“地下工程机械之王”盾构机，凭借一副“铁齿钢牙”——刀盘上的一把把刀具切削岩土，宛如“钢铁巨兽”一路掘进，穿山越海。其间，刀具不断磨损，需要频繁更换。
高效、安全地为盾构机换刀，是使其保持战斗力的关键。但在地下复杂环境中，依靠人工换刀效率低、风险大。
我国为破解这一行业难题提供了新方案。日前，中铁十四局集团有限公司（简称“中铁十四局”）自主研发的大直径盾构重载智能换刀机器人（简称“盾构智能换刀机器人”），在厦金大桥（厦门段）环岛路隧道“厦金号”盾构机上又一次完成带压（在高压环境下）换刀作业。
这是全球首款盾构重载智能换刀机器人，软硬件实现100%国产化，可覆盖10米至18米级超大直径盾构机全刀盘。自6月25日正式“上岗”后，它已经执行了30多次换刀任务。其成功“上岗”之路，也是科研攻关团队勇闯“无人区”的自主创新之路。
盾构智能换刀机器人出舱到达作业位置，准备开启换刀作业。范少文 摄
勇闯“无人区”，探索带压换刀“无人化”
厦金大桥（厦门段）环岛路隧道内，“厦金号”盾构机停止掘进，刀盘停靠在换刀位置。盾构智能换刀机器人启动换刀自检、智能轨迹规划。舱门打开，它离开自己在盾构机上的“房间”——机器人舱，进入换刀舱，伸出机械臂，取旧刀、换新刀，一气呵成。
一名技术人员在隧道安全区域的操作台前，观察着机器人的一举一动。在项目部位于地面的智慧中心（监控中心）里，其他技术人员正通过大屏幕观看换刀“直播”，对数据进行远程监控分析。
“我们应用了5G+物联网传输技术，隧道内操作台与智慧中心监控大屏的数据实时保持一致。”中铁十四局盾构智能换刀机器人课题负责人刘四进说，技术人员在安全区域通过操作台和数字孪生智慧管控系统下达作业任务，机器人则在危险区域完成换刀操作。这解决了人工带压换刀经常面临的安全风险。
盾构机潜行地下，安全是重中之重。为盾构机换刀曾长期依靠人工带压操作，险之又险。
据介绍，传统方式下换刀需要3名作业人员进入盾构机换刀舱作业，而舱内气压高出标准大气压数倍。换刀全程至少耗时4小时，作业人员往往要反复经历加压减压、多次进舱，还要面临土体坍塌、涌水涌砂、氮麻醉、减压病等多重风险。
我国曾一度需要高价请外国工程师进舱换刀。中铁十四局组织科研人员攻坚，解锁了人工带压换刀核心技术，破解了这一局面。但是，人工带压换刀至今依然面临风险高、成本高、效率较低等问题，如何解决？科研人员探索推行常压换刀技术：通过专用刀筒、套筒和密封机构，将高压开挖面与换刀人员的作业空间隔离开来，使他们可在常压环境下换刀。通过不断创新，中铁十四局已形成三代常压换刀技术，并在数十座大直径盾构项目中推广应用。
不过，常压换刀技术也有局限性。“专用刀筒等会占用刀盘空间，导致刀具减少、刀盘开口率降低，影响开挖效率。同时，复杂刀盘的制造和维护成本也相对较高。”中铁十四局大盾构与地下空间科技发展研究院（简称“中铁十四局大盾构研究院”）院长王华伟说。
常压换刀难以适应极端复杂条件下高效掘进的要求，而随着隧道建设向更深地层、更长距离延伸，人工换刀的风险和成本又被成倍放大。能不能把人留在安全区“看着干”，让机器人进入危险区“替人干”？
2020年，中铁十四局组建攻关团队，以机械化、少人化、无人化的智能施工为目标，启动研发盾构智能换刀机器人。当时，国内外没有成熟产品可参考，堪称向“无人区”进军。王华伟回忆：“大家想摸着石头过河，但连石头在哪都不知道。”
攻关团队多次奔赴科研机构、高校，经过反复研讨、论证，最终确定了“重载机器人带压换刀”的技术路线。
中铁十四局研发人员启动盾构智能换刀机器人。范少文 摄
让机器人既有“大力士”的力量，又有“外科医生”的精细
