(fēng)化角巖為主的復(fù)合地層，適宜采用土壓模式掘進； 另一類是以微風(fēng)化為主的全斷面巖石地層，適宜采用硬巖模式掘進。該項目采用直徑6.47 m的土壓-硬巖雙模式隧道掘進機施工，目前設(shè)備正在現(xiàn)場組裝，即將始發(fā)掘進。

1.2 三模式隧道掘進機

三模式隧道掘進機主要是為了應(yīng)對一個工程項目隧道中，有較多變化地層而設(shè)計生產(chǎn)的新型掘進機(見圖2)。設(shè)備具有土壓模式、泥水模式和硬巖模式掘進功能。土壓模式狀態(tài)下使用底部螺旋輸送機出渣； 敞開硬巖模式下使用中心螺旋輸送機或繼續(xù)使用底部螺旋機出渣； 泥水模式下關(guān)閉螺旋輸送機前、后閘門使用泥水環(huán)流系統(tǒng)出渣。

采用土壓-泥水雙模式的隧道掘進機已經(jīng)發(fā)展成熟，成功應(yīng)用的項目也不少，在此不再贅述。當前正在研發(fā)的三模式隧道掘進機開挖直徑為7.3 m，現(xiàn)已完成方案設(shè)計，制造完成后將用于廣東省某核電項目的隧道施工。

圖2 三模式隧道掘進機

2 隧道掘進機功能結(jié)構(gòu)的多元化探索

一般而言，特定結(jié)構(gòu)類型的隧道掘進機具備對應(yīng)的功能。如護盾式TBM的主要結(jié)構(gòu)為刀盤、主驅(qū)動、盾體、推進系統(tǒng)、管片拼裝機、后配套系統(tǒng)等，使用管片拼裝機來安裝管片襯砌，能夠應(yīng)對軟弱圍巖占比較高的地質(zhì)。敞開式TBM主要結(jié)構(gòu)為刀盤、主驅(qū)動、盾體、推進系統(tǒng)、鋼拱架安裝機、錨桿鉆機、后配套系統(tǒng)等，適合在穩(wěn)定性較好的硬巖中掘進，遭遇局部不穩(wěn)定圍巖段時可采用安裝鋼拱架、網(wǎng)片，施工錨桿和噴漿來進行支護。

上述2類不同結(jié)構(gòu)的隧道掘進機各有特點，適合于不同地層。在地質(zhì)板塊擠壓、褶皺斷裂、構(gòu)造極其發(fā)育的地域，修建隧道工程還會遇到巖爆、斷裂帶、軟巖大變形等極端復(fù)雜地質(zhì)工況，如何安全順利施工是需要探索的難題。針對這樣的地質(zhì)條件，若采用隧道掘進機工法，可考慮在敞開式TBM(主梁式)的主要結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，增加管片支護和輔助推進的功能，設(shè)計研發(fā)一種雙結(jié)構(gòu)新型隧道掘進機(見圖3)。該雙結(jié)構(gòu)機器可以在高地應(yīng)力巖爆段對作業(yè)人員和設(shè)備提供防護； 在破碎圍巖下能夠快速支護，并減少清渣量； 在軟弱地層撐靴無法提供推進反力時，采用輔助推進，實現(xiàn)推力轉(zhuǎn)換。這樣的雙結(jié)構(gòu)TBM是主梁式TBM應(yīng)對巖爆、軟弱破碎地層等風(fēng)險時，在功能上的補充、加強和完善。

圖3 雙結(jié)構(gòu)隧道掘進機

3 隧道掘進機作業(yè)環(huán)境智能感知

雖然隧道掘進機的設(shè)計、制造以及應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，但依然存在一些技術(shù)痛點,包括極端工況檢測難、突發(fā)狀況應(yīng)對難等(見圖4)。針對上述問題，工程師們聯(lián)合相關(guān)學(xué)者在智能感知、智能決策、自主掘進和智能預(yù)警方面開展了系列技術(shù)研究。

圖4 隧道掘進機面臨困難地質(zhì)情況

3.1 超前預(yù)報地質(zhì)感知系統(tǒng)

地質(zhì)超前預(yù)報感知系統(tǒng)包括紅外線探測系統(tǒng)、震動波探測和激發(fā)極化探測等，這些系統(tǒng)可獨立配置用，也可以共用在一套掘進機設(shè)備上(見圖5)。紅外線探測系統(tǒng)多用于探測刀盤掘進機前方地質(zhì)中是否存在水體、水體的大概位置等，是一種定性測定方法。震動波探測裝置安裝在隧道掘進機的設(shè)備連接橋處，通過液壓油缸依次激震隧道壁產(chǎn)生地震波，并通過安裝在隧道壁上的檢波器進行接收，檢測出地震波的波形，從而反演出隧道前方地質(zhì)斷層和破碎帶等。激發(fā)極化探測法則是由安裝在掘進機主機、刀盤及盾體上的供電電極、伸縮電極和傳導(dǎo)線路組成，供電電極和伸縮電極之間形成電流，通過分析電場分布反演出刀盤前方地質(zhì)情況，目前多用于地層中水體與水量的探測。

