盾构智能建造新技术与展望.pdf
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1、 年 月上第 卷 第 期施工技术(中英文):盾构智能建造新技术与展望王俊英,陈 馈,张 兵(中铁(广州)投资发展有限公司,广东 广州;中铁隧道局集团有限公司,广东 广州;陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南)摘要 从盾构施工技术目前存在的问题和智能盾构研究进展出发,重点阐述盾构智能化技术的研究现状,剖析盾构智能化关键技术存在的问题,指明盾构智能化发展亟需突破的技术瓶颈,并为盾构智能化技术发展指明方向。基于智能化设计、施工智能化感知、施工过程科学决策、自动化执行和智能运维平台等方面,分析国内外智能化的研究现状。最后,从全面感知、平台整合和智能决策等角度展望智慧施工技术,指明盾构智能建造技术的发展
2、方向,为开展盾构智能化技术研究提供依据。关键词 隧道;盾构;智能化;大数据;运维;施工技术中图分类号 文献标识码 文章编号(),(),;,;,):,:;国家重点研发计划()作者简介 王俊英,高级工程师,:收稿日期 智能化技术研究现状 盾构施工技术存在的问题 虽然盾构自动化施工技术水平不断提高,但在盾构掘进信息化、智能化方面缺乏深入研究与工程实践,盾构掘进过程中,地质与设备状态信息获取滞后,缺少有效的数据挖掘方法,且决策控制依赖人为经验,存在盾构掘进与地层条件不适应、掘进效率低、人工劳动强度大、施工作业调度不及时、施工安全事故时有发生等问题。)盾构掘进地质与设备信息感知不足智能感知技术包括信息收
3、集、识别、分析等,是盾构智能化链的重要组成部分。目前盾构施工过程中的设备状态感知在多项工程中得到成功应用,如刀具智能诊断系统、盾尾密封安全预警系统、超前地质预报系统。但随着开挖地质复杂多变,需及时调整施工过程,设备数据共享、多系统协调、多目标优化及 施工技术(中英文)第 卷施工参数自适应动态调控等还未成熟应用,需开发智能采集终端及配套软件自动采集数据,并结合多系统异构数据,进行多源信息融合的安全预警,及时获得客观合理的评价。)盾构掘进数据挖掘分析不到位在盾构掘进过程中,会产生大量施工数据,同时也积累与盾构施工相关的知识和经验,但由于缺乏合适的信息管理平台,无法对海量、参差不齐的施工数据进行分类
4、和管理,应从海量数据中寻找规律,对可量化的盾构掘进参数指标进行统计分析和监测预警,从而减少盾构施工事故,确保施工安全推进。基于目前存在的运维监测困难问题,建立集自动化技术、感知技术和人工智能技术于一体的智能运维系统,通过盾构大数据平台进行数据整理、查询、分组、聚合和计算分析,实现对盾构施工全过程的智能化监测和管理。)盾构掘进决策控制不科学目前各系统的状态感知功能提升数据采集、展示和信息共享等方面的效率,但在数据采集方面还存在数据标准不统一、难以自动处理分析数据等问题。在数据应用方面存在人工处理分析效率低下,决策定性分析较多、定量较少,决策过程与现场数据结合不紧密,决策过程效率低、难以抓准管控重
5、点、分析准确度不高等问题。为解决上述问题通过自动化数据采集、大数据分析,制定标准的安全管控分析与决策标准流程,并同步开发安全管理平台,实现数据采集、分析和预警自动化,为安全管控高效、准确决策提供理论依据。)盾构高质量施工的影响因素复杂多变影响盾构高质量施工的因素主要有复杂的施工工艺流程、较多的外部施工因素,如艰苦的作业条件、复杂的地质环境、劳务作业人员老龄化、较高的操作经验和素质要求、施工标准不一等。上述因素可造成地面隆起、沉降、隧道渗漏和管片破损、非正常停机、设备损坏等事故,从而降低施工效率、增加建设成本。因此,鉴于以上问题,提高隧道安全性、加快施工进度、节约人力成本,高效提高隧道施工智能化
6、,是盾构隧道行业一直探索研究的主要方向。盾构掘进不仅要适应大直径、大深度和长距离的施工要求,具备解决复杂工况的能力,还要实现盾构施工信息化和智能化,确保得到施工更合理、空间利用率更高的断面。因此,适应复杂地质条件的复合盾构和断面尺寸多样化的超大型和微小型盾构是发展趋势。此外,采用遥感技术、人工智能、机器人控制技术等智能盾构对隧道掘进智能化变革也是重要发展方向。智能盾构研究进展 随着机器人、传感器、云计算、大数据、人工智能、物联网等技术的迅速发展,地下工程领域迎来变革,其中盾构隧道的智能化施工是隧道建设的必然趋势和未来发展方向。如日本、法国等在盾构智能化研究领域比国内起步较早,目前部分知名盾构生
