全智能三臂鑿巖臺(tái)車全面推動(dòng)隧道施工機(jī)械化

富凡芮 李曼

“要致富，先修路?！钡缆愤\(yùn)輸?shù)臅惩?，影響著中?guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中提出，完善現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系，構(gòu)建布局合理、設(shè)施配套、功能完備、安全高效的現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施體系。

近年來(lái)，我國(guó)在高鐵和高速公路建設(shè)上緊跟政策的步伐，大力發(fā)展現(xiàn)代交通綜合運(yùn)輸體系。然而，隧道挖掘普遍采用人工操作風(fēng)鉆鑿巖機(jī)進(jìn)行施工和人工測(cè)量隧道周邊輪廓及爆破孔位置，存在施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度高、施工效率低、安全隱患大、施工質(zhì)量差等問(wèn)題。為解決這一系列難題，中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)的ZYS113全智能型鑿巖臺(tái)車的開(kāi)發(fā)順應(yīng)了大量隧道施工的需要，打破了國(guó)外壟斷，全面推進(jìn)了隧道機(jī)械化挖掘速度。

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“鐵建重工”）成立于2007年，是專注于隧道施工智能裝備、高端軌道設(shè)備裝備的研究、設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)于一體的專業(yè)化大型企業(yè)。

面對(duì)高難度的隧道地質(zhì)開(kāi)掘狀況及迫切的隧道開(kāi)挖需求，特別是面向如川藏鐵路高地溫差、多巖爆、多發(fā)泥石涌水等惡劣地質(zhì)下的一批國(guó)家重大工程的建設(shè)項(xiàng)目，傳統(tǒng)的施工裝備已無(wú)法滿足施工需要。而此前先進(jìn)鑿巖臺(tái)車設(shè)計(jì)制造技術(shù)被少數(shù)國(guó)家壟斷，我國(guó)尚處于一片空白。為此，鐵建重工經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)攻關(guān)，終于在2016年3月研制出ZYS113全智能型三臂鑿巖臺(tái)車。

ZYS113全智能三臂鑿巖臺(tái)車集數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)傳輸、行走、定位和鉆孔作業(yè)等多項(xiàng)技能于一體。在研發(fā)過(guò)程中，鐵建重工設(shè)計(jì)人員專門針對(duì)鑿巖臺(tái)車精準(zhǔn)化施工要求，開(kāi)發(fā)出一套新型隧道數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，基于大量施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究孔位布置對(duì)掌子面巖石破碎影響規(guī)律，提出了最優(yōu)孔位布置方法與孔序路線規(guī)劃策略;開(kāi)發(fā)出隧道設(shè)計(jì)靜態(tài)數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，建立起隧道結(jié)構(gòu)信息數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)了隧道坐標(biāo)系內(nèi)任意空間坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)里程的相互轉(zhuǎn)換，形成了隧道設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，包括里程、中樁坐標(biāo)、隧道軸線、各施工階段斷面輪廓、炮眼設(shè)計(jì)位置等關(guān)鍵要素參數(shù)化管理方法，以滿足鑿巖臺(tái)車定位需求，并依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，能夠?qū)⑺淼涝O(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后，上傳至鑿巖臺(tái)車控制系統(tǒng)，形成隧道設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)字化建模與管理，從而大幅度提升了鑿巖臺(tái)車定位和作業(yè)準(zhǔn)確性。

該智能鑿巖臺(tái)車擁有的臺(tái)車隧道坐標(biāo)智能定位技術(shù)，能夠通過(guò)建立臺(tái)車本地坐標(biāo)系及標(biāo)定方法，結(jié)合數(shù)字化隧道建模系統(tǒng)和對(duì)隧道內(nèi)已知點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，通過(guò)三角測(cè)量算法，獲得掃描儀和隧道之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)誤差補(bǔ)償與定位進(jìn)度修正達(dá)到本車準(zhǔn)確定位。該設(shè)備具有根據(jù)體征描述方法以及研究掌子面定位噪音干擾方式，建立起掌子面擬合模型;研究臺(tái)車鑿巖時(shí)與掌子面的最優(yōu)匹配關(guān)系，通過(guò)臺(tái)車與掌子面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法，結(jié)合三維掃描定位技術(shù)和隧道坐標(biāo)系的動(dòng)態(tài)表征方法，最終實(shí)現(xiàn)臺(tái)車在作業(yè)中實(shí)時(shí)智能定位功能。

大多數(shù)的鑿巖臺(tái)車臂架長(zhǎng)、關(guān)節(jié)多、自身重量大，易發(fā)生柔性變形，且在加工與裝配時(shí)極易引起尺寸誤差。為解決這些問(wèn)題，智能鑿巖臺(tái)車擁有的大慣量柔性臂架高精度定位技術(shù)，通過(guò)定位誤差補(bǔ)償，從根本上解決了臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型難以滿足臂架定位精度問(wèn)題;運(yùn)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法，建立了鑿巖臺(tái)車臂架正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;又結(jié)合臂架結(jié)構(gòu)有限元分析和高精度測(cè)量識(shí)別技術(shù)，建立了臂架的柔性變形誤差變化規(guī)律模型;結(jié)合臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定模型，開(kāi)發(fā)出了一套基于柔性誤差補(bǔ)償?shù)拇髴T量臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)最優(yōu)匹配，滿足了臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差補(bǔ)償，滿足了鉆孔定位精度的要求。

