科技創新助推城軌交通盾構施工本質安全水平提升

文：濟南軌道交通集團有限公司

為實現軌道交通行業科學發展、安全發展，濟南軌道交通集團有限公司以科技創新為引領，聚焦“工業互聯網+安全生產”新技術新模式新業態，聚焦設計安全、生產安全等關鍵環節，通過科技創新，加速信息技術在產品上的創新應用，推動生產裝備工業基礎能力迭代優化，提升盾構裝備本質安全水平，從源頭上防范化解重大安全風險。

2019年，濟南軌道交通集團有限公司與山東大學、山東交通學院、中鐵十四局集團有限公司合作，承擔了山東省重大科技創新工程項目——超大斷面隧道智能一體化盾構機關鍵技術與裝備產業化（圖1）。項目針對超大直徑盾構設計制造關鍵技術及安全控制難題，開展關鍵部件設計制造與安全運行智能控制研究，重點突破四項超大直徑盾構核心部件設計和制造關鍵技術（主軸承等效壽命分析方法、超大異形分塊-聯接制造和形位尺寸檢測技術、超厚板焊接成型與保證技術、人工-自動雙模安全運行智能控制技術），重點研發快速常壓換刀和管片智能精準拼裝關鍵裝備，重點研究盾構施工人機協同控制系統及其集成搭載技術，最終形成超大斷面隧道智能一體化盾構機關鍵技術體系，實現裝備產業化。通過項目的實施，推動以機械化作業替換人工作業、以自動化生產減少作業人員、以智能化管控實現無人傷亡，促使盾構施工向安全化、高端化、智能化、綠色化發展。

圖1 超大斷面隧道智能一體化盾構機—濟重號盾構機

一、國內外盾構施工研究現狀

1.超大直徑盾構動態交互模型方面。

開挖面穩定性作為盾構隧道施工關鍵問題之一，隨著盾構隧道技術的發展和計算機技術的進步，盾構施工開挖面穩定性的研究越來越受到關注。新手段的出現有助于從不同的角度對開挖面穩定性進行分析，研究熱點也一直聚焦在開挖面失穩模式及機理、極限支護壓力的確定以及盾構機與土體的相互作用等三個方面。目前，針對滾刀破巖受力模型的研究較多，多將破巖模型中的計算面積簡化為兩條拋物線圍成面積的一半、矩形、三角形、等腰梯形等幾何面積，但這些面積簡化與實際情況相差較大。盾構機在硬巖地層掘進過程中，滾刀的磨損嚴重，開倉換刀頻繁，嚴重影響施工進程和施工安全。目前，對滾刀磨損程度評估的研究成果較少，對滾刀磨損狀況的判斷主要憑經驗。由于滾刀磨損情況非常復雜，影響磨損的因素較多，雖然已經有學者將新的數學理論和人工智能技術應用于滾刀的磨損檢測，但目前大多數情況下，還是依靠經驗或者停機進倉檢查來判斷刀具的磨損情況。

2.高水壓盾構主軸及盾尾密封方面。

目前許多學者對于盾構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，而忽略了實際主軸-密封相互作用的復雜性。盾構法是隧道施工中一種先進的施工方法，而盾構同步注漿是地下隧道盾構施工過程中的一種壁后注漿工法，它以注漿泵的泵壓作用為載體，在盾尾的管片環外間隙中灌入水泥砂漿。

3.盾構機參數與地層、風險適應性研究方面。

由于盾構掘進參數與地質、隧道結構受力變形之間的關聯性較為復雜，通過數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參數之間的耦合關系，因此對盾構參數合理優化的研究大多基于對于已有的大量實測數據的回歸分析、BP神經網絡、數據關聯挖掘等方法，通過分析盾構掘進參數（盾構推力、油缸行程差、刀盤轉速、貫入度等）、地質條件等因素對隧道的沉降、掘進速度、刀盤扭矩、隧道軸線偏差的影響規律。前述研究分析了地層參數與盾構機參數的關系，或者地表沉降與盾構機參數的關系，但尚無地層、風險、盾構三者相互耦合的分析預測模型，有必要開展相關研究。

4.盾構機運行風險與故障診斷研究方面。

當前已經有學者開展隧道工程風險管理的研究，并且也開始將風險管理用于實際工程的實施中，但是目前的隧道工程風險管理還存在較多不足，管理水平低，管理不規范，缺少相關的管理經驗。隧道工程在實際開發中存在很多的不確定因素，周圍環境將對隧道工程開發質量、開發過程、開發成本產生很大的影響，技術風險、環境風險、經濟風險大，當前有關隧道工程的風險管理缺少合理的開發模型、管理模式以及風險評估方法等，無法為隧道工程的開發提供有意義的建議。近些年由于計算機軟硬件的技術水平不斷提升，人工智能技術也得到了良好的發展，人工智能技術也開始在故障診斷領域嶄露頭角，因此進行基于故障模型演變的盾構施工動態風險管控、預警及故障診斷十分必要。

5．盾構機智能控制策略研究方面。

過去盾構控制測量主要是采用常規的三角測量和幾何水準測量方法，近年來隨著電子學、激光技術和電子計算基數等方面的迅速發展，使常規測量增加了不少新的儀器設備和方法，如自動化精密測角儀器、新型精密水準儀、各種高精度的電磁波測距儀和用于測量計算的各種電子計算機等。此外，還出現了許多確定地面空間點位的新方法，如衛星定位系統、慣性定位系統等，使得盾構機的姿態控制與軌跡規劃控制等均取得了很大進展。

