2024年度中国盾构TBM隧道智能建造蓝皮书

目 录前 言 1一、盾构/TBM隧道智能建造新兴发展 3（一）国家战略驱动智能化发展势在必行 3（二）隧道行业的转型升级需要智能化支撑 5（三）盾构/TBM隧道建造技术发展突飞猛进 8（四）盾构/TBM装备自主技术快速发展 10（五）盾构/TBM隧道建造技术代纪形成 13二、新一代信息技术和机器人技术深度赋能 17（一）传感器、5G、物联网技术 18（二）大数据技术 19（三）人工智能技术 19（四）BIM+GIS技术 20（五）机器人技术 21（六）云计算技术 22三、盾构/TBM隧道建造智能技术取得突破 22（一）智能感知竞相深化 23（二）智能设计有序推进 26（三）智能预制迈向成熟 27（四）智能掘进快速发展 29（五）智能安装纵深推广 31（六）智能构筑持续进步 33（七）智能环控大势所趋 34（八）智能运输初显效用 35（九）智能管控日臻完善 36四、面临问题挑战及对策 38（一）问题与挑战 38（二）对策与建议 40结束语 43前 言当今世界，人类正面临国际政治格局加速演变、全球经济增长放缓、产业变革日新月异、新一代信息技术和工业技术快速发展等巨大机遇与挑战，各行各业正经历着前所未有的变革5G技术，正快速与传统行业深度融合，经济社会变革的磅礴大势已将建筑业推到转型升级的历史关口。隧道工程[1]是国民经济发展基础设施的重要组成部分，近54000/TBM法作为高度机械化的隧道施工方法，相较其他隧道施工方法具/TBM法修建的占比已超过50%，而中国相应占比不足15%，盾构/TBM隧道在中国具有巨大的发展前景。本蓝皮书从上承勘察初步设计、下接运营维护的隧道智能示了中国盾构/TBM内外人士开展隧道智能建造研究与实践提供参考和借鉴。隧道行业“提质增效、绿色低碳”是盾构/TBM隧道智能建隧道智能建造技术全/TBM生活贡献智慧和力量。【注1】本蓝皮书所指隧道工程包括交通隧道、输水隧洞、地下能源洞库工程。一、盾构/TBM隧道智能建造新兴发展近二十年来，中国隧道建造行业得到了快速发展，隧道总7快速发展，盾构/TBM必然趋势。（一）国家战略驱动智能化发展势在必行从劳动密集型向技术密集型转变、从粗放式向集约式升级。202013部委联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》明20252035因此，建筑行业智能化建造是高质量发展的必然选择。随着市场环境和竞争模式的变化，建筑业转型迫在眉睫，从传统的劳动密集型作业模式向机械化、智能化作业模式转变，是科技进20162023年，建筑业大龄从业者占比与年轻从业者占比呈明显剪刀差，建筑工人的老龄化趋势明显；从专业技术人才培养看，即使在全国高校持续扩招的大趋势下，土木工程专业招生吸引力逐年下降，20202024年，土木工程专业类的计划人数占比从3.4%下降至2.92%图1建筑行业从业人员年龄构成变化趋势图2全国本科普通批土木类专业计划招生人数（二）隧道行业的转型升级需要智能化支撑中国隧道建设规模持续增长。20132023年底，铁路89392350810.15%960630231.8千12.15%866812.18%（中国土木工程学会隧道及地下工程分会、交通运输行业发展统计公报等）。图3近10年中国隧道建设规模发展“一带一路”倡议加速中国隧道行业走向国外。1998年，中国隧道施工企业进入新加坡地铁盾构隧道建造市场；随着2013919.2千米的“中亚第一长隧”卡姆奇克隧道建设，该隧道是丝绸之路重要国际运输走廊“中国一中亚一欧洲”的关键性工程。201524千米的以色列特拉维夫轻轨红线，该工程是以色列建国以来最大的政府特许基础设施建设项目，全部采用中国盾构施工装备及技术；2017C885等多个2018年在欧洲参与建设首个地铁工程——莫斯科地铁第三换乘环线西南段项目。2021TBM修建格鲁吉亚328.86千米的隧道建设；2021也是南亚首个采用盾构法建设的水下大直径隧道项目。“一带一路”倡议为中国盾构/TBM隧道建造技术在国外的全面拓展带来了机遇。