面對(duì)鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)的卡鉆和空打等常見(jiàn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員為實(shí)現(xiàn)臺(tái)車領(lǐng)孔、低沖、高沖、停止、回退、卡鉆、沖洗等動(dòng)作，開(kāi)發(fā)出自適應(yīng)鉆孔技術(shù)，通過(guò)鉆孔實(shí)驗(yàn)研究，獲得不同地質(zhì)下推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力、沖擊壓力等鉆孔工作參數(shù)對(duì)鉆孔效率的影響規(guī)律;同時(shí)針對(duì)不同鉆孔階段與鉆孔時(shí)發(fā)生的卡鉆、空打問(wèn)題，研究出鉆孔參數(shù)最優(yōu)控制方案。新方案不僅提高了鉆孔的工作效率，還降低了操作人員數(shù)量，其最快掘進(jìn)速度可達(dá)每分鐘3至5米，比傳統(tǒng)人工鉆孔效率提高2至3倍，原有的20人同時(shí)作業(yè)縮減至1至2人。

由于我國(guó)隧道地形特征多樣化，隧道開(kāi)挖極易出現(xiàn)超欠挖等問(wèn)題，鐵建重工專門開(kāi)發(fā)出3D輪廓掃描及重建技術(shù)。通過(guò)三維掃描，獲取隧道輪廓的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);再經(jīng)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、分割、切片處理算法和干擾數(shù)據(jù)自識(shí)別算法，開(kāi)發(fā)出了三維輪廓重建自動(dòng)處理軟件，據(jù)此精確計(jì)算出隧道超欠挖等數(shù)據(jù)，形成一套炮眼位置布置評(píng)價(jià)體系，提出炮眼最優(yōu)化布置方法，從而實(shí)現(xiàn)掃描輪廓與設(shè)計(jì)輪廓的超欠挖對(duì)比，確保臺(tái)車穩(wěn)定、可靠的施工效率。

鐵建重工研發(fā)的遠(yuǎn)程操控技術(shù)解決了隧道掘進(jìn)距離過(guò)長(zhǎng)、干擾因素多、環(huán)境復(fù)雜等諸多施工安全問(wèn)題，突破了信號(hào)采集、傳輸、控制效率低穩(wěn)定性差等難題，通過(guò)采用信息融合技術(shù)，獲取現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的最優(yōu)估算值，為決策與操作提供特征值和依據(jù);并通過(guò)分析影響數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性因素，研究提高數(shù)據(jù)精度、遠(yuǎn)程圖像視野、降低信噪比等各個(gè)方案的實(shí)施效果，提出了最優(yōu)硬件設(shè)備配置方案;研究適應(yīng)隧道工況特點(diǎn)的大容量數(shù)據(jù)可靠傳輸和交互網(wǎng)絡(luò)方案，分析對(duì)比不同通信方式和傳輸交互數(shù)據(jù)格式在遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)中的效率，為確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和安全可靠性，實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車故障預(yù)警，并為遠(yuǎn)程脫困操作做出決策。

好的技術(shù)也要有好的管理。妥善做好鑿巖臺(tái)車信息化管理是工人施工安全的后方保障。研究智能化安全管理技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電氣控制技術(shù)及傳感器技術(shù)為硬件基礎(chǔ)，形成了一套集設(shè)備監(jiān)控、塌方監(jiān)控、粉塵監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、安全防范及電話通信系統(tǒng)為一體的可視化綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并形成包括傳感器信息管理、故障報(bào)警信息管理、日志記錄等數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，將隧道施工數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳;最終將各個(gè)項(xiàng)目采集到的檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳到云端服務(wù)器，建立起大數(shù)據(jù)專家評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了總體施工安全信息智能化評(píng)估、隧道施工智能化安全管理體系。

全智能鑿巖臺(tái)車配置全封閉式帶空調(diào)駕駛室，操作人員距離掌子面5米之遠(yuǎn)。駕駛室剛度好，具備防傾覆、防砸功能，大幅降低了隧道事故發(fā)生造成的人員傷害;駕駛室內(nèi)噪音低于78dB，粉塵低，可明顯提升操作人員的作業(yè)環(huán)境，減少職業(yè)病發(fā)生。

ZYS113全智能三臂鑿巖臺(tái)車研發(fā)成功后，率先在宜興鐵路、川藏鐵路等工程開(kāi)展了示范應(yīng)用，使施工速度得到了極大提升。該設(shè)備自投入市場(chǎng)以來(lái)，以優(yōu)良的工作性能，加上極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格和高品質(zhì)售后服務(wù)，得到了國(guó)內(nèi)客戶的高度認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和產(chǎn)品的快速產(chǎn)業(yè)化推廣。

目前，全智能三臂鑿巖臺(tái)車占據(jù)國(guó)內(nèi)90%的市場(chǎng)份額，近三年累計(jì)銷售100余臺(tái)，銷售金額高達(dá)10余億元，不僅為公司帶來(lái)了的效益，也為我國(guó)交通建設(shè)降低了成本。全智能三臂鑿巖臺(tái)車不僅以全新的技術(shù)推動(dòng)了我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐，還填補(bǔ)了我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)在隧道工程施工裝備領(lǐng)域的空白，帶動(dòng)了一批其它隧道機(jī)械化設(shè)備的進(jìn)步。