全智能三臂鑿巖臺車全面推動隧道施工機械化

富凡芮 李曼

“要致富，先修路。”道路運輸的暢通，影響著中國經濟的發展。在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中提出，完善現代綜合交通運輸體系，構建布局合理、設施配套、功能完備、安全高效的現代城市基礎設施體系。

近年來，我國在高鐵和高速公路建設上緊跟政策的步伐，大力發展現代交通綜合運輸體系。然而，隧道挖掘普遍采用人工操作風鉆鑿巖機進行施工和人工測量隧道周邊輪廓及爆破孔位置，存在施工人員勞動強度高、施工效率低、安全隱患大、施工質量差等問題。為解決這一系列難題，中國鐵建重工集團股份有限公司研發的ZYS113全智能型鑿巖臺車的開發順應了大量隧道施工的需要，打破了國外壟斷，全面推進了隧道機械化挖掘速度。

中國鐵建重工集團股份有限公司（以下簡稱“鐵建重工”）成立于2007年，是專注于隧道施工智能裝備、高端軌道設備裝備的研究、設計、制造、服務于一體的專業化大型企業。

面對高難度的隧道地質開掘狀況及迫切的隧道開挖需求，特別是面向如川藏鐵路高地溫差、多巖爆、多發泥石涌水等惡劣地質下的一批國家重大工程的建設項目，傳統的施工裝備已無法滿足施工需要。而此前先進鑿巖臺車設計制造技術被少數國家壟斷，我國尚處于一片空白。為此，鐵建重工經過長期的技術攻關，終于在2016年3月研制出ZYS113全智能型三臂鑿巖臺車。

ZYS113全智能三臂鑿巖臺車集數據采集存儲傳輸、行走、定位和鉆孔作業等多項技能于一體。在研發過程中，鐵建重工設計人員專門針對鑿巖臺車精準化施工要求，開發出一套新型隧道數字化設計技術，基于大量施工經驗數據，研究孔位布置對掌子面巖石破碎影響規律，提出了最優孔位布置方法與孔序路線規劃策略;開發出隧道設計靜態數據與施工現場實測的動態數據管理系統，建立起隧道結構信息數字化模型，實現了隧道坐標系內任意空間坐標與對應里程的相互轉換，形成了隧道設計的相關參數，包括里程、中樁坐標、隧道軸線、各施工階段斷面輪廓、炮眼設計位置等關鍵要素參數化管理方法，以滿足鑿巖臺車定位需求，并依靠網絡傳輸模式，能夠將隧道設計參數標準化后，上傳至鑿巖臺車控制系統，形成隧道設計參數的數字化建模與管理，從而大幅度提升了鑿巖臺車定位和作業準確性。

該智能鑿巖臺車擁有的臺車隧道坐標智能定位技術，能夠通過建立臺車本地坐標系及標定方法，結合數字化隧道建模系統和對隧道內已知點的實際測量結果，通過三角測量算法，獲得掃描儀和隧道之間的數據轉換，再通過誤差補償與定位進度修正達到本車準確定位。該設備具有根據體征描述方法以及研究掌子面定位噪音干擾方式，建立起掌子面擬合模型;研究臺車鑿巖時與掌子面的最優匹配關系，通過臺車與掌子面的相對運動控制算法，結合三維掃描定位技術和隧道坐標系的動態表征方法，最終實現臺車在作業中實時智能定位功能。

大多數的鑿巖臺車臂架長、關節多、自身重量大，易發生柔性變形，且在加工與裝配時極易引起尺寸誤差。為解決這些問題，智能鑿巖臺車擁有的大慣量柔性臂架高精度定位技術，通過定位誤差補償，從根本上解決了臂架運動學模型難以滿足臂架定位精度問題;運用機器人運動學建模方法，建立了鑿巖臺車臂架正向運動學模型;又結合臂架結構有限元分析和高精度測量識別技術，建立了臂架的柔性變形誤差變化規律模型;結合臂架運動學標定模型，開發出了一套基于柔性誤差補償的大慣量臂架運動學參數標定系統，真正實現了臂架運動學參數最優匹配，滿足了臂架運動學誤差補償，滿足了鉆孔定位精度的要求。