a）乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道 b）莫斯科地铁第三换乘环线西南段c）格鲁吉亚KK公路隧道 d）孟加拉卡纳普里河底隧图4中国修建的典型国外隧道盾构/TBM法隧道建造前景广阔。/TBM/TBM90%70%。同时，盾构/TBM造的工程隐蔽性缺陷更少，成型隧道结构质量更容易保障；施工扰动更小，施工排污更少，施工环境影响更低；从隧道建造全生命周期看，盾构/TBM工程采用盾构/TBM50%15%/TBM隧道工程具有地质/TBM技术成为必然的发展趋势。（三）盾构/TBM隧道建造技术发展突飞猛进中国盾构/TBM隧道建造技术迅猛崛起。东北阜新煤矿采用手掘式盾构修建疏水巷道，揭开了中国盾构施工技术从无到隧道施工主要是依靠国外团队，天生桥二级水电站引水隧洞、万家寨引黄入晋隧洞工程、引大入秦工程均是引进国外设备和隧道建造技术进入自主阶段，特别是西康铁路秦岭隧道自主施TBM531310米的好成/TBM21世纪，使用多种类型盾构/TBM（TBMTBM）建造的隧道如雨后2.5（淮河能源张集矿北区17.5（济南市黄岗路穿黄隧道（武汉长江隧道、汕头海湾隧道等）；隧道断面既有常规的圆形，也有马蹄形、矩形等异形断面（蒙华铁路白城隧道为马蹄形断面，郑州纬四路下穿中州大道隧道为矩形断面）。从完全依靠国外团队建造到完全自主建造，中国已掌握了盾构/TBM隧道施工技术，隧道建造技术水平进入世界前列。a）淮河能源张集矿北区矿用TBM b）海太长江隧道c）武汉长江隧道 d）蒙华铁路白城隧图5典型盾构/TBM隧道工程（四）盾构/TBM装备自主技术快速发展从国外引进到联合制造。2060年1201985TBM10.8米，中国开启了全断面隧道掘进机装TBM3号线大汉区间引进海瑞克复合盾构等。2007年，为掌握先进的盾构/TBM装备制造技术，依托广深港狮子洋隧NFM开展装备联合6图6国外引进TBM 图7联合研制泥水盾构“86320083号线，实现盾01的跨越，拉开国产盾构的序幕。随后通过863、973攻克了盾构/TBM2.6-8米主轴托汕头苏埃通道研制国产首台超大直径常压换刀泥水盾构，依7号线研制了三模盾构，依托蒙华铁路白城隧道研制首台马蹄形盾构，依托深江铁路珠江口隧道研制最大工作水千帕米）盾构。a）国产首台复合盾构 b）国产首台TBMc）国产首台马蹄形盾构 d）国产首台超大直径盾构e）国产首台三模盾构 f）国产水压最大的泥水盾构g）国产首台具备自主掘进盾构 h）国产最大直径盾图8典型国产盾构/TBM装备盾构/TBM产销稳居全球首位。目前，中国已经成为全球盾构/TBM础设施建设需求大幅增加，盾构/TBM年生产数量在2015—20172022700台，243亿元。应用领域从传统的交通、水利水/TBM40户评价中名列前茅，积累了丰富的业绩和国际行业认可度，大国重器成为响当当的“中国品牌”。图92015—2023年中国盾构/TBM年生产总量（五）盾构/TBM隧道建造技术代纪形成盾构/TBM隧道工厂化作业特点，是隧道建造新代纪形成的基础。结构件工厂化和工序模块化是盾构/TBM法施工中的重要特点。结构件生产从传统的现场施工转变为在工厂内进行成本具有重要意义。工序模块化将施工中各个工序进行拆分，与传统隧道施工方法相比较，盾构/TBM的基础条件，推动了隧道建造数智时代的到来。国外盾构/TBM智能建造技术不断发展，隧道数智建造时代已经开启。国外，隧道建造技术也在向智能建造方向发展在隧道结构拼装方面，2015 年法国布依格（BouyguesConstruction）团队研发了Atlas管片自动拼装系统，在英国高速铁路二隧道应用验证显示其运行过程中仍需人工监控，最后的验收和检查阶段也需要人来完成，从自动化到无人化的最后一步始终难以迈出；在智能掘进系统研发方面年马来西亚MMCGamuda公司开始研发A-TBM系统搭载号号盾构上据报道在澳洲悉尼地铁西线成功应用。总体看，国外盾构/TBM智能建造技术正处于不断研究和发展中，隧道建造数智时代已经开启。