6.關鍵零部件的設計與制造方面。

盾構機的配套設備要求很高。但是國內盾構機配套設備生產技術相對落后，許多關鍵設備還無法完成自主研發設計，影響盾構機的國產化進程。刀盤刀具設計技術是盾構機的核心技術，減少刀具磨損需要考慮很多方面，包括刀具本身的材質、刀具結構形式、刀具切削的外部條件等，我國現有盾構機在這方面還缺乏研究，對刀具磨損過程認識不足，對刀具、刀盤的巖土適應性設計方面缺少完整的理論依據、系統的經驗數據和可靠的實驗裝備，在刀具的可靠性和壽命方面存在一定的差距。超大盾構所用部件大多為超大重型結構，為保證整體結構強度和安裝運輸要求，在其分塊設計和制造技術方面仍需加強。

7.超大盾構智能化控制研究方面。

目前對于盾構施工大數據的利用主要以遠程監控為目的，關注數據的傳輸、呈現與存儲方式，受限于建模難度，大數據并未與控制系統相融合。近年來迅速發展的人工智能技術為大數據與工業控制的有機融合提供了可能性，通過深度學習技術對海量數據樣本的訓練，可對機體控制和風險管理提供極有價值的方法。受國內基建熱潮的牽引與影響，國內在此領域研究水平完全不遜色于國外。預計未來數年內，國內的盾構智能化在理論、信息、算法與邏輯層面的研究水平將遠超國外。

8.超大盾構管片自動拼裝技術方面。

我國在管片拼裝技術與裝備方面開展了較多的研究工作，申請了一定數量的專利，但多停留在構思階段，未能用于實際產品開發，特別是管片異型連接螺栓裝配機器人尚處于空白狀態。未來的發展趨勢是綜合利用激光、圖像、傳感檢測、多模態融合、機器人和伺服控制技術等開發智能化超大管片拼裝機，以及與之配套的異型連接螺栓裝配裝備，進一步提高管片拼裝裝備的自動化水平和裝備研發制造能力，增強我國在盾構機領域的國際競爭力。

二、智能一體化盾構機科技創新項目創新點

1.理論創新。

系統研究盾構-土巖-隧洞結構動態作用機理，構建盾構-土巖動態交互作用模型、水力-機械兩相流動力學模型、同步注漿流固耦合模型，提出主軸承等效壽命分析方法，形成超大直徑盾構關鍵設計理論。

2.技術創新。

提出超大異形分塊-聯接制造工藝和形位尺寸檢測方法，建立盾構作業狀態預測與控制優化算法，形成盾構機動態密封和施工協同控制技術，開發盾構施工人工-自動雙模智能控制系統，實現盾構掘進的智能柔順控制。

3.裝備創新。

研制盾構狹小封閉空間自動換刀裝置，實現快速常壓換刀。開發隧道-管片三維實時建模的機器視覺-激光-超聲波攝影測量系統，研發重載智能管片拼裝機器人和異形連接螺栓裝配機械臂，實現超大盾構管片智能拼裝。

4.應用創新。

建立超大直徑盾構機高端裝備與智能軟件集成技術體系，建設盾構施工人機協同控制示范平臺（圖2），推動先進軌道交通高端建設裝備產業化應用。

圖2 盾構機搭載輔助決策支持平臺

三、主要科技創新成果

1.攻克3項關鍵科學技術難題

一是揭示了超大直徑盾構-土巖-隧道的動態交互作用機理，破解盾構機關鍵零部件設計與制造工藝難題；二是研究拼裝機器人關節摩擦阻尼和液壓驅動柔性參數估計方法，解決機器人剛柔耦合柔順控制難題；三是構建盾構機運行狀態感知與預測模型，提出人工-自動雙模式智能控制方法。

2.形成7項重要成果

一是提出超大直徑盾構關鍵部件設計理論，適應高水壓和軟硬不均地層，使盾構機研發制造能力由6米級直徑提升到15米級；二是研制快速常壓換刀裝置；三是形成100毫米級超厚板構件多分塊、焊接、裝配制造技術和形位檢測技術；四是實現長距離隧道（5公里）掘進主驅動關鍵裝置設計制造；五是研制基于施工參數的人工-自動雙模式智能控制系統；六是研發管片智能拼裝機器人；七是研發異形連接螺栓裝配機械臂。

3.創新成果的運用及意義

一是本次科技創新項目研究成果可在城市軌道交通、穿江越海等工程項目中應用，為山東省乃至國家超大直徑盾構安全高效掘進與風險規避起到重要的促進和引領作用。項目的實施可帶動圍繞超大直徑盾構形成的上下游產業鏈條穩步發展，具有顯著的行業促進作用。

二是前期成果已經在濟南軌道交通R1、R2、R3線；福州軌道交通4號線、北京軌道交通19號線、南京長江隧道工程、南京地鐵10號線過江隧道工程、揚州瘦西湖隧道工程、蘭州地鐵穿黃河工程、武漢地鐵8號線長江隧道工程、蕪湖城南過江隧道工程、長沙軌道交通3號線穿湘江隧道工程、濟南市濟濼路穿黃隧道工程等國家重大重點工程中得到了成功驗證與應用，為本項目核心技術的應用示范奠定了良好基礎。

三是本次科技創新項目研究對推動盾構安全高效掘進與風險規避具有重要意義，將有效提升山東省乃至全國城市軌道交通工程裝備和安全建設的整體技術水平，顯著促進重大工程安全建設和防災減災技術水平的進步與跨域，推動超大直徑智能盾構機在重大工程建設中的普及與應用，提高掘進機相關產業的核心競爭力和國際影響力。本次科技創新研究成果對掘進機行業的產業升級、技術提升具有十分積極的作用，其關鍵技術和裝備具備廣闊的產業化前景，將產生顯著的社會和經濟效益。