盾构智能换刀机器人在盾构机内部闪转腾挪、精准操作，靠的是灵活的躯体、可伸缩的手臂、灵巧的手部、能夜视的眼睛以及聪明的大脑。
“‘智能’不是简单地把人工动作机械化，而是让机器人具备看得见、找得准、算得清、走得稳的能力。”刘四进说，“以前是工人凭眼睛和经验换刀，现在是由数据告诉机器人刀在哪里、怎么过去、如何换。”
说来容易做来难，每一个部位的研发都是一道难关。
重载可伸缩机械臂是机器人的“手臂”，负责转运刀具、更换新刀。在盾构机内部有限的空间内，“手臂”既要伸得远、又要绕得开复杂的管线、设备。刘四进介绍，盾构智能换刀机器人拥有“11个自由度”，也就是有11个可以独立控制的运动关节，这使其行动更加灵活。
手臂末端的“灵巧手”——全能型末端执行器，集成螺栓拆装、滚刀夹持、夹爪伸缩等十余项功能模块，负责完成换刀“冲洗—定位—拆螺栓—抓刀—运刀—装刀—紧螺栓”等全流程动作。其额定负载为500公斤，相当于为“手臂”配上了半吨级的“腕力”。
盾构滚刀很多都重达200公斤以上，机器人换刀时不仅要抓起沉重的刀具，还要在“手臂”远远伸出时仍能保持稳定和精确。任何微米级的偏差，都会在末端放大为厘米级的定位误差，加工精度要求极为苛刻。
攻关团队成员住进设备厂家，白天守机床，晚上推敲方案。如今，机器人可以在500公斤负载下保持1毫米的控制精度，既有“大力士”的力量，又有“外科医生”的精细。
让机器人在地下“看得见”，很重要但也很难。“机器人如果‘看不清’，就难以实现真正的智能控制。”中铁十四局智能控制研发工程师马浴阳说，“实验室里灯光明亮，但盾构前舱里昏暗、潮湿，还有泥浆、水雾和污渍，普通摄像头很容易‘失明’。”
攻关团队迎难而上，把多种方案拿到真实环境里反复试验，最终确定了多源感知定位技术，构建起3D红外机器视觉“看路”、超声波测距“辨位”、惯性导航“平衡”的综合感知网络。这提高了机器人的定位与识别能力，使它在昏暗、潮湿、泥浆飞溅的环境里也能精准识别刀具位置、状态等。
要让“眼睛看得见”，还要让“大脑算得清”。马浴阳介绍，攻关团队基于数字孪生技术，经历二十多轮迭代，搭建起了虚实融合智能换刀系统。这是机器人的“大脑”，可以做到对换刀作业“事前仿真规划、事中监测预警、事后溯源分析”，实现全程智能化管控。依托聪明的“大脑”，机器人更换单把滚刀只需25至40分钟，效率提升50%以上。
实现软硬件100%国产化，把整个系统真正掌握在自己手里
从实验室走向实际应用，面临更多挑战。
“最大的挑战是怎么让一个重量大、负载高的‘大力士’，在盾构机狭窄的空间里完成精细动作。”中铁十四局机械设计研发工程师魏英杰说，“实验室里很简单的动作，到了地下盾构施工现场会变得非常复杂。机械臂稍微偏一点，就有可能碰到盾体结构、舱门或者管线。我们不断调整机械臂构型、运动轨迹和设备接口，把每一个可能发生碰撞的位置都找出来，一点点予以优化。”
作为一台既有盾构机，“厦金号”的设计制造是围绕人工换刀而进行的，并未考虑安装大型机器人。怎样在不影响盾构整体功能和工期的情况下，把机器人“塞”进去，使数十吨重的机器人舱舱体与上百吨重的盾构机盾体实现精密连接？
攻关团队一方面持续优化机器人本体，另一方面对盾构机开展针对性改造，同时重新建立机器人与盾构刀盘之间的坐标关系。他们采用“可移动滑轨+高度可调支撑结构”组合设计，将对接精度控制在毫米级。
厦金大桥（厦门段）环岛路隧道施工条件复杂。隧道紧邻海岸线，地下水位高、基岩起伏大，施工要穿越较长距离的上软下硬复合地层，会遇到孤石、基岩凸起等障碍。中铁十四局盾构机械专家王军打了个比方：“盾构机穿越这种地层，就像我们吃东西时一口同时咬到了面包、硬糖和石子，刀具不同位置受到的冲击力不同，磨损状况差别很大，换刀需求更加复杂。”
