“五官一脑”：护航盾构安全穿越江河湖海城

　　一、总体介绍

　　本案例是面向国家重大基础设施建设战略需求，深化产学研融合、推动高端智能装备自主研发与产业化的典范实践。由山东大学牵头，并与济南轨道交通集团有限公司、中铁十四局集团有限公司等紧密协同，共同实施。项目核心聚焦解决盾构隧道施工长期面临的"前方看不清、界面认不准、刀具耗不明、浆液测不着、环境控不住、决策靠经验"等行业共性难题。

　　图1 盾构施工多源数据难探测

　　项目以“地质-盾构-结构协同感知与智能决策”为核心思路，创新性地提出了“五官一脑”技术架构，历经近十年技术攻关，成功研发出集“火眼金睛”(超前地质预报)、“超级巧鼻”(气体环境监测)、“听波聪耳”(地层界面识别)、“钢牙神经”(滚刀磨损监测)、“号脉灵手”(同步注浆检测)五大感知系统与“人工智脑”(辅助决策支撑系统)于一体的盾构智能感控系统。

　　通过构建校企深度协作团队、攻克多源信息智能感知与融合决策关键技术、开发落地应用系统并开展大规模工程验证，最终实现了成果在复杂城市轨道交通工程中的率先示范与规模化推广应用，形成了“高校原始创新-企业场景验证-技术迭代升级-行业辐射推广”的完整产学研链条，为我国隧道及地下工程智能建造提供了可复制的技术方案与产业化路径。

　　图2 “五官一脑”盾构智能感控系统

　　二、主要做法

　　(一)构建校企深度协同机制，保障研发与需求精准对接

　　遵循"高校前沿创新引领、企业场景驱动验证"的协同逻辑，建立了高效务实的协作模式。山东大学依托岩土与地下工程研究院、齐鲁交通学院等国家级平台和高端人才团队，负责核心理论探索、算法模型构建与关键技术原始创新。山东大学与济南轨道交通集团共建山东省轨道交通研究院、山东大学与中铁十四局集团有限公司共建地下工程智能建养技术研究院，共同开展技术创新与产业推广。济南轨道交通集团与中铁十四局集团有限公司作为城市轨道交通的建设与运营主体，提供真实的施工场景、海量的工业级运行数据、系统性的测试验证环境及产业化的应用出口。双方通过共建研发平台、联合技术攻关小组、定期联席会议等形式，确保研发方向始终紧扣工程实际痛点，加速了科技成果从实验室走向施工现场的转化进程，实现了技术创新与产业需求的同频共振。

　　(二)攻克多源异构信息智能感知与融合决策核心技术，奠定转化坚实基础

　　针对盾构施工环境恶劣、信息感知难、数据融合壁垒高等挑战，项目组进行了系列核心技术攻关：

　　在感知层面：研发了基于“双向极小”偏移距观测与纵横波联合解译的超前地质预报技术，实现50-80米范围内米级精度不良地质探测;首创基于刀盘振动频谱特征的地层界面识别方法，软硬界面识别吻合率超80%;革新了基于电磁互感的滚刀磨损实时监测技术，监测量程达100mm，精度达亚毫米级;突破了冲击回波法在钢筋网干扰下的同步注浆检测瓶颈，实现30-60厘米级厚度管片逐环厘米级精度检测;研制了可同时监测16种气体与环境参数的集成传感系统，解决了狭小空间多气体交叉干扰难题。

　　在决策层面：构建了“人工智脑”辅助决策支撑系统，创新了“地质-机械-结构-环境”多源异构数据耦合分析技术，实现了施工参数的智能化建议与风险动态评估，为盾构安全高效掘进提供了科学决策依据。

　　(三)开发“五官一脑”系统并在济南地铁工程中实现首台套应用与持续迭代

　　基于核心技术突破，校企联合成功开发出“五官一脑”盾构智能感控系统。济南轨道交通集团以济南地铁建设为依托，为系统提供了首台套应用和持续优化的宝贵场景：

　　工程化验证与迭代：在济南地铁6号线、4号线等多条线路的复杂区间，完成了系统的首次整体搭载、调试与优化，经历了从实验室样机到稳定可靠的工程化产品的关键迭代。世界首台整体搭载“五官一脑”的“智慧一号”盾构机在济南地铁6号线成功始发并完成490环安全掘进，标志着系统正式进入工程应用阶段。

　　应用流程与标准固化：共同制定了“数据实时感知-风险智能诊断-参数优化建议-措施精准执行-效果闭环验证”的应用流程，将系统深度融入企业施工管理与安全管理体系，形成了可复制的应用范式。

