科技创新助推城轨交通盾构施工本质安全水平提升

文：济南轨道交通集团有限公司

为实现轨道交通行业科学发展、安全发展，济南轨道交通集团有限公司以科技创新为引领，聚焦“工业互联网+安全生产”新技术新模式新业态，聚焦设计安全、生产安全等关键环节，通过科技创新，加速信息技术在产品上的创新应用，推动生产装备工业基础能力迭代优化，提升盾构装备本质安全水平，从源头上防范化解重大安全风险。

2019年，济南轨道交通集团有限公司与山东大学、山东交通学院、中铁十四局集团有限公司合作，承担了山东省重大科技创新工程项目——超大断面隧道智能一体化盾构机关键技术与装备产业化（图1）。项目针对超大直径盾构设计制造关键技术及安全控制难题，开展关键部件设计制造与安全运行智能控制研究，重点突破四项超大直径盾构核心部件设计和制造关键技术（主轴承等效寿命分析方法、超大异形分块-联接制造和形位尺寸检测技术、超厚板焊接成型与保证技术、人工-自动双模安全运行智能控制技术），重点研发快速常压换刀和管片智能精准拼装关键装备，重点研究盾构施工人机协同控制系统及其集成搭载技术，最终形成超大断面隧道智能一体化盾构机关键技术体系，实现装备产业化。通过项目的实施，推动以机械化作业替换人工作业、以自动化生产减少作业人员、以智能化管控实现无人伤亡，促使盾构施工向安全化、高端化、智能化、绿色化发展。

图1 超大断面隧道智能一体化盾构机—济重号盾构机

一、国内外盾构施工研究现状

1.超大直径盾构动态交互模型方面。

开挖面稳定性作为盾构隧道施工关键问题之一，随着盾构隧道技术的发展和计算机技术的进步，盾构施工开挖面稳定性的研究越来越受到关注。新手段的出现有助于从不同的角度对开挖面稳定性进行分析，研究热点也一直聚焦在开挖面失稳模式及机理、极限支护压力的确定以及盾构机与土体的相互作用等三个方面。目前，针对滚刀破岩受力模型的研究较多，多将破岩模型中的计算面积简化为两条抛物线围成面积的一半、矩形、三角形、等腰梯形等几何面积，但这些面积简化与实际情况相差较大。盾构机在硬岩地层掘进过程中，滚刀的磨损严重，开仓换刀频繁，严重影响施工进程和施工安全。目前，对滚刀磨损程度评估的研究成果较少，对滚刀磨损状况的判断主要凭经验。由于滚刀磨损情况非常复杂，影响磨损的因素较多，虽然已经有学者将新的数学理论和人工智能技术应用于滚刀的磨损检测，但目前大多数情况下，还是依靠经验或者停机进仓检查来判断刀具的磨损情况。

2.高水压盾构主轴及盾尾密封方面。

目前许多学者对于盾构主轴密封圈建立的研究还停留在静荷载下二维模型的密封圈受力变形的分析，而忽略了实际主轴-密封相互作用的复杂性。盾构法是隧道施工中一种先进的施工方法，而盾构同步注浆是地下隧道盾构施工过程中的一种壁后注浆工法，它以注浆泵的泵压作用为载体，在盾尾的管片环外间隙中灌入水泥砂浆。

3.盾构机参数与地层、风险适应性研究方面。

由于盾构掘进参数与地质、隧道结构受力变形之间的关联性较为复杂，通过数值仿真的方法建模工作量巨大，且需要的工况较多；采用理论的解答也难以考虑多个参数之间的耦合关系，因此对盾构参数合理优化的研究大多基于对于已有的大量实测数据的回归分析、BP神经网络、数据关联挖掘等方法，通过分析盾构掘进参数（盾构推力、油缸行程差、刀盘转速、贯入度等）、地质条件等因素对隧道的沉降、掘进速度、刀盘扭矩、隧道轴线偏差的影响规律。前述研究分析了地层参数与盾构机参数的关系，或者地表沉降与盾构机参数的关系，但尚无地层、风险、盾构三者相互耦合的分析预测模型，有必要开展相关研究。

4.盾构机运行风险与故障诊断研究方面。

当前已经有学者开展隧道工程风险管理的研究，并且也开始将风险管理用于实际工程的实施中，但是目前的隧道工程风险管理还存在较多不足，管理水平低，管理不规范，缺少相关的管理经验。隧道工程在实际开发中存在很多的不确定因素，周围环境将对隧道工程开发质量、开发过程、开发成本产生很大的影响，技术风险、环境风险、经济风险大，当前有关隧道工程的风险管理缺少合理的开发模型、管理模式以及风险评估方法等，无法为隧道工程的开发提供有意义的建议。近些年由于计算机软硬件的技术水平不断提升，人工智能技术也得到了良好的发展，人工智能技术也开始在故障诊断领域崭露头角，因此进行基于故障模型演变的盾构施工动态风险管控、预警及故障诊断十分必要。

5．盾构机智能控制策略研究方面。

过去盾构控制测量主要是采用常规的三角测量和几何水准测量方法，近年来随着电子学、激光技术和电子计算基数等方面的迅速发展，使常规测量增加了不少新的仪器设备和方法，如自动化精密测角仪器、新型精密水准仪、各种高精度的电磁波测距仪和用于测量计算的各种电子计算机等。此外，还出现了许多确定地面空间点位的新方法，如卫星定位系统、惯性定位系统等，使得盾构机的姿态控制与轨迹规划控制等均取得了很大进展。