复杂的施工条件、换刀需求、作业环境，成为检验盾构智能换刀机器人工程适应能力的“试金石”。自“上岗”之后，机器人便跟随“厦金号”前进，将一直服务到相关盾构任务结束。王军说，通过一个完整项目周期的应用，可进一步检验其各方面能力，为后续设备优化和推广应用提供依据。
在盾构智能换刀机器人研发制造过程中，攻关团队围绕国内产业链进行选型、设计和验证，经历大量集成测试、现场迭代，把整个系统、关键技术都掌握在了我们自己手中，软硬件实现100%国产化。目前，我国围绕盾构智能换刀机器人已申请专利40余件，登记软件著作权7项。盾构智能换刀机器人现阶段已经具备小批量、工程化、定制化生产的条件。
王华伟介绍，下一步，攻关团队将推动盾构智能换刀机器人小型化、轻量化发展，使其“身体更轻巧、大脑更聪明”，并逐步形成不同规格的系列化机器人。同时，推进机器人舱、刀箱和接口标准化，完善磨损监测、自主决策、路径规划等智慧功能。将来，为盾构机换刀可根据盾构直径和内部空间选择合适的机器人型号，实现重复使用和转场应用。
我国是世界隧道建设规模最大的国家。可以预见，随着穿江、跨海等重大工程不断增多，盾构智能换刀机器人将有广阔应用空间。（本报记者 初英杰）
以严实作风护航科技创新
开挖直径达16.15米的“厦金号”盾构机一路向前掘进，厦金大桥（厦门段）环岛路隧道项目建设稳步推进，盾构智能换刀机器人功不可没。
在研发、应用盾构智能换刀机器人，破解制约行业发展“卡脖子”难题的过程中，中铁十四局党委坚持建强基层党组织、发挥党员先锋模范作用、弘扬优良作风，把党组织凝聚力转化为科技创新战斗力。中铁十四局纪委聚焦科研项目立项、经费使用、成果转化等关键环节，以精准监督护航科技创新，以严实作风保障项目高质量推进。
盾构智能换刀机器人攻关团队在南京，制造基地在南通，施工现场在厦门，如何凝聚攻坚合力？中铁十四局党委围绕重大科研项目，牵头成立临时党支部，建立常态化跨单位协同攻坚制度，实现科研攻关统一领导、资源统一调度、任务统一推进。
临时党支部通过常态化开展党纪法规、科技创新政策等内容的教育宣讲，引导科研人员树立和践行正确政绩观。划分党员责任区、设置党员攻坚岗、组建党员突击队，党员带头攻坚，冲在算法攻关、装备调试、现场试验的最前方。在盾构智能换刀机器人的视觉识别系统研发中，党员突击队连续驻守试验场地数月，反复调试算法参数，攻克高粉尘、高湿度环境下刀盘定位精度不足的难题，实现换刀目标毫米级精准识别；在自适应换刀模块攻关中，党员技术骨干带头进驻制造基地，逐项优化机械臂动作逻辑，最终实现复杂工况下换刀流程的全自动稳定运行。
中铁十四局纪委将“科技创新与产业创新融合”纳入监督重点内容，综合运用政治监督、同级监督两类清单开展常态化调度，搭建“职能监管+纪检监督”模式，将监督触角延伸至科技创新全周期、各环节。
科研项目立项之初，中铁十四局纪委定向发布工作提示，推动围绕技术路线论证、关键部件选型、系统集成方案等开展“穿透式”监管。在研发过程中，联合审计、财务、设备物资等部门，跟踪监督科研经费的预算编制、审批流程、使用进度等，确保流程规范，科研资金用在“刀刃”上。
同时，常态化开展廉洁教育、警示教育。中铁十四局纪委组织科研团队前往江苏省党风廉政警示教育基地参观，以真实案例敲响警钟，引导科研人员筑牢思想防线；将“关键少数”作为监督重点，通过提醒谈话等方式加强监督，压实责任，管住“绝大多数”；组织集中观看自制警示教育片，以身边人、身边事让科研人员在震撼中受触动、在反思中知敬畏。中铁十四局纪委有关负责人说：“通过严格监督、加强教育、常态提醒，为项目建设提供了坚强的纪律保障，为科研人员营造了风清气正干事创业的氛围。”