中国盾构施工智能化发展现状和未来趋势|专家解读

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中国盾构施工智能化发展现状和未来趋势|专家解读


连续实现首台TBM(岩石隧道掘进机)、首台马蹄形盾构、最大的矩形掘进机等重大装备的自主开发,攻克了穿江入海、硬岩掘进等隧道修建重难点技术,凭借对盾构技术的卓越研究和创新应用,近日,依托于中铁隧道局集团有限公司建设的盾构及掘进技术国家重点实验室从众多国家级实验室中脱颖而出,被国家科技部评为优秀类国家重点实验室。

自2010年获国家科技部批准建设以来,盾构及掘进技术国家重点实验室主要围绕盾构的地质适应性及盾构掘进的快速、安全、文明等目标开展研究,目前已建成刀盘刀具技术、系统集成与控制、盾构施工控制等三个研究方向,十二大类科研实验平台,近5年承担各类科研项目52项等。日前,本刊记者采访了盾构及掘进技术国家重点实验室党工委书记陈馈,他详细介绍了实验室近5年的研究成果及其应用情况。随着智能化、信息化技术的日益深入应用,陈馈结合多年潜心盾构事业的经验,高瞻远瞩地分析了盾构领域的智能化发展现状和未来趋势

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助推国产盾构迈入国际舞台

RT轨道交通:据了解,盾构及掘进技术国家重点实验室的主要研究方向是刀盘刀具技术、系统集成与控制技术、盾构施工控制技术等,请您介绍一下目前实验室的主要研究成果及其应用情况。

陈馈:盾构及掘进技术国家重点实验室是国家十二五优秀类企业国家重点实验室,其技术创新主要围绕盾构的地质适应性及盾构掘进的快速、安全、文明等目标开展研究,目前已建成刀盘刀具技术、系统集成与控制、盾构施工控制等三个研究方向,十二大类科研实验平台。近5年承担各类科研项目52项,其中,承担国家级科研项目12项,获国家科技进步一等奖 1项,二等项2项;出版学术专著9部,发表论文477篇;获国家发明专利54项、实用新型专利22项、软件著作权8项、外观专利5项。

  • 代表性成果之一“盾构装备自主设计制造关键技术及产业化”。发明了盾构密封舱压力动态平衡控制方法;首次提出了盾构载荷顺应性设计方法;首次提出基于盾构姿态预测的推进控制方法,研制的三大类盾构主要性能指标达到或超过国际同类产品,替代了进口。

  • 代表性成果之二“跨江越海大断面隧道修建关键技术研究与应用”。构建了跨江越海隧道结构设计理论与方法;创建了跨江越海隧道施工防突水控制技术体系;创立了跨江越海隧道盾构掘进核心技术体系,突破了高水压下盾构长距离掘进技术屏障。

  • 代表性成果之三“富水砂卵石地层隧道盾构施工关键技术”。提出了“三层立体切削”刀具设计理念;创新了地下高压空气环境条件下换刀空间构建及安全维持技术;率先开发了地下高气压狭小空间内盾构刀盘焊接切割修复技术与焊接切割维修人员操作安全保障技术等。

  • 代表性成果之四“复杂地质条件下新型TBM研制及施工关键技术研究”。构建了新型TBM适应性设计理论,建立了高磨蚀地层TBM滚刀磨损预测及刀具减磨实验体系,提出了超深埋长大隧道少设斜竖井的TBM快速修建方法,突破了变截面可抬升开挖系统、前置式自动化混喷系统、隐藏式常态化超前钻探系统等TBM适应性关键技术,研制出国内首台最大直径(9.03m)硬岩TBM。

实验室自主研制的盾构TBM高端装备目前已实现了国产盾构从有到优、从优秀到卓越并走向国际的历史跨越。

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智能建造推动风险管控精细化

RT轨道交通:当前,轨道交通智能化、信息化成为行业发展的大方向,各个公司都在不遗余力地推动智能化创新技术和产品的研发、生产和应用,那么,您认为轨道交通智能建造主要包含哪些方面的技术?目前,这些技术在轨道交通行业的应用现状是怎样的?

陈馈:目前,轨道交通智能建造技术主要包括超前地质探测技术,数字化设计技术,智能施工与风险预测技术,基于实时大数据的远程智能化协同管控的信息中心,机器人超前智能施工装备,环保材料等新材料及新工法应用,基于BIM的轨道交通规划设计、施工建设和基础设施运维管理系统,移动互联网、自动化监测技术应用于轨道交通隧道和桥梁安全监测预警,质量安全智能管理与控制,大数据和云计算应用于轨道交通隧道、桥梁、地面道路等基础设施健康状态与养护,二维码技术应用于轨道交通设备全寿命周期管理,VR、AR等信息化和智慧化技术。目前,这些技术还处于技术创新阶段,正在进一步深入开发和应用,在国内轨道交通建设中,其应用趋势是朝着统一编码、正向设计、施工监测、项目管理等方向发展,正在开发EPC+O全生命期总管理平台。

RT轨道交通:实验室在智能化和信息化方面,主要有哪些研究成果及应用案例?