6.关键零部件的设计与制造方面。

盾构机的配套设备要求很高。但是国内盾构机配套设备生产技术相对落后，许多关键设备还无法完成自主研发设计，影响盾构机的国产化进程。刀盘刀具设计技术是盾构机的核心技术，减少刀具磨损需要考虑很多方面，包括刀具本身的材质、刀具结构形式、刀具切削的外部条件等，我国现有盾构机在这方面还缺乏研究，对刀具磨损过程认识不足，对刀具、刀盘的岩土适应性设计方面缺少完整的理论依据、系统的经验数据和可靠的实验装备，在刀具的可靠性和寿命方面存在一定的差距。超大盾构所用部件大多为超大重型结构，为保证整体结构强度和安装运输要求，在其分块设计和制造技术方面仍需加强。

7.超大盾构智能化控制研究方面。

目前对于盾构施工大数据的利用主要以远程监控为目的，关注数据的传输、呈现与存储方式，受限于建模难度，大数据并未与控制系统相融合。近年来迅速发展的人工智能技术为大数据与工业控制的有机融合提供了可能性，通过深度学习技术对海量数据样本的训练，可对机体控制和风险管理提供极有价值的方法。受国内基建热潮的牵引与影响，国内在此领域研究水平完全不逊色于国外。预计未来数年内，国内的盾构智能化在理论、信息、算法与逻辑层面的研究水平将远超国外。

8.超大盾构管片自动拼装技术方面。

我国在管片拼装技术与装备方面开展了较多的研究工作，申请了一定数量的专利，但多停留在构思阶段，未能用于实际产品开发，特别是管片异型连接螺栓装配机器人尚处于空白状态。未来的发展趋势是综合利用激光、图像、传感检测、多模态融合、机器人和伺服控制技术等开发智能化超大管片拼装机，以及与之配套的异型连接螺栓装配装备，进一步提高管片拼装装备的自动化水平和装备研发制造能力，增强我国在盾构机领域的国际竞争力。

二、智能一体化盾构机科技创新项目创新点

1.理论创新。

系统研究盾构-土岩-隧洞结构动态作用机理，构建盾构-土岩动态交互作用模型、水力-机械两相流动力学模型、同步注浆流固耦合模型，提出主轴承等效寿命分析方法，形成超大直径盾构关键设计理论。

2.技术创新。

提出超大异形分块-联接制造工艺和形位尺寸检测方法，建立盾构作业状态预测与控制优化算法，形成盾构机动态密封和施工协同控制技术，开发盾构施工人工-自动双模智能控制系统，实现盾构掘进的智能柔顺控制。

3.装备创新。

研制盾构狭小封闭空间自动换刀装置，实现快速常压换刀。开发隧道-管片三维实时建模的机器视觉-激光-超声波摄影测量系统，研发重载智能管片拼装机器人和异形连接螺栓装配机械臂，实现超大盾构管片智能拼装。

4.应用创新。

建立超大直径盾构机高端装备与智能软件集成技术体系，建设盾构施工人机协同控制示范平台（图2），推动先进轨道交通高端建设装备产业化应用。

图2 盾构机搭载辅助决策支持平台

三、主要科技创新成果

1.攻克3项关键科学技术难题

一是揭示了超大直径盾构-土岩-隧道的动态交互作用机理，破解盾构机关键零部件设计与制造工艺难题；二是研究拼装机器人关节摩擦阻尼和液压驱动柔性参数估计方法，解决机器人刚柔耦合柔顺控制难题；三是构建盾构机运行状态感知与预测模型，提出人工-自动双模式智能控制方法。

2.形成7项重要成果

一是提出超大直径盾构关键部件设计理论，适应高水压和软硬不均地层，使盾构机研发制造能力由6米级直径提升到15米级；二是研制快速常压换刀装置；三是形成100毫米级超厚板构件多分块、焊接、装配制造技术和形位检测技术；四是实现长距离隧道（5公里）掘进主驱动关键装置设计制造；五是研制基于施工参数的人工-自动双模式智能控制系统；六是研发管片智能拼装机器人；七是研发异形连接螺栓装配机械臂。

3.创新成果的运用及意义

一是本次科技创新项目研究成果可在城市轨道交通、穿江越海等工程项目中应用，为山东省乃至国家超大直径盾构安全高效掘进与风险规避起到重要的促进和引领作用。项目的实施可带动围绕超大直径盾构形成的上下游产业链条稳步发展，具有显著的行业促进作用。

二是前期成果已经在济南轨道交通R1、R2、R3线；福州轨道交通4号线、北京轨道交通19号线、南京长江隧道工程、南京地铁10号线过江隧道工程、扬州瘦西湖隧道工程、兰州地铁穿黄河工程、武汉地铁8号线长江隧道工程、芜湖城南过江隧道工程、长沙轨道交通3号线穿湘江隧道工程、济南市济泺路穿黄隧道工程等国家重大重点工程中得到了成功验证与应用，为本项目核心技术的应用示范奠定了良好基础。

三是本次科技创新项目研究对推动盾构安全高效掘进与风险规避具有重要意义，将有效提升山东省乃至全国城市轨道交通工程装备和安全建设的整体技术水平，显著促进重大工程安全建设和防灾减灾技术水平的进步与跨域，推动超大直径智能盾构机在重大工程建设中的普及与应用，提高掘进机相关产业的核心竞争力和国际影响力。本次科技创新研究成果对掘进机行业的产业升级、技术提升具有十分积极的作用，其关键技术和装备具备广阔的产业化前景，将产生显著的社会和经济效益。