一台盾构机的“聪明”从何而来

教室屏幕上，开挖直径17.5米的“山河号”盾构机缓缓向前，前方地质特征、刀具磨损状态、同步注浆质量等数据不断变化。岩土工程专业研二学生温正明认真记下关键参数。他说：“以前觉得盾构机主要是机械设备，通过学习发现，地质、传感、人工智能都能用上。”

(资料图片仅供参考)

今年暑期，山东大学智能建造与智慧交通（工程机器人新工科实验班）培养方案通过论证，越来越多的真实工程难题融入课程教学，“山河号”就是其中之一。

济南黄岗路黄河隧道是国内首条单洞双层穿黄盾构隧道，其中盾构段长约3.3公里，由“山河号”完成掘进。

盾构机“力气”很大，却有一个短板：隔着前方土体，难以直接探明开挖面前方地层情况。更大挑战在于，“山河号”要长距离穿越黄河下方的粉质黏土地层，其中零散分布钙质结核与胶结砂层。业内打比方，就像一个巨大刀盘在“夹着枣核的黏糕”里向前钻，黏土易粘附刀盘，坚硬的钙质结核又可能加速刀具磨损。

山东大学齐鲁交通学院院长、高端工程机械智能制造全国重点实验室副主任李利平介绍，盾构机掘进时，前方是什么地层、刀具磨损到什么程度、同步注浆是否密实，过去都很难直接获取。“好比晚上开车没有车灯、路灯，驾驶员不清楚路况，只能凭经验。”他说。

近10年来，山东大学师生持续攻关盾构隧道地质-机械-结构智能感知与智慧决策技术，依托实际工程积累现场数据，迭代验证技术方案、优化感知装备。

他们能让盾构机变得“耳聪目明”。李利平介绍，由团队独立研发、逐步形成的“五官一脑”技术，相当于给盾构机加上一套“感知神经系统和大脑”。为便于理解各项功能，团队为各子系统赋予拟人化命名，“火眼金睛”负责超前探测地质异常；“听波聪耳”通过振动等信息判断地层变化；“超级巧鼻”监测施工环境气体；“钢牙神经”感知滚刀磨损；“号脉灵手”检测同步注浆效果。信息最终汇入“人工智脑”，融合研判后为盾构掘进提供决策参考。

“山河号”盾构机“五官一脑”模型。新华社记者 张力元 摄

这套技术在黄河底下经受了检验。掘进过程中，地质、刀具、设备运行等信息不断汇集到系统平台，科研人员和现场施工人员通过手机就能查看数据和预警信息。

山东大学齐鲁交通学院副院长王旌说：“预警不是告诉施工人员‘这里有风险’就结束了，而是通过多源数据分析研判风险在哪里、可能怎样发展，并为现场调整施工参数提供依据。”最终，“山河号”实现黄河下约3.3公里连续掘进不换刀，盾构掘进工期较原计划提前约半年。

掘进期间，师生长期驻守工程一线，累计完成数千环动态监测，形成446份专项分析报告。这项工程实践，也让师生对学科交叉融合有了更深理解。

“要看清地层，离不开地质感知技术；判断机械状态，需要机械工程知识；面对海量实时数据，则离不开算法和人工智能。”山东大学齐鲁交通学院青年教师巴兴之说，“这不是多种技术的简单叠加，而是围绕真实工程难题一体化构建解决方案。”

目前，“五官一脑”系列装备已应用于40余项国内外重大工程，工程一线积累的大量实测数据也进入了课堂和实验室。眼下，团队成员把不同地层下刀盘转速、推力、振动等参数导入仿真模型，既用于教学研究，也用于持续探索盾构装备自主研判的实现路径。围绕提升地下工程高端装备感知灵敏度与研判精度，新的探索仍在继续。

关键词 山东大学 山河号 掘进机