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“贵阳地铁盾构工程中，使用了我们的‘火眼金睛’超前地质预报系统和‘听波聪耳’地层特征识别系统，可以成功探测出前方地下的破碎带、溶洞和地下含水体等不良地质情况。徐州地铁和新疆某引水工程使用了我们的‘超级巧鼻’有毒气体监测系统，有效预报了有毒气体地层，避免了人员中毒与盾体爆燃等风险;济南地铁使用了“号脉灵手”同步注浆检测系统，发现了隧道管片后的浆液厚度不足情况，及时补浆，确保管片壁后密实、质量可靠。还有广州地铁等全国多家地铁集团前来咨询学习，部分企业已经表达了强烈的引进愿望，济南智慧盾构技术正快速向全国市场推广。”
近日，山东大学齐鲁交通学院院长、高端工程机械智能制造国家重点实验室副主任李利平教授告诉记者，在济南地铁成功应用后，顺利经过市场及工程检验，济南“五官一脑”智慧盾构技术火热出圈，颇受行业内外关注，已经有两台搭载全套智慧盾构技术的盾构机被客户预定，预计年底下线始发。不少地铁企业根据当地的实际地质情况需要，分别搭载一种或多种智慧盾构装备，盾构智能化水平逐步提升，实现了国产智慧盾构“换道超车”。
“五官一脑”智慧盾构技术更趋完善
2022年9月17日，“济南造”盾构机搭载“五官一脑”智慧盾构技术，在济南轨道交通6号线凤凰路站开始了智慧掘进之旅的尝试。今年4月，在成功护航盾构机运转218天后，智慧盾构技术得到了实践检验，确保施工区间顺利贯通。
搭载“五官一脑”的智慧盾构机助力济南轨道交通6号线徐凤区间顺利贯通。
李利平告诉记者，济南有世界独有的泉域环境和水文地质条件，地铁施工面临泉水保护、穿越断裂带、下穿采空区、超大规模孤石群等重大技术难题，对盾构安全施工和灾害防控提出了更高要求。为了攻克建设期间面临的诸多难题，山东大学联合济南轨道交通集团，围绕盾构智慧掘进领域，共同设计制造了“五官一脑”高端智能系列化搭载装备，为盾构机装上“眼睛”“耳朵”和“鼻子”，全面提升“济南造”盾构机的智能感知能力，通过“大脑”中枢的智能决策，大幅降低盾构施工安全风险，更有效地适应复杂多变的施工环境和高标准技术要求，提升盾构装备智能化水平。
目前，“五官一脑”智慧盾构技术经过实践改进后更趋成熟。所谓“五官一脑”主要包括“火眼金睛”“听波聪耳”“超级巧鼻”“钢牙神经”“号脉灵手”和“人工智脑”六套智慧系统。
“火眼金睛”超前地质预报系统，主要功能是探测盾构机前方50—80米隐伏的溶洞、地层破碎带、地下含水体等不良地质情况，帮助盾构施工人员有效避免地下突水、涌砂等重大灾害。在济南地铁施工实践中，“火眼金睛”成功探测出7处地层破碎带和多处地下含水体、溶洞等，效果非常显著。
“听波聪耳”地层特征识别系统，如同给盾构机安装上一双听声辨位的顺风耳，根据盾构刀盘的振动信号，科学识别开挖面地层强度、复合地层界面分布特征等，指导优化盾构掘进参数，降低施工沉降风险。在穿越铁路、既有隧道、大型建筑物时，效果特别明显。
“超级巧鼻”有毒气体监测系统，能够“闻气嗅险”，高精度监测16种有毒有害气体及环境参数，有效预报前方含有有毒气体的地层，超前防控人员中毒与盾体爆燃等风险。在地铁施工实践中，有一次因工人焊接作业时有害气体含量超标，“超级巧鼻”就进行了报警提示，并针对性提出严控作业标准等建议，保障了绿色安全施工。