　　三、取得成效

　　(一)技术得到权威认可

　　“五官一脑”盾构智能感控系统”已在关键技术环节形成系统知识产权布局，累计申请发明专利30余项，其中已授权20项(含美国专利1项)，其中有相关专利已达成转化意向，并获第75届德国纽伦堡国际发明展金奖、入选2024世界智能制造十大科技进展、山东省科学技术进步奖一等奖。相关技术装备引领了国际智能盾构信息化提升高质量发展，具有显著而广泛的行业影响力。

　　(二)服务重大工程成绩斐然

　　从服务山东到拓展全国，“五官一脑”盾构智能感控系统已在穿城(济南地铁、贵阳地铁、广花城际等)、过江河(海太长江隧道、黄岗路穿黄隧道等)、越海(青岛胶州湾第二海底隧道)等国内与国际(新加坡地铁CR105隧道、澳大利亚西海岸隧道)等14个城市、20余项重大工程推广应用，实现了江河湖海城的全覆盖。

　　(1)济南地铁(地下最复杂水系)

　　成功穿越断裂带与硬岩地层，保泉核心区沉降<3mm，获业主“保泉利器”称号;

　　(2)胶州湾第二海底隧道(世界规模最大海底公路隧道)

　　10860m超前地质预报中探明断层破碎带63处，6次连续成功预警大型断裂带。

　　(3)高原极端工况应用(海拔4400m)

　　应用于某高原隧道，探明了围岩裂隙发育与含水情况，为掘进姿态和参数调整提供了有效地质依据，改进研发的二衬质量检测系统计划在CZ铁路全线推广。

　　(4)“五官一脑”盾构智能感控系统整体搭载应用

　　世界首台：2022年09月17日，整体搭载“五官一脑”智能盾构“智慧一号”在济南轨道交通6号线下线始发;

　　第二台：2023年11月27日，整体搭载到“齐鲁号”盾构机(山东省内生产制造规格最大)，应用于穗莞深城际铁路项目;

　　第三台：2024年05月19日，整体搭载到“山河号”盾构机(世界在建直径最大泥水盾构)，应用于济南黄岗路穿黄隧道项目;

　　第四台：2025年04月20日，整体搭载到“DL507”盾构机(黄河底掘出全国最长供热隧道)，应用于聊热入济长距离供热工程项目。

　　全性 突水涌砂等大型灾害零事故率 济南地铁：泉水保护区间“零渗漏”,被称为“保泉利器” 掘进效率 复杂地层月进尺提升25%以上 穿黄隧道：2800m安全护航 灾害预警 地质异常超前预报距离超10km 胶州湾二隧：精准规避Fa大型断裂带 资源节约 刀具更换成本降低35%以上 济南地铁：成功掘进490环 质量控制 管片错台量控制±3mm 海太长江隧道：沉降量<预警值50%

　　(三)成本优势

　　“五官一脑”盾构智能感控系统在系统降本、工程实证、产业链价值全方位均展现出明显的成本优势。

　　(1)系统降本

　　类别 节约路径 量化效果 技术支撑点 事故处置成本 超前地质预报规避突水涌砂风险 每百公里可节约成本超35% 地质超前探测距离50-80米，精度米级 刀具耗材成本 滚刀磨损预测指导精准更换 每百公里可节约成本超

　　30% 磨损量监测量程100mm，精度亚毫米级 注浆材料成本 同步注浆效果动态控制 每百公里可节约成本超25% 30-60厘米级管片厚度逐环检测，精度厘米级 人工决策成本 替代传统人工经验判断 每百公里可节约成本超

　　50% “地质+滚刀+结构+盾构”系统数据耦合技术

　　(2)工程实证

　　超大直径盾构(黄岗路穿黄隧道)：钙质结核地层避免刀具非正常损耗;

　　跨海隧道(胶州湾第二海底隧道)：超前预报精准探测10余条断裂带，避免停机损失;

　　国际工程(新加坡CR105隧道)：施工方确认：系统预警3次不良地质风险。

　　(四)社会价值

　　该技术实现了超前地质预报、地层界面识别、不良气体检测、刀具磨损检测、同步注浆检测需求，显著提升了行业技术的进步。

　　保障了重点基础交通工程的安全建造，促进了城市交通网的发展，蕴积了群众绿色出行计划，促进了社会发展和民生幸福指数的提高。

　　实现了隧道的快速建设，打破空间利用局限和区域天然阻隔，切实保护了地下水资源和生态环境，助力区域经济高质量协同发展。