白 金，尹建超

（1.內(nèi)蒙古引綽濟遼供水有限責任公司，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400；2.中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙410100）

巖石隧洞掘進機（簡稱TBM）是掘進、支護、出渣等施工工序并行連續(xù)作業(yè)，機、電、液、光、氣等系統(tǒng)集成的工廠化流水線隧道施工裝備［1］，具有掘進速度快、環(huán)保、安全、綜合效益高等優(yōu)點，可實現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法難以實現(xiàn)的復雜地質地貌深埋長隧洞的施工。全斷面隧道掘進機的主要施工過程為：在硬巖環(huán)境中，利用全斷面隧道掘進機旋轉刀盤上的滾刀擠壓剪切破巖，通過旋轉刀盤上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機皮帶機上向后輸送，再通過牽引礦渣車或隧洞連續(xù)皮帶機運渣到洞外。

綜觀國內(nèi)外TBM施工情況，單臺TBM施工技術已趨于成熟，擬建和在建的長度超過10 km的隧道已超過百條，隧道總長度已超過 10 000 km。其中，30%～40%的長隧道采用TBM進行挖掘，施工速度和安全管理模式為全球所借鑒。但這些隧洞工程都是單臺控制施工，均未建立集中管理中心，多臺機器之間不能形成有效的學習機制。而TBM機群施工集中管理的方式在國內(nèi)外罕見，筆者圍繞新疆某超長引水隧洞TBM施工展開研究，通過對海量動態(tài)數(shù)據(jù)進行科學有效管理和智能分析，推進TBM施工智能化和施工風險管理科學化，從渣土數(shù)量、掘進參數(shù)、地質狀況、耗材使用等分析中獲得經(jīng)驗曲線，并通過多臺TBM機之間的自學習自診斷研究，不斷完善施工風險預警系統(tǒng)，將預警分析結果反饋到每臺TBM機，針對個別TBM設備掘進參數(shù)異常提出預警，及時規(guī)避風險。

1 系統(tǒng)架構

TBM機群風險管理系統(tǒng)采用“集中存儲、項目調用”的三級系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構（見圖1），由標段現(xiàn)地監(jiān)控站（施工單位項目部）、工程業(yè)主項目部與風險預警中心三級組成，風險預警中心配置一個災備中心，傳輸網(wǎng)絡滿足公安部三級安全要求。

TBM的施工數(shù)據(jù)通過自建光纜內(nèi)網(wǎng)實時自動傳輸?shù)綐硕维F(xiàn)地監(jiān)控站的控制電腦顯示后，經(jīng)標段現(xiàn)地監(jiān)控站到風險預警中心和災備中心自動上傳數(shù)據(jù)進行全生命周期保存及監(jiān)控。

各標段現(xiàn)地監(jiān)控站可通過調取烏魯木齊風險預警中心的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。

圖1 三級系統(tǒng)網(wǎng)絡組成

2 數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

目前國內(nèi)外超過10臺同種型號的TBM機群設備同時施工的工程尚屬首例，統(tǒng)一數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的建立有助于多臺TBM相互對照、相互學習，對施工參數(shù)異常的情況及時發(fā)現(xiàn)并調整，尤其在新機設備始發(fā)過程中，對設備參數(shù)的異常情況能及時發(fā)現(xiàn)并調整。

TBM掘進模式實時監(jiān)控的主參數(shù)有總推力、刀盤扭矩、刀盤轉速、掘進速度、頂護盾壓力、左右護盾壓力、撐靴撐緊壓力、撐靴位移等，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)在線監(jiān)控系統(tǒng)

以KSTBM5始發(fā)為例，TBM始發(fā)后，總推進力維持在10 000～12 000 kN，無法超過12 000 kN，對比同等地質情況下KSTBM4實時推進力參數(shù)為16 800 kN，差距明顯。通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)對比 KSTBM2與KSTBM3數(shù)據(jù)，推進力均超過13 000 kN，初步判定KSTBM5程序參數(shù)異常，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，初始設置值輸入錯誤，經(jīng)過更正后，推進力顯示值達到13 000 kN以上，見圖3。

圖3 KSTBM5設備參數(shù)調整前后對比

3 TBM數(shù)據(jù)經(jīng)驗曲線

單臺TBM施工不具備參考價值，多臺設備同時施工，可通過數(shù)據(jù)積累后形成各圍巖地層情況下的經(jīng)驗曲線，為TBM后續(xù)施工提供參考。

根據(jù)SSTBM1設備10月份的掘進情況（圖4），經(jīng)分析，隧洞圍巖穩(wěn)定，圍巖類型較單一，主要以泥盆系（D）凝灰質砂巖、砂巖、砂礫巖為主，屬Ⅲa類圍巖，TBM日平均進尺在30 m以上，設備完好率96%，適合作為參考數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫建設。

首先，提取該月TBM每循環(huán)掘進過程中的有效參數(shù)，篩選出總推力、刀盤轉速、刀盤扭矩、頂護盾壓力、左右護盾壓力等參數(shù)（去除無效數(shù)值），作為基礎數(shù)據(jù)進行分析研究。