a）Dobydo管片定位机器人 b）Atlas管片自动拼装系图10法国布依格团队研发管片安装机器人a）“Betty”号盾构始发 b)A-TBM系统架构示意图马来西亚MMCGamuda公司研发A-TBM系统发展。243921947项智能建造相关标准、定额和导则，内容涉及建筑信息模型（BIM）、建筑机器人、智能建造项目评6个城市落地实施。有99所高校开设智能建造专业或方向，2022年招生3562人，2023年招生5539人。一批大型建筑企业、大学、科研院所及装备制造商等积极布局智能建造，建立研发平台、储备人才队伍、实施项目研发，一些已在特定领域形成独特的技术优势。专业人才的体系培养，促进了中国隧道建造数智时代的发展。中国盾构/TBM隧道建造技术蓬勃发展，隧道建造代纪不中国盾构/TBM不断向前发展；在计算机技术和电液控制技术推动下，盾构/TBM隧道建造核心装备与施工关键技术取得重大突破，在新一代信息技术、高端装备制造技术的驱动下，盾构/TBM术已跨入数智化时代。总体来讲，中国盾构/TBM术可以划分为机械化、自动化与智能化三个时代九个纪元，目前，盾构/TBM隧道智能建造技术处于快速发展阶段。表1中国盾构/TBM隧道建造技术代纪划分时代纪元技术特征里程碑标志开启年份机械化时代初创纪（J1）手掘式盾构研制应用，网格气压盾构研制应用，半断面插刀盾构研制应用。阜新煤矿疏水巷道、上海打浦路越江公路隧道北京地铁复-八线区间。1953年机械纪（J2）加泥式土压盾构研制应用。上海市南站过江电缆隧道1987年自动化时代引进纪（Z1）盾构/TBM隧道建造技术，进应用。天生桥二级水电站引水隧洞。1985年研发纪（Z2）盾构/TBM国产化突破天津地铁3号线、吉林引松供水工程。2008年多元纪（Z3）多类型多模式盾构/TBM研制应用。蒙华铁路白城隧道（首台马蹄形盾构）、汕头海湾隧道（盾构）7号线（首台三模盾2014年构）。数联纪（SZ1）工程多要素群组互联，辅助掘进、辅助安装、故障诊断。建成行业工程大数据平台，辅助掘进系统在上海机场联络线工程应用。2016年形成“智能感知、智能设智能掘进I-TBM(IntelligentTBMBoringSystem)系统在崇太长江隧道成功应用。计、智能预制、智能掘数智化数智纪Ⅰ（SZ2）进、智能安装、智能构筑、智能环控、智能运2024年时代输、智能管控”隧道建造技术体系。数智纪Ⅱ（SZ3）感知-决策-运算-执行全系统协同，自监测-自诊断-自决策。建成行业“隧道云”。——数智纪Ⅲ（SZ4）隧道基础通用大模型应智能。发布“隧道”大模型。——备注：表中“J”、“Z”、“SZ”分别为机械化时代、自动化时代、数智化时代的简称代号。二、新一代信息技术和机器人技术深度赋能5G26.8国产化进程加速，已连续场，近三年新增装机量占全球一半以上。（一）传感器、5G、物联网技术多资源要素动态实时感知。5G5G技术作为第五代移动通信技术，是目前移动通信领域中最先进的技术保障了盾构/TBM隧道工程工业物联网信号传输问题。化的智能感知器件与移动互联网融为一体，实现对客观世界的全面感知、信息传输、数据的智能化处理，是连接物理世界、具有感知功能、实时可靠的物理网络体系。国内施工企业基于物联网技术开发企业级盾构/TBM掘进机及智能运维全国重点实验室研发集“智能监控、综合分/TBM工程大数据管理应用平台，有力推动隧道智能建造技术发展。（二）大数据技术起以数据为核心驱动力的创新能力。量全方位的监测。（三）人工智能技术AI技平台，实现“AI+”产业赋能。当今世界，AI决策支持等，推动产业升级与经济结构调整。隧道建造已经站在转型关口，AI赋能必将推动隧道建造新质生产力形成。AI技术已经推动隧道建造快速发展。AI技术驱动的施工管理系统通过分析施工数据，自动调整施工计划、优化人力资源分配，不仅提高作业效率，也有效缩短工期、节约费用。利用传感器和物联网技术，施工现场的实时数据被及时收集和分系统实时监控施工装备运行数据，对设备故障和异常及时预警，保AI监测系统分析保障工人的安全和施工环境的稳定。