文：濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司

為實(shí)現(xiàn)軌道交通行業(yè)科學(xué)發(fā)展、安全發(fā)展，濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)，聚焦“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”新技術(shù)新模式新業(yè)態(tài)，聚焦設(shè)計(jì)安全、生產(chǎn)安全等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)科技創(chuàng)新，加速信息技術(shù)在產(chǎn)品上的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)生產(chǎn)裝備工業(yè)基礎(chǔ)能力迭代優(yōu)化，提升盾構(gòu)裝備本質(zhì)安全水平，從源頭上防范化解重大安全風(fēng)險(xiǎn)。

2019年，濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司與山東大學(xué)、山東交通學(xué)院、中鐵十四局集團(tuán)有限公司合作，承擔(dān)了山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目——超大斷面隧道智能一體化盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備產(chǎn)業(yè)化（圖1）。項(xiàng)目針對(duì)超大直徑盾構(gòu)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及安全控制難題，開(kāi)展關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造與安全運(yùn)行智能控制研究，重點(diǎn)突破四項(xiàng)超大直徑盾構(gòu)核心部件設(shè)計(jì)和制造關(guān)鍵技術(shù)（主軸承等效壽命分析方法、超大異形分塊-聯(lián)接制造和形位尺寸檢測(cè)技術(shù)、超厚板焊接成型與保證技術(shù)、人工-自動(dòng)雙模安全運(yùn)行智能控制技術(shù)），重點(diǎn)研發(fā)快速常壓換刀和管片智能精準(zhǔn)拼裝關(guān)鍵裝備，重點(diǎn)研究盾構(gòu)施工人機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)及其集成搭載技術(shù)，最終形成超大斷面隧道智能一體化盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)裝備產(chǎn)業(yè)化。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，推動(dòng)以機(jī)械化作業(yè)替換人工作業(yè)、以自動(dòng)化生產(chǎn)減少作業(yè)人員、以智能化管控實(shí)現(xiàn)無(wú)人傷亡，促使盾構(gòu)施工向安全化、高端化、智能化、綠色化發(fā)展。

圖1 超大斷面隧道智能一體化盾構(gòu)機(jī)—濟(jì)重號(hào)盾構(gòu)機(jī)

一、國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)施工研究現(xiàn)狀

1.超大直徑盾構(gòu)動(dòng)態(tài)交互模型方面。

開(kāi)挖面穩(wěn)定性作為盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵問(wèn)題之一，隨著盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，盾構(gòu)施工開(kāi)挖面穩(wěn)定性的研究越來(lái)越受到關(guān)注。新手段的出現(xiàn)有助于從不同的角度對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究熱點(diǎn)也一直聚焦在開(kāi)挖面失穩(wěn)模式及機(jī)理、極限支護(hù)壓力的確定以及盾構(gòu)機(jī)與土體的相互作用等三個(gè)方面。目前，針對(duì)滾刀破巖受力模型的研究較多，多將破巖模型中的計(jì)算面積簡(jiǎn)化為兩條拋物線(xiàn)圍成面積的一半、矩形、三角形、等腰梯形等幾何面積，但這些面積簡(jiǎn)化與實(shí)際情況相差較大。盾構(gòu)機(jī)在硬巖地層掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀的磨損嚴(yán)重，開(kāi)倉(cāng)換刀頻繁，嚴(yán)重影響施工進(jìn)程和施工安全。目前，對(duì)滾刀磨損程度評(píng)估的研究成果較少，對(duì)滾刀磨損狀況的判斷主要憑經(jīng)驗(yàn)。由于滾刀磨損情況非常復(fù)雜，影響磨損的因素較多，雖然已經(jīng)有學(xué)者將新的數(shù)學(xué)理論和人工智能技術(shù)應(yīng)用于滾刀的磨損檢測(cè)，但目前大多數(shù)情況下，還是依靠經(jīng)驗(yàn)或者停機(jī)進(jìn)倉(cāng)檢查來(lái)判斷刀具的磨損情況。

