盾構智能化施工的發展歷程和研究方向導言隨著中國經濟社會的快速增長，我國城市軌道交通建設得到了迅猛發展。截至2020年12月31日，中國內地累計有45個城市開通軌道交通運營線路7978.19km，其中地鐵6302.79km，占比79%。地鐵修建往往通過人口密集區，無法大面積進行地表開挖，需采用盾構開挖技術。采用盾構法施工的區間在地鐵線路區間中占較大比重，幾乎每條已運營和在施的地鐵線路均有采用盾構法施工的區間且比例正在逐步加大，如北京地鐵17號線盾構區間占比達到79%。盾構法施工雖有掘進速率快、施工質量高、對周邊環境干擾小、施工安全性較高等優勢，也在我國地下工程的應用中迎來了發展高潮，但因盾構施工工藝流程的復雜性與精密性，再加上地質環境復雜、作業條件差、對操作人員經驗和素質要求高、勞務作業人員老齡化、施工標準不一等原因造成施工過程不當引起地面沉降、隆起、中心線偏離、管片破損、隧道滲漏、非正常停機、設備損壞等事故，長期影響隧道內作業人員健康，同時也制約著盾構的施工效率并增加建設成本。如何有效地避免這些問題，加快盾構施工進度，節約人力成本，提高施工智能化，是盾構行業一直關心的問題和研究探索方向。隨著大數據、云計算、人工智能、物聯網、衛星通信、5G、區塊鏈等新一代信息技術的發展，自動化與智能化已成為盾構施工主要發展方向之一。盾構施工智能化的發展歷程盾構法自1818年問世，經過200多年的發展，已歷了手掘式盾構、機械化盾構、電子化盾構和信息化盾構4個階段，下1個階段的盾構如何定義雖未最終確定，但可以肯定的是一定與智能化有關。在盾構智能化研究領域，國外起步較早，尤其是日本建樹頗多。日本佐藤工業公司研制開發了盾構專家系統，該系統基于專家系統與施工案例數據庫，應用人工智能研判盾構機選型與施工方法；在船橋市地下超高壓輸電線管道工程中，為解決深埋問題及快速長距離盾構施工開發了盾構自動掘進系統，該系統基于模糊理論和人工智能自主掘進系統，通過控制出土量的偏差流量值、計算線路修正量、計算與修正扭矩矢量、設定最佳的千斤頂特性曲線及修正的參數值等，實現了自動操縱管理；清水建設與名古屋工業大學聯合研制了盾構操作AI，該系統通過深度學習建立了模型化工作流程，模擬人腦的判斷，實現了管片自動配置和盾構自主運行控制的最優輔助。馬來西亞MMCGamuda公司以既有隧道掘進數據為樣本結合傳統的TBM控制方法與參數，研發了自主運行TBM系統，該系統采用即插即用式模塊化組件，通過PLC的反饋信息實現盾構軸線的自動轉向控制和盾構參數自動控制推進，成功應用于吉隆坡KV地鐵2號線長13.5km的隧道工程。在管片自動拼裝方面，德國和日本等發達國家也取得了突出成就實現了管片拼裝由6自由度向7自由度的轉變，如德國海瑞克公司研發的采用比例控制的回轉型真空吸盤式管片拼裝機，實現了拼裝過程精確、安全、快速；日本日立公司以伺服控制為基礎，采用光學圖像、激光與傳感檢測技術研制的7自由度管片自動安裝機器人，實現了管片拼裝的全自動化。我國的盾構智能化發展雖起步較晚，但一直在不斷深入探索，尤其是進入21世紀以來，眾多企業和專家學者開始研究、開發盾構施工管理信息系統，使我國的盾構信息化得到了一定的發展，為盾構智能化奠定了基礎。上海隧道工程股份有限公司周文波等在盾構信息化方面進行初步探索，開發了盾構隧道信息化施工智能管理系統，于2002年應用于上海軌道交通明珠線二期和南京地鐵一號線工程，經初步驗證后推廣至該公司所有在建工程。中國礦業大學江玉生等2003年開始對盾構施工實時管理信息系統的相關基礎研發工作，設計了具有工程介紹、施工進度、沉降分析、掘進參數顯示、數據分析、材料消耗、數據傳輸等功能的盾構施工實時管理系統，于2008年全面應用于北京地鐵盾構隧道施工的實時監控管理工作。隨后，國內各裝備制造、施工企業相繼開發了功能相近的盾構信息管理系統，如中鐵一局的盾構集群遠程監控與智能決策支持系統、中鐵工程服務公司的盾構云、上海大學的基于BIM的盾構隧道施工管理三維可視化輔助系統、中交一公局的盾構集群化監控與異地決策管理系統、中鐵十八局的地鐵項目盾構施工三維信息管理系統、濟南軌道交通的盾構施工多源信息實時移動交互平臺等眾多盾構信息管理系統等，這些系統都集成了目前最先進的計算機技術和移動通信技術，實現了盾構機參數采集與存儲、多源數據融合、遠程監控、數據分析、姿態管控、故障預防預警、可視化顯示、沉浸式漫游、進度、質量與風險管理、掘進歷史檔案存儲與查詢等功能。