7、产企业在盾构智能化方面建树颇多。)智能感知与检测法国布依格在 年将 刀具监测、蛇形机器人、换刀机器人等技术应用于香港屯门隧道盾构中。刀具监测系统安装于盾构刀盘上,可记录刀具受力、转速、温度等,并可通过数据计算反映掘进过程中遇到的孤石、桩基等障碍物,而且能够分析出地层环境并绘制模拟图,制定相应的施工措施,最终反馈给盾构施工方。蛇形机器人的机械臂末端装有切割设备、摄像设备、照明设备等,用于清理刀盘、消除堵塞。换刀机器人专门用于更换刀具,可在盾构开挖仓内部拆卸已磨损的刀头,并更换安装新刀具。之外,开挖舱还配备视频系统,工人进入时可提供实时监控画面。我国在盾构智能感知方面,冯欢欢等在 年对盾构排渣量进
8、行研究,采用分格量化的方法对出渣量进行统计,并通过调节螺旋输送机转速控制出渣。夏俭于 年总结研制土压平衡盾构出土计量装置的经验。玖瑞科技于 年研发盾构刀盘状态检测系统,可在线实时测量盾构刀盘滚刀的磨损、转速及刀盘温度。中铁装备于 年以来研制刀具智能诊断系统,通过磁传感器测量滚刀转速,计算转速比间接得出刀具磨损量,同时具有温度检测功能,可实现刀具状态的智能诊断。)盾构智能控制 日本在 世纪 年代初开发盾构自动掘进系统。由佐藤工业公司研制开发的盾构专家系统,采用人工智能技术进行盾构选型和施工。采用模糊理论和人工智能技术开发盾构自动掘进系统,通过控制出土量、线流纠偏量等实现盾构自动操纵管理。年,清水
9、建设与名古屋工业大学联合研制盾构操作,基于深度学习技术模拟人脑建立模型化工作流程,实现管片自动配置和盾构自主运行控制的最优辅助。马来西亚的 公 司 研 发 自 主 运 行 系 统(,简称),可实现盾构自主推进、转向与控制,通过 的反馈信息实现盾构轴线自动转向控制和盾构参数自动控制推进,并成功应用于吉隆坡 地铁 号线隧道建设中。王俊英等:盾构智能建造新技术与展望 )智能导向日本 系统运用陀螺仪对盾构进行方位检测,能自动测量方位角和倾斜角,实现盾构位姿管理。德国 自动导向系统通过引入带自动锁定棱镜功能的全站仪和激光标靶,结合仿真技术,可将土层中向前掘进的盾构模拟成清晰可见的图形,并辅以文字标识,实
10、时展示在盾构司机面前。并研发 地面监控系统、自动盾尾间隙测量系统、自动管环收敛测量系统、数据管理系统、管环平整度检测系统、管模和管片三维激光扫描检测系统等,对盾构施工起辅助作用,大大提高施工质量。)管片自动拼装技术 年,日本日立公司采用光学图像、激光与传感器检测技术,研制 自由度管片自动拼装机器人,实现全自动化管片拼装。德国海瑞克公司研发管片自动拼装系统,采用比例控制的回转型真空吸盘,使管片拼装过程更精确、安全、快速。法国布依格于 年研发 管片拼装机器人,能够自动抓取运输车上的管片,将其定位至拼装位置,准确插入完成拼装,拼装区内无须工人,且成功应用于巴黎地铁的盾构施工。)盾构信息化平台建设周文
11、波等指出上海隧道工程股份有限公司开发盾构隧道信息化施工智能管理系统,并于 年应用在上海轨道交通明珠线 期和南京地铁 号线工程中。杨志勇指出中国矿业大学于 年研发具有施工进度显示、掘进参数显示、沉降数据分析等功能的盾构施工实时管理信息系统,并于 年应用在北京地铁工程项目中。随后,国内部分施工企业相继开发功能相近的盾构信息管理系统,如中铁工程服务公司的盾构云、中铁十八局的地铁项目盾构施工三维信息管理系统、济南轨道交通的盾构施工多源信息实时移动交互平台、中铁装备盾构远程指挥中心、盾构及掘进技术国家重点实验室盾构 工程大数据中心、基于 的盾构隧道施工管理三维可视化辅助系统、中交一公局的盾构集群化监控与
12、异地决策管理系统等盾构信息管理系统,具有盾构参数采集与存储、姿态管控、沉降数据监测、进度、质量、安全与风险管理、掘进历史数据存储与查询等功能。移动交互平台设计总体框架如图 所示。)智能决策 杨宏燕于 年建立具有自主知识产权的盾构控制模型,并应用在掘进施工中。李惠平等于 年分析盾构掘进的运行特性,并建立盾构推进时的运动数学模型。李守巨等于 年基于现场观测数据,提出盾构掘进决策支持系统模型,实现复杂地层特征在线辨识、图 移动交互平台设计总体框架 土仓压力自适应预测、盾构姿态调整、掘进参数优化等功能。龚国芳等于 年采用双闭环反馈自动控制方法对液压缸速度进行控制。周奇才等于 年依据盾构施工排土量与注浆
13、量数据对地表沉降进行预测。)智能控制技术上海隧道股份公司基于大数据监测平台、移动通信技术、智能学习技术、传感技术研发的盾构自动巡航多元化管控平台,实现盾构一键启动、沉降控制、姿态控制、油脂与浆液的控制,进而达到自动巡航掘进功能。杨华勇等于 年针对全断面隧道掘进装备智能化提出无人值守的具体概念,张雪于 年提出盾构无人化,王同军于 年指出无人化或少人化是铁路隧道智能建造核心,赵洪岩等于 年将盾构智能化分为辅助巡航、间歇性自动巡航、常态化自动巡航、自动控制和智能掘进阶段。李建斌等提出智能盾构总体设计的技术架构。综上所述,国内外盾构智能化仍处于初期探索阶段。国外盾构智能化大多针对单个系统、单个部件的智
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- 关 键 词:
- 盾构 智能 建造 新技术 展望