2.高水壓盾構(gòu)主軸及盾尾密封方面。

目前許多學(xué)者對(duì)于盾構(gòu)主軸密封圈建立的研究還停留在靜荷載下二維模型的密封圈受力變形的分析，而忽略了實(shí)際主軸-密封相互作用的復(fù)雜性。盾構(gòu)法是隧道施工中一種先進(jìn)的施工方法，而盾構(gòu)同步注漿是地下隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中的一種壁后注漿工法，它以注漿泵的泵壓作用為載體，在盾尾的管片環(huán)外間隙中灌入水泥砂漿。

3.盾構(gòu)機(jī)參數(shù)與地層、風(fēng)險(xiǎn)適應(yīng)性研究方面。

由于盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地質(zhì)、隧道結(jié)構(gòu)受力變形之間的關(guān)聯(lián)性較為復(fù)雜，通過(guò)數(shù)值仿真的方法建模工作量巨大，且需要的工況較多；采用理論的解答也難以考慮多個(gè)參數(shù)之間的耦合關(guān)系，因此對(duì)盾構(gòu)參數(shù)合理優(yōu)化的研究大多基于對(duì)于已有的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)挖掘等方法，通過(guò)分析盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)（盾構(gòu)推力、油缸行程差、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度等）、地質(zhì)條件等因素對(duì)隧道的沉降、掘進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩、隧道軸線(xiàn)偏差的影響規(guī)律。前述研究分析了地層參數(shù)與盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的關(guān)系，或者地表沉降與盾構(gòu)機(jī)參數(shù)的關(guān)系，但尚無(wú)地層、風(fēng)險(xiǎn)、盾構(gòu)三者相互耦合的分析預(yù)測(cè)模型，有必要開(kāi)展相關(guān)研究。

4.盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與故障診斷研究方面。

當(dāng)前已經(jīng)有學(xué)者開(kāi)展隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理的研究，并且也開(kāi)始將風(fēng)險(xiǎn)管理用于實(shí)際工程的實(shí)施中，但是目前的隧道工程風(fēng)險(xiǎn)管理還存在較多不足，管理水平低，管理不規(guī)范，缺少相關(guān)的管理經(jīng)驗(yàn)。隧道工程在實(shí)際開(kāi)發(fā)中存在很多的不確定因素，周?chē)h(huán)境將對(duì)隧道工程開(kāi)發(fā)質(zhì)量、開(kāi)發(fā)過(guò)程、開(kāi)發(fā)成本產(chǎn)生很大的影響，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)大，當(dāng)前有關(guān)隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)管理缺少合理的開(kāi)發(fā)模型、管理模式以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法等，無(wú)法為隧道工程的開(kāi)發(fā)提供有意義的建議。近些年由于計(jì)算機(jī)軟硬件的技術(shù)水平不斷提升，人工智能技術(shù)也得到了良好的發(fā)展，人工智能技術(shù)也開(kāi)始在故障診斷領(lǐng)域嶄露頭角，因此進(jìn)行基于故障模型演變的盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控、預(yù)警及故障診斷十分必要。

5．盾構(gòu)機(jī)智能控制策略研究方面。

過(guò)去盾構(gòu)控制測(cè)量主要是采用常規(guī)的三角測(cè)量和幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法，近年來(lái)隨著電子學(xué)、激光技術(shù)和電子計(jì)算基數(shù)等方面的迅速發(fā)展，使常規(guī)測(cè)量增加了不少新的儀器設(shè)備和方法，如自動(dòng)化精密測(cè)角儀器、新型精密水準(zhǔn)儀、各種高精度的電磁波測(cè)距儀和用于測(cè)量計(jì)算的各種電子計(jì)算機(jī)等。此外，還出現(xiàn)了許多確定地面空間點(diǎn)位的新方法，如衛(wèi)星定位系統(tǒng)、慣性定位系統(tǒng)等，使得盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制與軌跡規(guī)劃控制等均取得了很大進(jìn)展。