（四）BIM+GIS技术BIM+GIS隧道等BIM性，实现隧道设计与投资协同控制。构建全阶段多专业设计闭合环，支撑隧道建造正向设计。BIM模型+GIS球坐标驱动，全过程场景交互，隧道构建定向驱动、参数化建模、结构分析计算、绘图算量一站式同步集成设计等贯通隧道设计全流程，构成完整的设计闭环。以全新三维为内核，多专业协同平纵横设计、标准化结构参数、内部构件、智能交切硐室及衬砌、打破洞内低效壁垒驱动机电高效优化时序场景匹配设计与隧道设计/运维全面协同。根据BIM（五）机器人技术应用势头正盛。机器人是隧道智能建造装备的重要组成部分。盾构/TBM隧道智能建造，装备智能化是关键。对于自动检测与环境感知方面，需要高精度位移、激光测距、避障、接近开关、限位开关等检测元件，测量并校验相关数据，构建位置与环境关系模/TBM隧道智能建造全部环节，比如仓内检测机器人、刀具更换机器人、管片安装机器人等技术亟待突破。（六）云计算技术处理与应用发布，具备良好的硬件基础。为信息技术产业发展的战略重点，中国云计算市场规模位居全20246165造大模型构建提供了条件。三、盾构/TBM隧道建造智能技术取得突破年以来一些大型国企构建盾构/TBM年，隧道掘进机及智能运维全国重点实验室（掘进技术国家重点实验室”）业盾构/TBM700行业发展基础，隧道智能建造开启了新篇章。图12盾构/TBM工程大数据中心经历多年攻关，突破了工程多要素数据交互融合治理、云端关键参数预测、边缘互馈算法、模糊控制等技术，逐步形成了以盾构/TBM工程大数据为支撑，包含“智能感知、智能设计、智能预制、智能掘进、智能安装、智能构筑、智能环控、智能运输、智能管控”为一体的盾构/TBM隧道智能建造技术体系。（一）智能感知竞相深化盾构/TBM隧道智能建造高度依赖于智能感知技术，随着HSP盾构/TBM装备集成搭载，以及隧道结构的无损检测、光纤监都在深化发展。在国家重点研发计划项目“智能互联装备的网络协同制造//TBM制造/感知总体解决方案，推动了盾构/TBM通应用。成像技术，具备全天候、高分辨率成像、地表穿透以及大范围监测能力，HSP探测、高密度电法、激发极化法技术，开展装备集成式应用。利用岩渣图像地质识别、盾构/TBM掘进参数地质反演技术也取PHM技术逐步推广应用。PHM（PrognosticsandHealthManagement）/TBM/TBMPHM图13盾构/TBM故障数据趋势分析与预警采用模块化设计理念，搭载汽车底盘、轨道平板车等载体，集成基于机器视觉技术的隧道结构机器视觉智能监测系统。具备隧道衬砌结构内部病害，表观病害，几何空间形变一体化智能检测与隧道结构竖向位移、水平位移、净空收敛变形实时监测等功能。在隧道工程建造施工、竣工验收、运营期等多阶段质量检测推广应用。图14隧道智能综合检测车（二）智能设计有序推进BIM+GIS/TBM隧道工程BIMBIM构/TBM隧道综合设计系统，包含隧道洞口、隧道竖井/过程控制、全参数化智能设计。“BIM+GIS设计技术在工程建造设计/施工集成应用，形成了盾构/TBM/效率和成果质量。图135隧道管片智能设计建模（三）智能预制迈向成熟在新兴技术带动下，传统隧道预制混凝土结构件（底部弧形件、中隔墙等，以下简称“构件”）级。图16构件钢筋骨架标准化生产建成隧道构件绿色智能生产线。研制“模具开合-清理-喷涂-浇筑-+28PC件成品质量。应用智能清模、喷涂、抹面机器人，实现结构件钢筋笼加工、入模，模具清理、喷涂脱模剂，与混凝土浇筑、振捣、抹面等全工序自动生产。图17管片绿色流水生产线APP扫码和BIM图18隧道预制混凝土构件智能工厂（四）智能掘进快速发展行业进行了盾构/TBM智能运维全国重点实验室研发盾构/TBM智能掘进控制系统（IntelligentTBMBoringSystem,I-TBM系统形成新一代盾构/TBM5G通信、物联网技术研发盾构/TBM边缘反馈控制，终端精准执行的新一代盾构/TBM-图19云边端盾构/TBM智能掘进控制架构突破分类地层数据预测算法。