陈馈:盾构及掘进技术国家重点实验室目前已自主开发了《盾构TBM工程大数据平台》,已完成第二期开发,目前正在开发第三期。

《盾构TBM工程大数据平台》主要面向盾构及掘进技术行业,立足盾构TBM工程实际,开展多厂家、多地质、多型号盾构TBM机器数据及施工数据提取,应用Hadoop、Spark等大数据技术和思想进行开发,配置专业高性能服务器集群,进行数据存储、计算、分析及信息发布,满足企业业务管理需求、做好行业工程及装备厂家服务,集施工、装备状态、故障数据及科研应用于一体,为全行业隧道掘进机装备制造企业及应用企业提供开放式运维服务,具有“自主可控”的工业大数据核心分析能力。主要包括智能监控、综合分析、协同管理、数据应用四个主要模块。

截止目前,盾构TBM工程大数据应用平台已接入线路81条上百台盾构TBM设备,重点项目包括汕头海湾通道、大瑞铁路高黎贡山隧道、佛莞城际狮子洋隧道、以色列特拉维夫轻轨系统红线段等。盾构TBM工程大数据的应用有力推进了盾构及掘进技术行业数据资源整合和开放共享,有利于发挥数据的基础资源作用和创新引擎作用,为智能化装备升级及智能化施工建设提供依据,为盾构TBM安全、快速、高效、文明施工提供强大助力。

RT轨道交通:您认为这样的智能化平台目前对于轨道交通盾构施工管理和盾构设备管理是否产生了真正的价值?发挥了真正的用途?

陈馈:轨道交通建设投资巨大,地下工程风险较高,近年来随着轨道交通工程量的大增,有经验的工程技术人员明显不足,施工信息化智能化平台是精细化管控的必然趋势。

智能化平台通过系统预警,做到提前防范。目前智能化平台对于轨道交通盾构施工管理和盾构设备管理发挥了积极作用,平台包括施工总览、在线监控、预警系统、设备管理、隧道质量管理、管片管理等功能,通过在线监控功能将平台通过网络与盾构机PLC连接,将盾构机刀盘扭矩、土仓压力、注浆压力、盾构姿态等施工参数实时上传,从而实现盾构施工实时监控。比如,通过管控平台可实时监控盾构机相关掘进参数;如果盾构机推进过程中偏差过大,可以严格监控盾构机纠偏过程,防止现场过度纠偏;可以实现浆液自动称重,从而每环注浆量均能实时上传,避免施工单位注浆量造假;通过出土量自动测量,掌握实际数据,并对比注浆量,判断土体损失量;由业主核查,监理负责上传成型管片质量,减少隐瞒问题;施工过程全记录,保证生产进度,限制施工速度过快带来的安全质量问题。

智能化盾构施工平台的运行,从真正意义上实现了对盾构掘进工作现场的实时监控管理。同时,平台还设置了多维度监视图、成型隧道质量管理、施工进度分析、历史曲线分析等单元,利用数据自动采集、量化分析等方式,实时对施工动态进行分析,并利用智能化科学的分析功能指导和优化各项参数。除此之外,施工平台还设置了预警系统,从平台上能够直观地、全方位地看出施工的进度,以及各项风险点预警通知。此功能的设立极大地提高了业主对工程风险的管控能力,有助于业主及时开展风险预警及辅助决策研究,对在建隧道工程进行远程实时监控和施工指导。

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智慧化无人掘进成为未来盾构发展方向

RT轨道交通:随着智能化、信息化技术的日新月异,您认为盾构机未来的技术发展方向将是怎样的?

陈馈:首先,盾构机自身的高性能、高可靠性和高适应性仍然是盾构技术发展的主要方向;其二,在突破传统破岩方式上,以激光、水射流、声波、射线、核能源、化学物质等一种或多种物质为主的盾构装备将是今后研究方向,其研发成功,将进一步改善工作环境,降低施工成本,提高施工效率;其三,人性化、劳保和安全、智能化、信息化是今后发展的方向,未来盾构将朝着更适应、更快速、更安全的智慧化无人掘进方向发展。

目前我国城市轨道交通建造技术的应用和发展速度、建设规模与范围、轨道交通的种类、营建和融资模式等处于国际先进水平,部分领域已处于国际领先地位。但仍存在不可回避的问题,比如体量大,但不够精细;重工期,而轻质量和安全;重投资,而轻回报;重政治,而轻市场;重制度,而轻管理。

从施工的角度而言,实现真正的智慧建造还有一段很长的路要走,所谓任重而道远。“智慧建造”要求产业的和谐及可持续发展,节能减排是核心;还需要整个行业建立起先进的信息化技术系统,使经营公平透明,管理高效精细。不管是“智慧建造”理念的推广和接受,制度的建立与实施,资金的投入和利益的分配,行业的竞争与开放等等均需要一个长期、渐进的过程;在这个过程中,更需要政府的引导、企业的自律、民众的支持,没有一项是可以一蹴而就的。


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