雖然我國在盾構信息化領域取得一定的成就，但在智能化方面仍處于盾構智能化初期探索階段，直到近幾年盾構智能化才被首次明確界定。盾構機掘進技術國家重點實驗室陳饋在其提出的《中國盾構智能化發展探討》報告中探討了盾構智能化發展方向，即智能化設計、智能化生產制造、盾構智能化操控和檢測、智能化服務，針對智能化服務研發了盾構TBM工程大數據云平臺以實現數據智能采集、智能監控、綜合分析和協同管理，提出了盾構智能化自動巡航的暢想，通過計算機實現自動推進、同步注漿、管片拼裝、軸線糾偏與決策管控。上海隧道股份公司在盾構智能化自動巡航方面取得了一些進展，李剛在其交流的《盾構隧道大數據管控創新與實踐》報告中提出了巡航掘進盾構，并在《如何在城市里更智慧的建造隧道》報告中介紹了上海隧道基于信息化大數據平臺、5G移動通信技術、AI智能學習技術、傳感技術研發的基于STMP下盾構機自動巡航技術多元化管控平臺，實現盾構機一鍵啟動、管控中心遠程操控工地端盾構機主要掘進動作及油脂與漿液注入，達到自動巡航掘進；同時上海隧道公司研發了世界上首臺無人盾構機并已在浙江紹興投入使用，實現了盾構機智能化。國內還有眾多學者和企業投入盾構智能化的研究，浙江大學楊華勇針對全斷面隧道掘進裝備智能化提出了無人值守的具體概念，中鐵裝備公司王杜娟提出了盾構機無人化，國家鐵路總公司王同軍指出鐵路隧道智能建造的核心是無人化或少人化等。綜上所述，目前盾構智能化仍處于初期探索階段，還需要大量的人工干預，大部分環節需有人員操作，只有極少部分可實現少人化或無人化，無法真正實現盾構的自動巡航、智能掘進。對此，企業單位、專家學者還需持續不斷地深耕這一領域。盾構智能化分級智能化是指事物在網絡、大數據、物聯網和人工智能等技術的支持下，所具有的能滿足人的各種需要的屬性，因此盾構智能化必須依靠智能制造、移動通信技術、計算機技術等最新技術實現自動推進、自動糾偏、自動拼裝、自動注漿、自動化決策管控，達到遠程控制、自動巡航和智能掘進。參考國內眾多專家學者的研究，盾構技術與新一代人工智能技術及信息技術融合后可將盾構智能化劃分為輔助巡航盾構、間歇性自動巡航盾構、常態化自動巡航盾構、自動控制盾構和智能掘進盾構5個階段，后續階段均為前一階段的智能進步，直至最終實現完全智能化施工。1.輔助巡航盾構巡航是航空領域的技術術語，指持續接近定常飛行的狀態，多用于飛機、導彈等領域，近年來被引入盾構施工領域。輔助性巡航盾構是基于當前的水文地質信息和盾構機的運行狀態對下一時間的巡航參數進行預測，用于指導修正下一時間的盾構施工。在盾構施工前，將收集到的圖紙、數據信息（如隧道平縱剖、水文情況、周邊環境、風險源、地形地貌等）轉換為計算機可識別的數據，利用既有的模型和專家系統算出盾構施工參數，如土壓力、推力、刀盤扭轉、注漿量、出土量、刀盤功率等，與既有類似典型地層及周邊環境條件下的盾構施工參數進行對比，修正計算所得的盾構施工參數；同時可根據既有類似典型地層條件下的盾構掘進參數與地層變形、隧道成型質量的關聯性進行相關性分析，找出對應規律，給出在施工程的盾構施工指導參數范圍。盾構始發段掘進完成后，進入正常段掘進時，操作人員可根據給出的修正后的盾構施工參數范圍、螺旋機所出渣土性狀及自身經驗選取合適的盾構施工參數并及時進行調整。當出現軸線偏差超限、注漿量不足、扭矩過大、土壓與建議值差距大、油溫報警、千斤頂無法伸縮等質量或盾構機故障等問題時，后臺服務器、地面監控中心或輔助系統可迅速向操作手發出警告，甚至自動啟動熔斷機制自主停機，并提出最優或可能的解決方法。2.間歇性自動巡航盾構基于最新持續發展的人工智能技術和信息技術，自動巡航盾構可實現地質超前自動預報、自主預測刀盤壽命選取合適的換刀時機、自動推進、出土、注漿、注脂、軸線自動糾偏、管片自動選取拼裝、渣土及各種材料無人運輸與裝卸、后配套自動延伸等，解決巡航施工過程中遇到的簡單問題。間歇性自動巡航盾構是自動巡航盾構的1個特殊階段，即在某一特定地層條件下，盾構機無需人工干預，即可按設定的盾構施工參數持續定常掘進施工，完成自動巡航掘進。