六月鹭岛，骤雨初歇。厦金大桥(厦门段)环岛路隧道深处，“厦金号”盾构机蛰伏于地层之下。与往日不同，逼仄的换刀舱内空无一人，唯余泥浆翻涌。监控大屏上，一尊钢铁巨臂如蛟龙探海，在浑浊中精准锁位、擎起、旋拧——一把重达两百公斤的滚刀被稳稳取下，新刀旋即嵌入刀盘。三十分钟，数据回传，一切如常。

这是历史性的一瞬。中国工程院院士钱七虎、梁文灏、肖明清在监控中心凝神注视、共同见证：我国大直径盾构施工，第一次由机器人独立完成换刀作业。自此，大盾构带压换刀作业正式挥别“人进舱”的惊险时代，迈入“无人化”的智能新纪元。

这台拥有完全自主知识产权的智能换刀机器人，集11个自由度、500公斤负载能力于一身，可覆盖10米至18米级超大直径盾构全刀盘，软硬件国产化率达100%。而它的“大脑”与“神经”，则跨越千里，始发于济南总部，精准指挥南京、厦门两地协同作战。这是中铁十四局科研团队历时六载，在“无人区”中踏出的一条荆棘与荣光并存的自主创新之路。

生死考验：“刀尖上跳舞”的换刀人

要理解这项“全国首台”技术突破的分量，先要理解换刀之险。

盾构机被称为穿山越海的大国重器，刀盘最前端的滚刀如同巨兽的“铁齿钢牙”，日复一日切削岩土，磨损极快。然而，更换这些“牙齿”，长期依赖人工带压进舱作业。作业人员需进入比标准大气压高出数倍的加压舱，在狭小、昏暗、泥泞的空间里作业。每名工人单次有效作业时间仅20分钟至40分钟，之后必须经历数小时减压，否则带来的减压病可能致命。此外，掌子面失稳、涌水涌砂、有害气体侵入等风险如影随形。这一工种，被称作“刀尖上跳舞”。

被称为“国内带压换刀第一人”的赵斌至今记得，2008年以前，进舱换刀只能高价聘请外国工程师，一次花费60万元。即便今天，传统方式仍需3名作业人员耗时4小时以上，单次费用数万元。随着我国隧道工程向更深地层、更长距离、更复杂地层延伸，人工换刀的风险和成本被成倍放大。

常压换刀技术虽已有探索，但需在刀盘上加装一个个独立密封舱室，会挤占刀盘空间、减少刀具布置数量，难以适应复杂地质条件下的高效掘进需求。有没有一种方案，能让机器代替人，进入那个最危险的作业面?

从零起步：“石头在哪，没人知道”

2021年年初，中铁十四局大盾构与地下空间科技发展研究院的一间会议室里，关于“换刀机器人”的第一次正式讨论，气氛有些沉闷。

“国内外没有成熟产品可以参考，资料也少得可怜。”2026年8月1日，中铁十四局大盾构研究院院长王华伟在接受记者采访时回忆说，“说白了，大家都是摸着石头过河，但石头在哪，没人知道。”彼时，全球范围内，盾构换刀机器人尚无一项成熟的工程应用。

科研团队先后奔赴中国科学院、清华大学、大连理工大学等机器人与装备领域优势高校，密集组织专题研讨。两条技术路线浮出水面：重载机器人带压换刀、桁架机器人常压换刀。两条路线各有优势，团队决定不搞“二选一”，两个团队揭榜挂帅，并行攻关。一年后，两套方案同时铺开，从技术成熟度到工程适配性，从加工难度到安全风险，每一项被反复掂量。最终，团队决定放弃常压路线，将所有优势资源集中投向带压换刀机器人。

“这个决定不轻松。”王华伟说，“但方向不聚焦，后面什么都推不动。”

方向定了，真正的技术攻坚战才刚刚开始。

逐关攻克：从0.05毫米到150毫升

多级伸缩臂是机器人的“手臂”，末端额定负载500公斤，臂体加工精度近乎苛刻——任何微米级的偏差，都会在末端放大为厘米级的定位误差。

几位科研骨干直接住进设备生产厂家，与一线工人同吃同住，白天守机床，晚上推敲方案。“有一次我们在车间里反复测量，工人师傅都看不下去了，说你们这差一丁点儿根本看不出来。”科研骨干魏英杰回忆说，“但机器人这东西，差一丁点儿到了现场就是大问题。”最终，伸缩臂滑条与滑移接触面的配合间隙被锁定在0.05毫米——一根头发丝的直径。装机后，伸缩臂运行平顺无卡滞，结构刚度完美满足重载工况要求。

伸缩臂刚拿下，刀座又泼了一盆冷水。初代产品采用加长楔块结构，试验中发现螺杆受弯极易疲劳断裂。“螺杆一旦断了，换刀作业直接失败。更严重的是，断裂的螺杆和滚刀可能掉进舱内造成次生风险。”大盾构研究院副院长、项目负责人刘四进说。团队连夜启动力学机理分析，提出增设反斜面抵消附加弯矩。随后一周，有限元仿真跑了几十组角度，最终敲定最优构型。改良后的一体化刀座上机测试，螺杆受弯问题彻底解决。

刀座过关了，摆动缸又把大家卡在半路上。它是机械臂的重要“关节”，原理样机角度控制精度可达0.01°，但密封结构存在内部泄漏偏大的缺陷。攻坚组多次赶赴油缸生产厂家推敲方案，密封道数从一道增至三道，泄漏削减效应却逐次递减;更换多种密封型式，数据始终徘徊在目标线之上。团队冷静复盘后打出“组合拳”——密封道数优化、密封型式比选、装配工艺精进三管齐下。数轮试验后，内泄漏量被稳稳控制在每分钟150毫升以内，关节自锁能力达到设计指标。