(a) 超前預(yù)報地質(zhì)感知系統(tǒng)組成

(b) 地質(zhì)感知

3.2 隧道掘進機掘進參數(shù)的反饋和掌子面巖土評價

隧道掘進機的刀具在開挖掌子面時，如果掌子面軟硬不均或出現(xiàn)局部空洞，可以通過刀具的轉(zhuǎn)速、荷載等狀態(tài)的變化對掌子面巖土狀況給出反演評價。以汕頭蘇埃通道項目為例，當隧道掘進機由軟弱圍巖段進入基巖突起段時，刀具轉(zhuǎn)速會增大，先接觸基巖的外圍刀具為綠色，未接觸基巖的正面和中心區(qū)域低轉(zhuǎn)速刀具為紅色，進而借助轉(zhuǎn)速變化可以對掌子面進行畫像評價，如圖6所示。

此外，還可以根據(jù)刀具荷載變化情況對掌子面進行評價。掌子面地質(zhì)不均勢必引起刀具荷載的變化，通過荷載監(jiān)測傳感器反饋的壓力，導(dǎo)入算法模型軟件，綠色區(qū)域為正常掌子面，紅色區(qū)域為極軟巖或空洞區(qū)域，如圖7所示。

圖6 刀具轉(zhuǎn)速反演掌子面軟件界面

圖7 刀具荷載反演掌子面狀況軟件界面

3.3 出渣管理及圍巖評價

渣土識別系統(tǒng)(見圖8)采用激光補光器、線陣相機、皮帶秤和工控機組成聯(lián)合檢測方法，能實現(xiàn)環(huán)境光源自適應(yīng)補強、掃描精度一致性自動調(diào)整、拍攝控制智能判別等功能，通過對獲取的高質(zhì)量渣片圖像進行智能分割，識別出大粒徑的塊狀巖渣，給出圍巖的完整性評價，為掘進參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。識別系統(tǒng)中當前使用的是一代補光器，屬于激發(fā)光源頻閃燈，它與線陣相機拍攝同步，目前正在開發(fā)二代激光式補光器。

(a) 渣土識別系統(tǒng)組成

(b) 系統(tǒng)正視圖

(c) 巖渣拍攝照片

通過超前地質(zhì)預(yù)報、掘進參數(shù)反饋、出渣管理與圍巖評價等系統(tǒng)的研究，建立一整套隧道掘進機地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)，準確識別作業(yè)環(huán)境的各種關(guān)鍵要素，是實現(xiàn)隧道掘進機智能化的前提和關(guān)鍵。

4 掘進機狀況預(yù)測及評價

4.1 刀盤刀具狀態(tài)檢測和評價

通過探索刀具載荷檢測方法，開發(fā)刀具狀態(tài)檢測新系統(tǒng)，進行刀盤刀具狀態(tài)的實時在線評估。例如，一套可行的刀盤狀態(tài)檢測系統(tǒng)(見圖9)，由鑲嵌在C型塊中的滾刀檢測模塊、振動傳感器、網(wǎng)關(guān)和工控機組成，可采用有線和無線2種傳輸模式，通過網(wǎng)關(guān)將檢測數(shù)據(jù)傳輸至PC，可以實現(xiàn)檢測滾刀溫度、轉(zhuǎn)速、磨損、應(yīng)力情況。根據(jù)仿真結(jié)果擇優(yōu)選取的多個測點，可最大程度地反映刀盤刀具實時狀態(tài)，然后通過配套專家系統(tǒng)進行刀具狀態(tài)檢測和健康評價。

圖9 刀具檢測

4.2 隧道掘進機主要密封狀態(tài)預(yù)警

由于復(fù)雜的地下環(huán)境和密封結(jié)構(gòu)形式的固有缺陷，隧道掘進機作業(yè)過程中存在漏水、漏泥、漏漿等風(fēng)險。為了提前對這些風(fēng)險進行監(jiān)控，可通過利用傳感器并合理地布置檢測點，建立起光纖密封監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)(見圖10)，有效監(jiān)測主驅(qū)動密封、鉸接密封、盾尾密封等密封系統(tǒng)腔體內(nèi)的壓力、溫度、泄露等狀態(tài)參數(shù)，通過早預(yù)警，提前預(yù)測密封系統(tǒng)狀態(tài)，確保掘進施工中的設(shè)備密封正常及施工安全。

圖10 密封系統(tǒng)