當掘進至例外特定地層，盾構機無法保持定常掘進時，需人工干預預判盾構施工中遇到的各種問題。間歇性自動巡航盾構只能選取某一特定地層，在短時間或短距離內進行掘進施工，而在大部分地段或時間無法實施自動巡航施工，存在大量人工干預，需依靠操作手及作業人員完成盾構掘進施工。3.常態化自動巡航盾構常態化自動巡航盾構是自動巡航盾構的常態化階段，即盾構始發掘進完成后，在正常掘進的大部分工作中，按設定的盾構施工參數持續定常掘進施工，同時可根據實時獲取的施工參數，自動修正下一時間的施工，最終完成長距離的定常掘進。只有當盾構機遇到自身無法解決的問題時才呼叫人工干預，以解決盾構機自身無法解決的問題或故障。常態化自動巡航盾構可在大部分地層內長時間或長距離掘進施工，無需人工干預，只在特殊條件下需要人員進行干預。4.自動控制盾構自動控制盾構是在自動巡航盾構的基礎上，盾構機的控制系統經過深度學習，具有一定的獨立自主的判斷意識，根據所處地層和周邊環境及地層變形情況選取適合的盾構施工參數并隨時進行調整，可針對施工中遇到的絕大部分問題提出相應的解決方案并自主實施。自盾構始發、正常掘進至盾構接收，由盾構機自主完成整個區間隧道的掘進，整個施工過程中很少需要人工干預。5.智能掘進盾構智能掘進盾構的控制系統完全模擬人腦，具有獨立自主的判斷意識，無需人工干預即可解決遇到的所有問題，完成整個區間隧道的施工。在盾構始發階段，智能盾構依據機械手自動完成盾尾油脂涂抹、負環管片拼裝與加固、自動封堵洞門；在正常掘進階段，智能盾構可根據地層和刀盤刀具磨損情況自動檢修換刀；在盾構接收階段，智能盾構可自主完成管片拉緊、洞門封堵等。自動巡航盾構施工自動巡航盾構施工將是未來較長一段時間內行業與專家主攻的研究方向，其施工步序可分為超期地質預報、線路劃分、施工參數計算與修正、刀盤刀具壽命預測、自動巡航掘進等主要步序。1.超期地質預報采集巖土分層及其巖性特征、土石可挖性分級及隧道圍巖分級、特殊土與不良地質、水文地質、線路平縱斷面圖、航拍圖、測量數據、周邊環境、掘進過程中感知到的水文地質情況等眾多數據，應用GIS軟件將整條線路的水文地質及各種相關數據轉化為三維地質模型。沿線的建構筑物、風險源則利用BIM建模，插入到整條線路三維模型中，形成整個區間隧道地質及環境預報。2.線路劃分依據采集到的水文地質數據、建構筑物、風險源、周邊環境和建立的三維模型，將整條線路劃分為不同的近似地段，每一段線路的水文地質、線路地形地貌、周邊環境、風險源類似，將通過分析取得的整條線路的多個區段數據導入盾構機控制系統。3.施工參數計算與修正調取線路某段的土體粘聚力、摩擦角、壓縮模量、土體密實度等土體參數、水文參數和盾構機自身的參數，按經驗模型與數學模型計算該段線路盾構掘進的主要參數，如刀盤扭矩、灌注速度、總功率、刀盤壓力、刀盤轉速、推進壓力、總推進力、泡沫混合液當前累計量、左中土倉壓力、左上土倉壓力、左下土倉壓力、右下土倉壓力、右中土倉壓力等，并與專家系統和既有類似地段的掘進參數相比較，再經修正后得到該段線路的盾構施工參數，作為盾構機自動巡航施工的施工參數。4.刀盤刀具壽命預測根據盾構機自動巡航預設施工參數、盾構機人工推進過程中的盾構機推力、扭矩、掘進速度、刀盤溫度等關鍵掘進參數及出土的渣土性狀，確定盾構機自動續航狀態下刀具的動荷系數及摩擦系數，依據歷史換刀數據確定摩擦能與刀具累計磨損量的磨損系數。利用采集到的刀具磨損數據、超前地質預報系統得出的地質數據、既有的隧道地勘數據和同類水文地質條件下的歷史換刀數據、動荷系數、摩擦系數、磨損系數建立刀具磨損模型。在盾構機采用自動巡航模式時，監測盾構機的關鍵掘進參數，根據刀具磨損數據庫系統中類似地質條件和施工情況、刀具實時監測情況和掘進環數，預測自動巡航掘進中刀盤刀具的磨損情況，選取合適的刀具檢修更換地點及里程，通知地面監視人員人工干預，進行刀具檢修更換作業。5.自動巡航掘進通過隧道無人運輸系統將管片、漿液及各種材料運至指定位置，自動智能卸載存放，盾構機控制系統從數據庫中選取合適的盾構掘進參數控制盾構機開始刀盤切土、螺旋出土、皮帶運輸、千斤頂伸長、壁后同步注漿、盾尾注油脂等流程掘進，待一環掘進完成后開始管片自動智能抓取對位、螺栓安裝緊固等工作。完成一環管片拼裝后重復上述步驟，