盾构新技术实现管片“自动拼装” 让“大块头”拥有“大智慧”

前不久，2023年度天津市科学技术奖揭晓，由天津大学、天津求实飞博科技有限公司、中交天和机械设备制造有限公司、中交第一航务工程局有限公司共同完成的“盾构拼装机光电融合感知自动拼装关键技术及应用”项目荣获科学技术进步奖二等奖。

从新中国成立初期的“有路可走”到当下的“畅行无阻”，我国已逐渐成为当之无愧的交通大国，建成了全球最大的高速铁路网、公路网。交通项目的发展离不开隧道建设，盾构技术被广泛运用于各项隧道工程中。

天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授王双介绍，作为盾构机的重要子系统，拼装机用于隧道衬砌管片拼装，需要融合机械、液压、运动控制、检测等多种技术，其拼装性能直接关系到施工安全和隧道质量。由于多自由度拼装机的结构复杂，管片拼装精度要求严苛，因此目前管片拼装过程仍主要依靠人工，通过遥控器控制拼装机完成。

“但在人工拼装的过程中，存在拼装质量不高、拼装操作危险和施工安全隐患等问题，因此，我们决定研究开发盾构拼装机光电融合感知自动拼装关键技术及应用。”王双一口道出项目要解决的行业痛点。

“我们几家单位的合作，目标很明确，就是要做自动拼装，满足工程实际需求。”王双说。

奔着问题去，向着难处攻。“最初我们进行了大量的调研。在搜集信息时，发现超声、电磁都可以用来探测距离和位置，但是考虑到探测距离和精度的要求，以及环境适应性等因素，我们最终还是将目光转到光电上来。”在天津大学精密仪器与光电子工程学院的光电技术与光纤传感实验室里，摆满了光纤传感设备的实验样机。王双一件一件地介绍着，如数家珍。

“前期在实验室里，方案设定、器件选型、验证等工作很快就做完了。”王双说，“从0到1”的创新过程，大家觉得“挺顺利”，而“从1到N”的落地应用，即在施工现场不断调整方案的4年间，团队却感受到了前所未有的压力——“简直就是‘一波未平，一波又起’”。

王双翻看着科学技术进步奖提名书，回忆道：“有时候我们看数值觉得没问题，但现场实施效果，却存在很大偏差。大家不知道原因在哪儿，慢慢分析才发现，这就像三个变量列出三个方程，就能算出一对一的解，但面对复杂问题的时候往往就没法得到唯一解。我们只好不断修正算法，使它形成迭代，从错综复杂的关联中建立起一对一的关系。”

“好几次解不出问题，我们都觉得束手无策了。”王双笑着说，“但是从没有人说不干了，大家整理好思绪，一遍遍地讨论、研究，关关虽难过，但也关关过了。”

市场有需求，发展有要求，科研才有价值，前行才有动力。随着难题被逐个攻克，团队的信心也愈发强烈。

最终，项目提出的基于视觉—激光和结构光增强的多光电融合技术，实现了管片姿态检测和精确定位，提出的基于光纤微腔和分布式相位时域反射融合的盾构拼装机状态监测和反馈控制技术，实现了实时监测盾构拼装机液压系统在工作过程中的健康状态，以及拼装机整体振动场分布情况，进而保证了在管片姿态检测和位置精准识别的基础上，盾构拼装机液压系统能够将管片准确送至拼装位置，实现盾构管片的高质量自动拼装。

工欲善其事，必先利其器，仪器设备的进步也推动人类科技的进步。

如今，相关技术成果已在中交天和机械设备制造有限公司、中交第一航务工程局有限公司、中交(天津)轨道交通投资建设有限公司等10余家企业获得应用，在地铁、铁路、公路、市政管网、过江隧道、水电等国家重大重点工程领域的应用中实现安全可靠、快速精准的施工，促进盾构机全链条产业的升级，提高隧道施工的质量和效率，也使我国的盾构机自动拼装技术处于世界前沿。