另外，通過對隧道掘進機的掘進姿態(tài)監(jiān)測、狀況預(yù)測、關(guān)鍵密封系統(tǒng)預(yù)警等技術(shù)的深入研究，建立隧道掘進機的掘進姿態(tài)監(jiān)測及狀況評價體系，確保隧道掘進機作業(yè)安全、穩(wěn)定、可靠。

5 隧道掘進機智能決策與智能執(zhí)行

5.1 智能決策與智能掘進

隧道掘進機開始掘進后，通過上位機記錄、保存掘進數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)中的智能決策模塊開啟讀取數(shù)據(jù)功能，讀取刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤轉(zhuǎn)矩、推力、掘進速度等參數(shù)。以一條數(shù)據(jù)含有的所有參數(shù)是否在設(shè)定邊界范圍內(nèi)為判斷基準，來定義其是否為有效數(shù)據(jù)點。在判定過程中自動過濾無效掘進數(shù)據(jù)，保存并按時間順序排列有效數(shù)據(jù)點，形成數(shù)據(jù)表，按照一定間隔的數(shù)據(jù)點預(yù)測一次掘進參數(shù)，并刷新顯示端界面輸出數(shù)據(jù)。自動讀取有效數(shù)據(jù)表，并在巖機信息融合與互饋模型中代入相應(yīng)的掘進參數(shù)，從而實時預(yù)測掘進參數(shù)，供設(shè)備操作司機查看，提出相應(yīng)調(diào)整掘進參數(shù)建議，從而實現(xiàn)智能決策、智能掘進施工。

5.2 換刀機器人技術(shù)研究

在特殊地質(zhì)工況下，刀具檢查更換故障開展困難，需要采取機器人換刀技術(shù)。關(guān)于換刀機器人技術(shù)研究(見圖11)，主要是針對作業(yè)人員難以到達的高壓或其他危險環(huán)境，通過自動化機械臂開展刀盤刀具的檢查與更換工作。該研究中，針對緊湊型伸縮式高負載換刀機器人本體機構(gòu)設(shè)計、兼具重載和微調(diào)以及刀具快速拆裝功能的末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計、換刀過程的視覺導(dǎo)航與末端精確定位技術(shù)、電液復(fù)合驅(qū)動與人機協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計等方面展開，據(jù)此解決刀具檢查更換作業(yè)空間狹窄、重載精確定位難、快速拆裝等問題。

圖11 換刀機器人技術(shù)

5.3 鋼拱架智能拼裝技術(shù)研究

在一些斷層破碎帶或者軟巖變形地段，需要高頻次采用鋼拱架形式支護圍巖以保安全，快速高效地拼裝鋼拱架就成為需要研究解決的課題。在新的方案中，采用運動仿真、可靠制造、試驗驗證、工業(yè)考核等方法，針對鋼拱架拼裝機器人運動約束及載荷特性分析，鋼拱架送料、輸送、拼裝與緊固等機構(gòu)設(shè)計，以及鋼拱架拼裝機器人控制系統(tǒng)等展開研究，開發(fā)鋼拱架支護智能作業(yè)系統(tǒng)(見圖12)。

圖12 鋼拱架智能拼裝技術(shù)

通過針對隧道掘進機的智能決策、換刀機器人、鋼拱架智能拼裝等技術(shù)的深度研發(fā)，建立完善可行的隧道掘進機智能決策及智能執(zhí)行體系，最終實現(xiàn)隧道掘進機智能化。

6 隧道掘進機的工程適應(yīng)性推廣

礦山法和新奧法是在過去及當下常用的隧道施工技術(shù)，大量的工程實踐表明這2種工法在長大隧道施工中具有一定的局限性。尤其是在城市施工或者爆破振動管制的工程領(lǐng)域，這2種方法逐漸受到限制。

隨著隧道掘進機多模式技術(shù)和智能化的發(fā)展，隧道掘進機模式轉(zhuǎn)換和生產(chǎn)周期的縮短，隧道掘進機可靠性、安全性的提升，以及處理復(fù)雜極端工程情況能力的增強，當前復(fù)雜隧道工程的施工風(fēng)險也得到了有效控制，故而隧道掘進機工法將會逐步突破地質(zhì)和水文等條件的限制，越來越廣泛地適應(yīng)各類隧道工程的施工要求。

7 結(jié)語

隧道掘進機智能化發(fā)展著重實現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境進行智能感知，建立隧道掘進機狀況評價體系，并實現(xiàn)智能決策與智能執(zhí)行，以及通過多模式、多功能組合突破地質(zhì)水文和工況條件限制等。國內(nèi)及“一帶一路”沿線國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場的巨大需求、行業(yè)的技術(shù)發(fā)展極大地推動著隧道掘進機智能化和適應(yīng)性技術(shù)的進步。隧道掘進機的智能化發(fā)展和推廣必將進一步推動隧道建造技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。