城市軌道交通是大城市公共交通的骨干交通方式與核心基礎設施。盾構法具有機械化程度高、安全高效等優(yōu)點，是軌道交通建設的首選方法。然而，我國地域遼闊，水文地質條件復雜，大量城市軌道交通建設需穿越斷層破碎帶、巖溶發(fā)育、軟硬不均等地段，隧道施工存在突涌水及盾構栽頭等風險，極易誘發(fā)地表塌陷等伴生災害，嚴重影響道路、建筑物和管線的正常使用，導致施工進度嚴重滯后，建設成本急劇增加。

目前，濟南軌道交通二期建設規(guī)劃項目已全面實施，施工面臨泉水保護、穿越斷裂帶、下穿采空區(qū)、超大規(guī)模孤石群等重大難題，對盾構安全施工與災害防控提出更高要求。為攻克建設期間面臨的諸多難題，濟南軌道交通集團聯(lián)合山東大學，圍繞盾構智慧掘進領域，共同研發(fā)了盾構掘進遠程控制系統(tǒng)，集成了“五官一腦”高端智能系列搭載裝備感知數(shù)據(jù)，全面提升了盾構機的智能感知與認知能力，通過盾構中樞的智能決策，能夠大幅降低盾構施工安全風險，有效適應復雜多變的施工環(huán)境和高標準的技術要求，提升盾構裝備智能化水平。

圖1盾構掘進遠程控制系統(tǒng)

緊跟時代發(fā)展，積極開拓創(chuàng)新

超前地質預報系統(tǒng)就像給盾構機安裝上一雙“火眼金睛”，能夠“透視地層”，可識別盾構前方50-80米隱伏的溶洞、斷層破碎帶以及水體等不良地質情況，有效避免突水涌砂等災害的發(fā)生。地層界面識別系統(tǒng)如同給盾構機安裝上一雙“聽波聰耳”，能夠“聽聲辨位”，科學識別盾構開挖面復合地層軟硬界面分布規(guī)律與復合強度特征，指導優(yōu)化盾構掘進參數(shù)，降低施工沉降風險。氣體環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為盾構機的“超級巧鼻”，能夠“聞氣嗅險”，高精監(jiān)測16種有毒有害氣體及環(huán)境參數(shù)，有效預報前方賦存有毒氣體地層，超前防控人員中毒與盾體爆燃。滾刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)就像給盾構機嵌入了“鋼牙神經”，能夠“感知齲害”，電磁互感實時獲取滾刀磨損狀態(tài)，避免盾構機盲目開倉，為換刀決策提供了可靠依據(jù)。同步注漿檢測系統(tǒng)作為盾構機的“號脈靈手”，能夠“精準把脈”，準確識別同步注漿效果，摸清脫空、不密實等缺陷位置，指導二次補漿，保障結構壁后質量，助力地鐵安全運營。輔助決策支撐系統(tǒng)是盾構機的“人工智腦”，能夠“控險減災”，有效融合上述五類裝備獲取的地質-盾構-結構多源數(shù)據(jù)，通過動態(tài)風險評價，輔助支撐盾構掘進主動決策。

圖2 高端智能盾構系列搭載裝備“五官一腦”

遠程智能控制，讓盾構掘進更安全、更高效

盾構掘進遠程控制系統(tǒng)基于模塊化設計理念，重建了傳統(tǒng)盾構控制系統(tǒng)架構，融合超前地質預報、地層界面感知、滾刀磨損監(jiān)測、氣體環(huán)境監(jiān)測、壁后注漿檢測等裝備感知的多源異構數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了掘進參數(shù)的自適應智能決策和風險實時評估預警，成功打造了“1平臺+1系統(tǒng)+N應用”的整體解決方案，為保障盾構施工安全，提高掘進效率提供了有效途徑。

圖3整體解決方案

增強自主創(chuàng)新能力，推進產品轉化落地

在省重大科技創(chuàng)新工程項目支持下，濟南軌道交通集團累計投入研發(fā)經費2500余萬元，共授權專利、軟著等知識產權30余項，形成了以盾構施工技術、智能掘進、遠程控制等為主的核心專利群，研究成果列入2022年度山東省首臺(套)技術裝備和關鍵核心零部件推廣應用指導目錄。目前該產品技術水平成熟、性能穩(wěn)定可靠，并已在濟南地鐵、杭州地鐵應用，取得了良好的示范效果，具備推廣應用條件。