“钢牙神经”滚刀磨损监测系统，相当于给盾构机嵌入了“钢牙神经”，能够感知“龋害”，通过电磁互感实时获取滚刀磨损状态，精准分析开仓换刀的时机，避免盲目开仓带来风险，为换刀决策提供了可靠的数据支撑，提高了施工效率。
“号脉灵手”同步注浆检测系统，能够对刚刚装好的隧道管片背后注浆情况进行精准检测，及时发现注浆脱空、不密实等缺陷的具体位置，确保施工质量，助力后期地铁安全运营。在济南地铁施工中，“号脉灵手”发现了20多片管片背后存在浆液厚度不足的缺陷，指导施工人员及时补浆。
“人工智脑”辅助决策支撑系统，可以综合调取和分析上述“五官”收集的数据，达到“控险减灾”的效果，为施工决策提供参考。
通过在济南地铁实战尝试后，研发人员改进了滚刀磨损监测装备与刀箱一体化“钢牙神经”设计方案，提高了装备的耐久性；优化有毒气体监测装备和“人工智脑”的安装位置，提升了空间的利用率；计划提升“号脉灵手”同步注浆监测系统的智能化水平，实现远程控制。“通过以上改进，济南智慧盾构技术更趋完善，能更好地满足客户的需要，助力‘济南造’盾构机更好地抢占全国市场。”李利平说。
灵活组合搭配出多种“智慧效果”
“我国自主研发的盾构技术借鉴了国外的经验，并取得了长足的进步，实现了弯道超车，殊为不易。不过，现在世界上的盾构施工大多依靠经验判断问题，而盾构技术人员数量不足，制约着盾构产业的发展。如果能像医院给人看病那样，通过相关的检测数据，准确诊断病情并及时治疗，防止病情恶化，就可以避免后期进行更大的‘手术’。‘五官一脑’就相当于医院的检测仪器，能对前方不可预知的地层情况进行精准检测和分析、超前预警，使盾构施工更加安全高效。”山东大学齐鲁交通学院副教授王旌说。
据介绍，济南智慧盾构技术在济南地铁工程成功尝试后，引起国内很多城市地铁集团和业内专家的关注。目前，国内高校和相关企业在智能建造方面也有部分尝试，但大多停留在试验阶段。济南特殊的泉域水文地质条件为山东大学提供了充足的创新土壤，再加上济南轨道交通集团的大力支持，才成功研发出济南“五官一脑”智慧盾构技术。目前，济南正初步形成了智慧盾构“研发-生产-推广”一体化产业发展链条，市场上没有强有力的竞争对手。
“其实，‘五官一脑’智慧盾构技术整体使用效果最好，但同样适合单一或者几项组合使用，这就给客户提供了多种组合方式。根据不同城市的不同地质条件，客户可以选用不同的组合，以达到最佳的效果。”王旌告诉记者，随着数字经济时代的到来，盾构隧道绿色、高效、智能建造成为新的发展趋势，智慧盾构也向着智能化、数字化、无人化方向发展，并拓展到更广阔的领域，比如超大直径盾构、超小直径盾构、TMB等领域，为穿江越海隧道、电力管网隧道、水工隧道等的智能安全施工提供技术支撑。
目前，山东大学已经承担了济南地铁、广州地铁、贵阳地铁、济南黄河隧道、青岛胶州湾第二海底隧道等工程项目10余项，并与很多建设单位建立了良好的合作关系，未来有望在他们更多的工程中推广应用，快速占领更多的“智慧盾构市场”。
据统计，目前已经确定搭载“号脉灵手”同步注浆检测系统的客户有十几家，贵阳地铁组合使用了“火眼金晴”超前地质预报系统和“听波聪耳”地层特征识别系统，徐州地铁和新疆某引水工程使用了“超级巧鼻”有毒气体监测系统，济南地铁使用了“号脉灵手”同步注浆检测系统，还有不少客户正在对“五官一脑”智慧盾构技术进行考察，准备结合工程地质条件，选用不同的组合方式进行试验，以取得最佳的施工效果。