6.關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與制造方面。

盾構(gòu)機(jī)的配套設(shè)備要求很高。但是國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)配套設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，許多關(guān)鍵設(shè)備還無(wú)法完成自主研發(fā)設(shè)計(jì)，影響盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)技術(shù)是盾構(gòu)機(jī)的核心技術(shù)，減少刀具磨損需要考慮很多方面，包括刀具本身的材質(zhì)、刀具結(jié)構(gòu)形式、刀具切削的外部條件等，我國(guó)現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)在這方面還缺乏研究，對(duì)刀具磨損過(guò)程認(rèn)識(shí)不足，對(duì)刀具、刀盤(pán)的巖土適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面缺少完整的理論依據(jù)、系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和可靠的實(shí)驗(yàn)裝備，在刀具的可靠性和壽命方面存在一定的差距。超大盾構(gòu)所用部件大多為超大重型結(jié)構(gòu)，為保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安裝運(yùn)輸要求，在其分塊設(shè)計(jì)和制造技術(shù)方面仍需加強(qiáng)。

7.超大盾構(gòu)智能化控制研究方面。

目前對(duì)于盾構(gòu)施工大數(shù)據(jù)的利用主要以遠(yuǎn)程監(jiān)控為目的，關(guān)注數(shù)據(jù)的傳輸、呈現(xiàn)與存儲(chǔ)方式，受限于建模難度，大數(shù)據(jù)并未與控制系統(tǒng)相融合。近年來(lái)迅速發(fā)展的人工智能技術(shù)為大數(shù)據(jù)與工業(yè)控制的有機(jī)融合提供了可能性，通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)樣本的訓(xùn)練，可對(duì)機(jī)體控制和風(fēng)險(xiǎn)管理提供極有價(jià)值的方法。受?chē)?guó)內(nèi)基建熱潮的牽引與影響，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域研究水平完全不遜色于國(guó)外。預(yù)計(jì)未來(lái)數(shù)年內(nèi)，國(guó)內(nèi)的盾構(gòu)智能化在理論、信息、算法與邏輯層面的研究水平將遠(yuǎn)超國(guó)外。

8.超大盾構(gòu)管片自動(dòng)拼裝技術(shù)方面。

我國(guó)在管片拼裝技術(shù)與裝備方面開(kāi)展了較多的研究工作，申請(qǐng)了一定數(shù)量的專(zhuān)利，但多停留在構(gòu)思階段，未能用于實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，特別是管片異型連接螺栓裝配機(jī)器人尚處于空白狀態(tài)。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是綜合利用激光、圖像、傳感檢測(cè)、多模態(tài)融合、機(jī)器人和伺服控制技術(shù)等開(kāi)發(fā)智能化超大管片拼裝機(jī)，以及與之配套的異型連接螺栓裝配裝備，進(jìn)一步提高管片拼裝裝備的自動(dòng)化水平和裝備研發(fā)制造能力，增強(qiáng)我國(guó)在盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

二、智能一體化盾構(gòu)機(jī)科技創(chuàng)新項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

1.理論創(chuàng)新。

系統(tǒng)研究盾構(gòu)-土巖-隧洞結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)作用機(jī)理，構(gòu)建盾構(gòu)-土巖動(dòng)態(tài)交互作用模型、水力-機(jī)械兩相流動(dòng)力學(xué)模型、同步注漿流固耦合模型，提出主軸承等效壽命分析方法，形成超大直徑盾構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)理論。

2.技術(shù)創(chuàng)新。

提出超大異形分塊-聯(lián)接制造工藝和形位尺寸檢測(cè)方法，建立盾構(gòu)作業(yè)狀態(tài)預(yù)測(cè)與控制優(yōu)化算法，形成盾構(gòu)機(jī)動(dòng)態(tài)密封和施工協(xié)同控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)盾構(gòu)施工人工-自動(dòng)雙模智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)的智能柔順控制。

3.裝備創(chuàng)新。

研制盾構(gòu)狹小封閉空間自動(dòng)換刀裝置，實(shí)現(xiàn)快速常壓換刀。開(kāi)發(fā)隧道-管片三維實(shí)時(shí)建模的機(jī)器視覺(jué)-激光-超聲波攝影測(cè)量系統(tǒng)，研發(fā)重載智能管片拼裝機(jī)器人和異形連接螺栓裝配機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)超大盾構(gòu)管片智能拼裝。