三大难关相继攻克后，“螺栓对位”成了最后一道关卡。刚性扳手只有4毫米的径向容差，角度偏差稍大就对不上;而市面上成熟的万向自适应扳手外形尺寸偏大，根本塞不进机械臂末端巴掌大的空间。

“没有现成工具，那就自己造一个。”刘四进说。团队自主研制新型自适应扭矩扳手，轴向补偿量达到10毫米，角度容差达到5°。这意味着即使在舱内视线受阻、操作空间极为有限的条件下，机械臂也能精准完成对位。

“其实这都是我们在遇到问题、解决问题的过程中学习和摸索出来的。”回望一路磕绊，刘四进说，“没有谁一开始就知道答案，都是一步步试出来的。”

装上“眼睛”和“大脑”

机械结构装配完成，机器人有了“骨架”和“四肢”。但在研发团队看来，这还远远不够。“光有一副好身板不行。”科研骨干马浴阳说，“它得在舱里看得见、认得准、自己会琢磨先拆哪把刀。”

舱内昏暗泥泞、泥浆飞溅。以前工人进舱换刀，靠的是眼睛和经验，可常规摄像头在覆泥、弱光、高湿环境下根本看不清。团队把市面上主流的视觉方案挨个搬进盾构机实舱，做了大量对比试验，最终选取3D红外机器视觉定位技术——即使在昏暗潮湿的舱内，也能快速扫描识别每把刀具的精确位置与磨损状态，定位精度控制在1毫米以内。

有了“眼睛”，还得有“大脑”。团队从底层数据交互逻辑开始，一行一行写代码，一页一页改界面，前后迭代二十多轮，搭建起一套数字孪生智慧管控系统。系统实时接收数据，自动规划最优换刀顺序和机械臂运动路径，实现换刀作业事前仿真、事中干预、事后溯源的全流程智慧管控。“机器人相当于换刀工人的手和脚，而数字孪生系统是整个换刀过程的神经中枢。”刘四进说。换刀前做自主轨迹规划，全过程模拟一遍;换刀中实时监控状态，进行诊断和运行处理。

决战四个月：巨物穿针

核心技术全部打通，但从实验室走向应用，才是真正的“大考”。

研发团队将目光投向厦金大桥(厦门段)环岛路隧道。这里紧邻海岸线，地下水位高，盾构段70%以上为浅覆土掘进，穿越上软下硬、孤石和基岩凸起等复合地层，中风化花岗岩强度最高达134.34兆帕，刀具磨损极快。

但“厦金号”是一台既有设备，刚刚完成右线掘进任务。“盾构机的舱门、筋板、管线全部按人工换刀设计，从未考虑过装上一台机器人。”中铁十四局厦金大桥项目总工程师邵振新说。左线始发节点已定，工期一天都拖不得，机器人必须在四个月内完成厂内制造、整机装配、出厂检测和现场安装调试全流程。

装备公司打破传统串行生产模式，将加工、质检、预装、总装分设专人专岗，零部件加工和整机装配同步并行推进。机器人行走在轨道的支撑面和舱门安装面之间，垂直度要求严格控制在1毫米以内，团队通过加装辅助垂直工装，把变形量控制在最小范围。重达数十吨的舱体与上百吨的盾体对接，需通过45个直径30毫米的螺栓孔连接——无异于巨物穿针。团队量身定制专用装配工装，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，工期从3天缩短至1天。

2026年5月，经第三方检测机构系统检测，22项功能全部符合要求。6月25日，机器人正式上岗。

从“有人”到“无人”的跨越

智能换刀机器人更换单把滚刀时间为25分钟至40分钟，全过程舱内无需人员进入。截至目前，已申请发明专利38件、实用新型专利5件，登记软件著作权7项。

钱七虎评价说，智能换刀机器人的研发在安全、效率、成本等方面取得成效，为我国交通工程装备自主化、无人化、智能化发展探索了新路径。肖明清指出，该技术实现了盾构换刀从“有人”到“无人”的跨越。

从“刀尖上跳舞”到“无人舱运筹”，这台机器人的诞生，不仅填补了超大直径盾构全盘换刀装备的技术空白，更从根本上斩断了作业人员与高压、涌水、岩爆等死神威胁之间的直接连线。它标志着盾构施工正从“人进舱、人换刀”的传统经验范式，向“数据驱动、孪生管控”的智能化体系深刻跃迁。

而这份厚重的创新答卷，是驻济央企中铁十四局深耕大盾构领域多年，厚积薄发的必然回响。面向未来，中国隧道建设里程将超万公里，盾构装备需求逾千台，带动投资约2万亿元。这台“换刀手”从厦金大桥起步，它的征途才刚刚铺展。团队正加速推进其轻量化、小型化进程，提升对不同直径盾构的适配能力，并完善磨损监测、自主决策、路径规划等智慧功能，力求从“自动执行”迈向“自主判断”。

六年前，那间会议室里曾满座寂然，前路渺茫;六年后，他们用一行行代码、一组组数据、一次次失败与重来，立起了一座沉甸甸的里程碑。这不仅是技术的胜利，更是一种精神的刻度——标注着中国制造在“无人区”里从跟跑到领跑的坚韧与执着。(济南日报·爱济南记者戴升宝)

编辑：刘梅梅