觀察者網實地探訪中鐵裝備：盾構機駕駛技術，瞭解一下？
【文/觀察者網 周遠方 編輯/尹哲】
“從‘中鐵1號’到‘中鐵1000號’，中國用12年時間，走過了主要競爭對手德國50多年的發展道路”，中鐵裝備副總經理張志國感嘆。
也許，正是因為我們追趕的腳程太快，對大眾來説，可能許多人早已習慣了上下班便捷的地鐵交通，習慣了乘坐過高鐵穿山越嶺，穿江過海，但對於盾構機的認識，可能還僅僅停留在見過外形，大體知道它的功能。
怎樣駕駛一台盾構機？它是如何工作的？中國盾構機在全球如何迅速走過跟跑階段、逐步實現大體並跑、局部領跑？
2021年中國品牌日（5月10日至12日）前夕，觀察者網參加由國務院國資委新聞中心組織的“走進新國企業·智能製造”大型採訪活動，4月25日，我們與新華社、科技日報等16家媒體一起深入鄭州市第六大街地底十七米，實地探訪盾構機施工的最前線。
以下這段1分多鐘的短片，展示了5種盾構機的工作原理和應用場景。
在視頻中一開始登場的，就是最常用的土壓平衡盾構機，主要用於城市地鐵、地下綜合管廊施工等。
觀察者網在鄭州探訪的就是這種盾構機的施工現場，我們從掘進隧道入口前進數百米，走到了如圖所示的盾構機駕駛艙所在的位置。
在盾構機駕駛室，可以看到多個屏幕，分別顯示盾構機周圍各個角度的視頻影像、盾構機前端刀盤上的複雜數據、盾構機上各種探測設備感知到的環境數據等關鍵信息。
地下盾構機駕駛室
在進入地底掘進隧道前，我們已經在地面上的施工指揮中心大屏幕上看到過同樣的信息。現場施工人員介紹，前端駕駛室能夠看到的數據和影像通過光纖傳到地面上的指揮中心，兩者的信息是完全同步的。
地面上的盾構施工指揮中心
中鐵工程裝備集團智能院副院長荊留傑介紹，地下施工和地面監控的數據實時同步，體現了一個盾構機掘進過程中的數據採集傳輸能力，我們會在盾構機上安裝一個數據採集盒，就像飛機上的黑匣子，所有的數據通過採集都會彙總到我們後方的數字化平台，對後續的設備製造和施工方案都提供巨大的參考價值。
我們在地下看到，盾構機巨大的刀盤在前方轉動，粉碎遇到的軟巖、沙土等地質結構，形成的渣土通過皮帶向隧道外運輸，同時根據遇到的不同地質情況，由駕駛員決定一定配方的回填材料，進行回填平衡。
盾構機向前掘進一小段以後，就要在隧道壁上鋪設高強抗滲混凝土鑄成的盾構管片。
管片首先沿着軌道被輸送小車運進隧道，然後由工人遙控操作管片機鋪設到隧道壁上。
準備鋪設的管片（左）和手拿鋪管遙控器的工人（右）
最後，盾構機後方伸出液壓盾構千斤頂，頂住鋪好的管壁，產生反作用力，繼續向前運動。
這一過程被中鐵工業黨委宣傳部長王偉形象地比喻為“咬的動、吃得下、穩得住、吐得出”，
在視頻中第二個登場的TBM（TBM特指硬巖隧道掘進機，為盾構機的一種）的動畫，就較為清晰地表現瞭如何“咬的動，吃得下”和如何“吐得出”。
那麼，盾構機駕駛員的經驗和技術體現在哪裏呢？
荊留傑舉了個例子，比如説在硬巖掘進過程中，排出來的渣片比較完整，巖粉和規則的片狀比較多，那麼狀況就比較好，如果皮帶機上出現一些大塊的渣片，切面很破碎、不規則的話，或者是水比較多的時候，就可以判斷前方地層不穩定，這時候就要調整掘進參數，放慢刀盤轉動和掘進的速度，減少擾動。
不過，在施工過程中，如果地質探測不清楚，或者掘進過程中特別依賴司機的經驗，是會造成一些問題的，荊留傑坦言，如果掘進參數設置不合理，刀具可能磨損得比較快，甚至出現異常和損壞；甚至在掘進過程中可能遇到斷層和破碎帶，處理不當可能會導致塌方，卡住我們的設備，一旦出現這種情況，基本上就會耽誤工期。
張志國在座談中舉了一個有驚無險的例子，去年年底在瑞麗滇中引水隧洞工程的時候，直徑9.83米的盾構機，1.7公里的引洞走了一半，遇到了喀斯特地貌，再往前一點就是一個大溶洞，處理不當設備很可能就掉進去，好在有超聲波探測設備提前預警，及時做了注漿填實處理，才避免了事故。
滇中引水工程萬家隧洞4號支洞提前與主洞連通（中國日報圖）
其實，事前的地質勘測也很重要，但是受制於一些客觀環境，勘測不一定能夠做得非常清楚，比如，有時候要打一些山嶺隧道，埋深很深，要從山頂向下鑽孔取樣，工作難度很大，每隔一公里或兩公里才鑽一個孔，但是在這一到兩公里間隔內，可能地質情況就變了。
對於這樣的問題，中鐵裝備副總經理王杜鵑介紹了公司的智能化探索，目前中鐵裝備的TBM Smart 2.0技術在設備上安裝8大模塊，其中最重要的模塊是輔助駕駛模塊，它從兩條路徑實現智能化，一是超前探測，通過機器視覺、微波、地震波等相關技術提前知道掘進環境的情況；二是通過大數據，通過歷史數據的積累，通過大數據分析比對上一個循環的數據特徵，預測下一個循環會發生的事情，這樣的輔助駕駛目前發揮了較好的作用，能夠幫助司機做一些判斷，但還不能完全替代司機。
目前我們做了這方面的工作，王杜鵑坦言，但產品的智能化方面還有很長的路要走。