4.應(yīng)用創(chuàng)新。

建立超大直徑盾構(gòu)機(jī)高端裝備與智能軟件集成技術(shù)體系，建設(shè)盾構(gòu)施工人機(jī)協(xié)同控制示范平臺(tái)（圖2），推動(dòng)先進(jìn)軌道交通高端建設(shè)裝備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

圖2 盾構(gòu)機(jī)搭載輔助決策支持平臺(tái)

三、主要科技創(chuàng)新成果

1.攻克3項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題

一是揭示了超大直徑盾構(gòu)-土巖-隧道的動(dòng)態(tài)交互作用機(jī)理，破解盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與制造工藝難題；二是研究拼裝機(jī)器人關(guān)節(jié)摩擦阻尼和液壓驅(qū)動(dòng)柔性參數(shù)估計(jì)方法，解決機(jī)器人剛?cè)狁詈先犴樋刂齐y題；三是構(gòu)建盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)感知與預(yù)測(cè)模型，提出人工-自動(dòng)雙模式智能控制方法。

2.形成7項(xiàng)重要成果

一是提出超大直徑盾構(gòu)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)理論，適應(yīng)高水壓和軟硬不均地層，使盾構(gòu)機(jī)研發(fā)制造能力由6米級(jí)直徑提升到15米級(jí)；二是研制快速常壓換刀裝置；三是形成100毫米級(jí)超厚板構(gòu)件多分塊、焊接、裝配制造技術(shù)和形位檢測(cè)技術(shù)；四是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離隧道（5公里）掘進(jìn)主驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)制造；五是研制基于施工參數(shù)的人工-自動(dòng)雙模式智能控制系統(tǒng)；六是研發(fā)管片智能拼裝機(jī)器人；七是研發(fā)異形連接螺栓裝配機(jī)械臂。

3.創(chuàng)新成果的運(yùn)用及意義

一是本次科技創(chuàng)新項(xiàng)目研究成果可在城市軌道交通、穿江越海等工程項(xiàng)目中應(yīng)用，為山東省乃至國(guó)家超大直徑盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)與風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避起到重要的促進(jìn)和引領(lǐng)作用。項(xiàng)目的實(shí)施可帶動(dòng)圍繞超大直徑盾構(gòu)形成的上下游產(chǎn)業(yè)鏈條穩(wěn)步發(fā)展，具有顯著的行業(yè)促進(jìn)作用。

二是前期成果已經(jīng)在濟(jì)南軌道交通R1、R2、R3線(xiàn)；福州軌道交通4號(hào)線(xiàn)、北京軌道交通19號(hào)線(xiàn)、南京長(zhǎng)江隧道工程、南京地鐵10號(hào)線(xiàn)過(guò)江隧道工程、揚(yáng)州瘦西湖隧道工程、蘭州地鐵穿黃河工程、武漢地鐵8號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)江隧道工程、蕪湖城南過(guò)江隧道工程、長(zhǎng)沙軌道交通3號(hào)線(xiàn)穿湘江隧道工程、濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道工程等國(guó)家重大重點(diǎn)工程中得到了成功驗(yàn)證與應(yīng)用，為本項(xiàng)目核心技術(shù)的應(yīng)用示范奠定了良好基礎(chǔ)。

三是本次科技創(chuàng)新項(xiàng)目研究對(duì)推動(dòng)盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)與風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避具有重要意義，將有效提升山東省乃至全國(guó)城市軌道交通工程裝備和安全建設(shè)的整體技術(shù)水平，顯著促進(jìn)重大工程安全建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)水平的進(jìn)步與跨域，推動(dòng)超大直徑智能盾構(gòu)機(jī)在重大工程建設(shè)中的普及與應(yīng)用，提高掘進(jìn)機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)際影響力。本次科技創(chuàng)新研究成果對(duì)掘進(jìn)機(jī)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)提升具有十分積極的作用，其關(guān)鍵技術(shù)和裝備具備廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，將產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。