挖掘融合方法，构建不同地层掘进、姿态等主动参数预测、被动参数预警与异常事件预报熔断中小模型算法体系。掘进更高效，姿态更精准，隧道建造质量可保障。图20盾构智能掘进控制系统参数预测现了仓内压力自适应，掘进-出渣自调整。图21盾构智能掘进控制系统姿态控制（五）智能安装纵深推广工程质量、修建速度与降低综合成本。--作业自运行”的全流程无人操作。研发了管片安装自编排技术，突破了管片安装激光信号预处理，视觉滤波、图像干扰处理、K定位精度达到厘米级。辅助管片安装系统，降低操作人员劳动强度，提高了作业效率，为管片无人安装奠定基础。管片智能吊运 b）管片自主编排 c）管片智能辅助安图22管片吊运装机器人技术应用AI属构件精准拼接、无人安装。a）中隔墙智能拼装机器人 b）弧形件拼装机器图23隧道预制结构拼装机器人（六）智能构筑持续进步在盾构或敞开式TBM隧道结构二次衬砌方面，隧道混凝土构筑台车向数字作业、自动控制与数智能化监控方向发展。隧道二衬拱部预制拼装新技术正在探索，随着新工艺、新工法与新技术的实现，隧道智能构筑将进一步发展。研制新型盾构/TBM隧道智能衬砌台车。智能衬砌台车具备智能姿态管控、智能浇筑管控、智能振捣管控等功能。在姿态调整方面，可以自动定位、自动搭接、自动封堵、模板应力监控；智能浇筑管控可以实现浇筑位置监测、浇筑换位控制、模板斜面注浆等；根据工况情况，实时控制振捣时间，实现自动振捣，提升振捣效率和密实度。开发数智化管控系统，实现构筑全面管控。图24新型TBM隧道智能衬砌台车法。建立拱部预制块运输、吊升、平移、安装、纵向预紧等全过程拼装控制标准，实现拱部预制块高精度拼装。图25隧道二衬拱部预制拼装（七）智能环控大势所趋以“绿色节能、减碳增效、避灾减灾”为目标，保障盾构/TBM工人员身心健康，防控有害气体引发工程风险，形成了盾构/TBM隧道智能环境监测技术及智能通风控制技术。形成盾构/TBM隧道环境监测技术。根据盾构/TBM/TBM（实现风险分级预报、预警与应急处置。尘、温湿度、风速等环境监测，采用深度学习算法和PID(Proportional-Integral-Derivative)控制技术，智能识别当前的隧道施工工序和环境状态，实时驱动设备运行和变频器调整，实现通风系统节能运行，保障作业环境空气质量。图26盾构/TBM隧道环境监测 图27隧道智能通风系统（八）智能运输初显效用无人驾驶技术带动了传统运输转型升级。隧道物料运输具有地下空间狭长、工况复杂多变、突发障碍物多等特点，盾构/TBM现了隧道车辆智能调度，无人驾驶。研发隧道L4采用W（UltraideBand,HighFrequency）无线定位、三维高精度激光雷达障碍物识别等技术，研发了隧道长距离无人驾驶运输系统，具备车辆智能启停、自主转向、车速L4级智能驾驶。a）车辆行驶障碍物检测 b）运输车辆无人驾驶状图28隧道无人驾驶技术形成隧道车辆智能调度技术。构建盾构/TBM物料运输施工生产数据库、车辆运行信息数据库与列车限速状态数据库。研发车辆调度管理系统，自动生成当日运输排班计划表；根据轨线规划、同向行车、对向错车、限速区域等条件控制车辆；图29隧道车辆智能调度系统（九）智能管控日臻完善为加强对工程项目全过程、全方位、全流程的施工管控，按照“一图看全场，一模贯到底”理念，行业建立了工程智能/造综合效率，实现了工程全要素管控。搭建隧道建造工业互联网。BIM、GIS表沉降变化等监测。隧道建造多智能体全面集成。图30隧道建造工业互联网 图31隧道建造多智能体集成控制工程各生产要素协同管控。互联多业务互馈体系。具备安环、进度、生产、人员、物料、成，实现了隧道工程建造管理转型升级。图32工程各生产要素协同管控四、面临问题挑战及对策（一）问题与挑战隧道全要素数据感知处理能力不高，影响盾构/TBM隧道隧道空间狭长、工程要素众多。隧道全要素数据感知能力尚有不足，管片接缝渗漏水、管片拼装接缝宽度及错台量均未实现自动化或智能化。地质超前探测技术局限，多手段探测融合技术还存在短板，不同结构化信息的异步性和矛盾性，地质解译成