面對鉆孔過程中出現的卡鉆和空打等常見問題，設計人員為實現臺車領孔、低沖、高沖、停止、回退、卡鉆、沖洗等動作，開發出自適應鉆孔技術，通過鉆孔實驗研究，獲得不同地質下推進速度、推進壓力、沖擊壓力等鉆孔工作參數對鉆孔效率的影響規律;同時針對不同鉆孔階段與鉆孔時發生的卡鉆、空打問題，研究出鉆孔參數最優控制方案。新方案不僅提高了鉆孔的工作效率，還降低了操作人員數量，其最快掘進速度可達每分鐘3至5米，比傳統人工鉆孔效率提高2至3倍，原有的20人同時作業縮減至1至2人。

由于我國隧道地形特征多樣化，隧道開挖極易出現超欠挖等問題，鐵建重工專門開發出3D輪廓掃描及重建技術。通過三維掃描，獲取隧道輪廓的三維點云數據;再經三維點云數據的拼接、分割、切片處理算法和干擾數據自識別算法，開發出了三維輪廓重建自動處理軟件，據此精確計算出隧道超欠挖等數據，形成一套炮眼位置布置評價體系，提出炮眼最優化布置方法，從而實現掃描輪廓與設計輪廓的超欠挖對比，確保臺車穩定、可靠的施工效率。

鐵建重工研發的遠程操控技術解決了隧道掘進距離過長、干擾因素多、環境復雜等諸多施工安全問題，突破了信號采集、傳輸、控制效率低穩定性差等難題，通過采用信息融合技術，獲取現場狀態的最優估算值，為決策與操作提供特征值和依據;并通過分析影響數據傳輸實時性因素，研究提高數據精度、遠程圖像視野、降低信噪比等各個方案的實施效果，提出了最優硬件設備配置方案;研究適應隧道工況特點的大容量數據可靠傳輸和交互網絡方案，分析對比不同通信方式和傳輸交互數據格式在遠程操控系統中的效率，為確保系統工作穩定性和安全可靠性，實現鑿巖臺車故障預警，并為遠程脫困操作做出決策。

好的技術也要有好的管理。妥善做好鑿巖臺車信息化管理是工人施工安全的后方保障。研究智能化安全管理技術以計算機技術、網絡技術、電氣控制技術及傳感器技術為硬件基礎，形成了一套集設備監控、塌方監控、粉塵監控、火災監控、視頻監控、安全防范及電話通信系統為一體的可視化綜合監控系統，并形成包括傳感器信息管理、故障報警信息管理、日志記錄等數據管理平臺，將隧道施工數據自動上傳;最終將各個項目采集到的檢測數據，通過互聯網上傳到云端服務器，建立起大數據專家評估系統，實現了總體施工安全信息智能化評估、隧道施工智能化安全管理體系。

全智能鑿巖臺車配置全封閉式帶空調駕駛室，操作人員距離掌子面5米之遠。駕駛室剛度好，具備防傾覆、防砸功能，大幅降低了隧道事故發生造成的人員傷害;駕駛室內噪音低于78dB，粉塵低，可明顯提升操作人員的作業環境，減少職業病發生。

ZYS113全智能三臂鑿巖臺車研發成功后，率先在宜興鐵路、川藏鐵路等工程開展了示范應用，使施工速度得到了極大提升。該設備自投入市場以來，以優良的工作性能，加上極具競爭力的價格和高品質售后服務，得到了國內客戶的高度認可，實現了技術和產品的快速產業化推廣。

目前，全智能三臂鑿巖臺車占據國內90%的市場份額，近三年累計銷售100余臺，銷售金額高達10余億元，不僅為公司帶來了的效益，也為我國交通建設降低了成本。全智能三臂鑿巖臺車不僅以全新的技術推動了我國基礎設施建設的步伐，還填補了我國工程機械行業在隧道工程施工裝備領域的空白，帶動了一批其它隧道機械化設備的進步。