打造高端智能盾构 让掘进更安全、更高效

城市轨道交通是大城市公共交通的骨干交通方式与核心基础设施。盾构法具有机械化程度高、安全高效等优点，是轨道交通建设的首选方法。然而，我国地域辽阔，水文地质条件复杂，大量城市轨道交通建设需穿越断层破碎带、岩溶发育、软硬不均等地段，隧道施工存在突涌水及盾构栽头等风险，极易诱发地表塌陷等伴生灾害，严重影响道路、建筑物和管线的正常使用，导致施工进度严重滞后，建设成本急剧增加。

目前，济南轨道交通二期建设规划项目已全面实施，施工面临泉水保护、穿越断裂带、下穿采空区、超大规模孤石群等重大难题，对盾构安全施工与灾害防控提出更高要求。为攻克建设期间面临的诸多难题，济南轨道交通集团联合山东大学，围绕盾构智慧掘进领域，共同研发了盾构掘进远程控制系统，集成了“五官一脑”高端智能系列搭载装备感知数据，全面提升了盾构机的智能感知与认知能力，通过盾构中枢的智能决策，能够大幅降低盾构施工安全风险，有效适应复杂多变的施工环境和高标准的技术要求，提升盾构装备智能化水平。

图1盾构掘进远程控制系统

紧跟时代发展，积极开拓创新

超前地质预报系统就像给盾构机安装上一双“火眼金睛”，能够“透视地层”，可识别盾构前方50-80米隐伏的溶洞、断层破碎带以及水体等不良地质情况，有效避免突水涌砂等灾害的发生。地层界面识别系统如同给盾构机安装上一双“听波聪耳”，能够“听声辨位”，科学识别盾构开挖面复合地层软硬界面分布规律与复合强度特征，指导优化盾构掘进参数，降低施工沉降风险。气体环境监测系统作为盾构机的“超级巧鼻”，能够“闻气嗅险”，高精监测16种有毒有害气体及环境参数，有效预报前方赋存有毒气体地层，超前防控人员中毒与盾体爆燃。滚刀磨损监测系统就像给盾构机嵌入了“钢牙神经”，能够“感知龋害”，电磁互感实时获取滚刀磨损状态，避免盾构机盲目开仓，为换刀决策提供了可靠依据。同步注浆检测系统作为盾构机的“号脉灵手”，能够“精准把脉”，准确识别同步注浆效果，摸清脱空、不密实等缺陷位置，指导二次补浆，保障结构壁后质量，助力地铁安全运营。辅助决策支撑系统是盾构机的“人工智脑”，能够“控险减灾”，有效融合上述五类装备获取的地质-盾构-结构多源数据，通过动态风险评价，辅助支撑盾构掘进主动决策。

图2 高端智能盾构系列搭载装备“五官一脑”

远程智能控制，让盾构掘进更安全、更高效

盾构掘进远程控制系统基于模块化设计理念，重建了传统盾构控制系统架构，融合超前地质预报、地层界面感知、滚刀磨损监测、气体环境监测、壁后注浆检测等装备感知的多源异构数据，实现了掘进参数的自适应智能决策和风险实时评估预警，成功打造了“1平台+1系统+N应用”的整体解决方案，为保障盾构施工安全，提高掘进效率提供了有效途径。

图3整体解决方案

增强自主创新能力，推进产品转化落地

在省重大科技创新工程项目支持下，济南轨道交通集团累计投入研发经费2500余万元，共授权专利、软著等知识产权30余项，形成了以盾构施工技术、智能掘进、远程控制等为主的核心专利群，研究成果列入2022年度山东省首台(套)技术装备和关键核心零部件推广应用指导目录。目前该产品技术水平成熟、性能稳定可靠，并已在济南地铁、杭州地铁应用，取得了良好的示范效果，具备推广应用条件。