作為中鐵裝備智能院專家，荊留傑談到了未來裝備迭代前景，他介紹，按照中鐵裝備原董事長、973計劃首席科學家李建斌的代際劃分，目前普通的盾構機屬於3代裝備，4代裝備可能會在剝巖方式上探索，目前主要是採用刀盤機械剝巖的方式，效率較低，對刀具磨損很大，而且經常需要人工換刀，對工人來説勞動強度較大，也有一定的安全隱患。將來可能考慮高壓水流、激光或微波熱剝巖的方式，在剝巖方式上出現大的革命。
荊留傑設想，5代裝備可能要探索智能化和無人化，目前的掘進過程，無論是換刀、支護、出渣，都是少不了人的，每一個地下施工班組需要20人左右，地下環境一般温度、濕度高、噪音大、有危險性，工人12小時一班，現在的年輕人不論是到車間還是到地下隧道工作現場，大家都比較排斥艱苦的工作環境。我們國家現在有大量工程建設，其實有經驗的盾構機駕駛員相對來説還是比較少的，目前駕駛員還沒有形成職業培訓體系，基本是靠師傅手把手傳幫帶，人才也比較缺乏。
我們可以把有經驗的駕駛員在不同掘進環境下的施工操作數據記錄下來，通過人工智能學習實際的駕駛經驗，開發模型，就有可能實現從依賴人工經驗到數字化、自動化控制的階段。逐漸使換刀、支護、出渣等環節都實現自動化。
中鐵999號盾構機
不過，要實現這樣的迭代並不容易，數據共享成了當下需要解決的一個難題。
王杜鵑介紹，中鐵裝備通過大量的施工實踐，得到了大量的數據積累，目前對國內許多地區的地質情況都比較瞭解，能夠有針對性地開發產品，但對全球許多地方的地質情況並不那麼熟悉，成為了相對的短板。另外，隨着“數據是財富”的觀念逐漸深入人心，各方都不願意把數據輕易交給別人，數據在業主單位、施工單位和裝備提供商之間的歸屬成為一個難題。
“我們是丙方”，荊留傑笑道，“業主是甲方，施工方是乙方，我們作為丙方經常要被甩鍋。乙方如果出了問題，往往把責任推給設備提供方，那麼如果我們在設備上裝了數據收集器，它就會起到類似‘黑匣子’的作用，乙方就不那麼好推卸責任了，所以有時候他們不讓我們裝。”
但數據的問題也不是絕對的，王杜鵑解釋，在這方面一些外國企業可能比我們更難，因為首先他們承接的工程量比我們更小，其次，他們面臨的可能是國家間的數據流動問題，更難協調。我們現在只是呼籲要形成數據共享的機制，推動技術更快進步。
實踐出真知，“產學研用”結合始終中鐵裝備的制勝法寶。長期來，中鐵裝備始終堅持將裝備製造與工法推廣高度融合，在業內保持了“最懂施工的裝備製造商”和“最會製造的綜合服務商”這一核心競爭力。
通過積累豐富的隧道施工經驗，對裝備的地質適應性有充分理解，中鐵裝備組建了一支強有力的工法研究隊伍，不僅能夠為不同地質設計最具適應性的掘進設備，而且掌握着隧道建設過程中的現場施工技術與生產組織管理方法。
以“機土一體化”為核心理念，中鐵裝備實現了設計與施工的良性互動，既為現場出現的各類問題提供針對性的解決方案，又從產品製造、技術服務等產業鏈上下游環節，得到全面的信息反饋，循環往復對設備和工法進行完善和優化。
荊留傑介紹，2014年，中鐵裝備申報國家“973”項目，研發TBM掘進過程信息化和智能控制軟件。項目聯合山東大學、浙江大學、武漢大學等國內知名高校共同研究，前期主要做超前力探測、巖體實時感知、智能決策、智能導向，智能支護等研究。
隨着物聯網大數據的發展，中鐵裝備開始做數據的實時採集傳輸和遠程監控平台，基於大數據製作一系列控制模型，將基於數據和基於專家的經驗融入智能決策。
2018年，中鐵裝備專門成立智能工程研究院，組建包括岩土、地質、機械、電氣、計算機、自動化控制等等的多學科研究團隊，全面推動盾構機產品智能化的發展，在地層探測、運動控制、導向糾偏、掘進參數優化等等方面形成了一些共性的技術，也開發了一些智能化的控制軟件，在吉林引松供水、引綽濟遼、新疆的引額工程等項目上進行實際搭載和驗證，未來隨着川藏鐵路等新重點項目的開工，將進一步推動智能化控制系統在實際項目上搭載和實驗。
2014年5月10日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平來到鄭州，視察中鐵裝備盾構機總裝車間，作出“推動中國製造向中國創造轉變，中國速度向中國質量轉變，中國產品向中國品牌轉變”的重要指示。
七年來，世界最大斷面硬巖掘進機、國內首批雙護盾TBM、世界最小直徑硬巖TBM、世界首台馬蹄形盾構、國產最大直徑泥水平衡盾構機紛紛面世，中鐵裝備不斷刷新自己創造的一項項記錄。
目前，中鐵裝備的盾構產品累計訂單超過1100台，出廠盾構安全順利掘進里程累計超過2600公里，產品遠銷新加坡、阿聯酋、意大利、法國等25個國家和地區，市場佔有率連續9年中國第一，產銷量連續4年世界第一，成為我國起步最早、擁有專利技術和標準最多、產品門類最全、市場佔有率最高、出口國家最多的盾構行業領軍企業。