圖4 SSTBM1設備10月掘進情況

其次，將每循環(huán)掘進參數(shù)進行數(shù)據(jù)對比，尋找TBM掘進過程中的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，獲得該種圍巖情況下的最佳狀態(tài)曲線值，形成TBM經(jīng)驗曲線，作為后續(xù)掘進里程及后續(xù)設備的參考曲線。

同時，經(jīng)過不斷地修正與更新，將設備經(jīng)驗曲線值調整到最佳，實現(xiàn)高效掘進。例如SSTBM1在Ⅲa類圍巖下推進力的經(jīng)驗曲線見圖5（圖中細線為每個掘進循環(huán)的實際參數(shù)曲線）。

圖5 SSTBM1在Ⅲa類圍巖下的推進力曲線

綜上，經(jīng)過分析統(tǒng)計得出TBM掘進數(shù)據(jù)經(jīng)驗曲線區(qū)域，后續(xù)設備在同樣巖層情況下，可參考經(jīng)驗曲線隨時對掘進數(shù)據(jù)進行調整，以便引導操作人員在特定區(qū)域內(nèi)掘進，既保證掘進安全又可確保設備穩(wěn)定高效。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與故障分析

對工程施工配件消耗進行統(tǒng)計分析，研究備件消耗規(guī)律，有助于對設備狀態(tài)進行檢測。正常設備均存在配件消耗情況，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)包括設備配件正常消耗和設備配件非正常消耗等。通過綜合對比，判定設備運行是否正常，異常情況時需立即處理，避免備件大量消耗及設備自身損壞情況的發(fā)生。

例如，SSTBM1設備錨桿鉆機9月15日至11月2日消耗纖尾9根，11月2日至11月30日無消耗，見圖6?？膳卸殄^桿鉆機前期為故障狀態(tài)，后續(xù)經(jīng)過調整設備狀態(tài)轉好，以后再有配件消耗如前期大的情況，基本可判定為設備故障。

圖6 SSTBM1設備錨桿鉆機纖尾消耗量統(tǒng)計

通過施工排水量統(tǒng)計，可判定設備施工涌水是否處于衰減期，判定是否可繼續(xù)掘進。例如，SSTBM2設備施工到第110 d遇到大涌水，被迫停機，后涌水量繼續(xù)增大，最大達到25 000 m3/d，經(jīng)過70 d的排水操作，涌水量有明顯減小的趨勢，判斷可適當進行設備試掘進，見圖7。

圖7 SSTBM2日排水總量統(tǒng)計

5 施工設備風險預警

長期以來，TBM設備故障的排除依賴于工程師和專家的現(xiàn)場診斷和經(jīng)驗，如果專家不在現(xiàn)場，就可能延誤故障的及時排除，影響工程進度［2］。TBM施工風險預警系統(tǒng)可對設備運行狀態(tài)關鍵參數(shù)的非正常數(shù)值進行實時監(jiān)測預警，通過報表形式通報可能出現(xiàn)的風險，大大降低了常見施工風險、設備故障的數(shù)據(jù)分析難度，提高故障判斷及處理的時效性。

5.1 推力速度預警

TBM施工過程中，在地質情況均勻的情況下，掘進參數(shù)具有一定的相關性。當?shù)刭|情況發(fā)生突變或出現(xiàn)異常工況時，掘進參數(shù)會發(fā)生相應的變化。通過對該引水隧洞工程的施工參數(shù)進行關聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)總推進力和推進速度與地質變化有較強的相關性，據(jù)此建立風險預警模型（見圖8）。

由圖8可以看出，一定的推進速度對應著一定范圍的總推進力，但如果出現(xiàn)總推進力的突變，則有出現(xiàn)異常工況的風險，需要格外關注。

圖8 速度推力預警

5.2 塌方風險預警

通過對該工程施工情況的數(shù)據(jù)積累，針對設備可能存在塌方時的特征指標進行統(tǒng)計分析，其典型的預警指標見表1。

表1 TBM塌方風險預警值統(tǒng)計

XETBM1掘進至3 131 m時，遠程監(jiān)控系統(tǒng)報警，TBM刀盤扭矩超限，見圖9。繼續(xù)掘進極有可能出現(xiàn)卡機風險。通過遠程數(shù)據(jù)分析，選擇調整為脫困模式掘進（圖10）。TBM恢復掘進后，刀盤扭矩最大高達10 410 kN·m，遠遠超出常規(guī)模式下的最大能力。通過風險預警系統(tǒng)，及時對設備狀態(tài)進行調整，順利地通過了破碎帶，有效規(guī)避了塌方風險。

圖9 XETBM1刀盤扭矩超限報警曲線

圖10 XETBM1脫困模式掘進

6 結 語

對多臺相同規(guī)格TBM施工數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可以初步建立TBM機群施工數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)場可通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，正確地預測地質條件和圍巖變位，根據(jù)實際情況及時提出優(yōu)化運行方案［3］。同時，外部專家通過遠程登錄數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測設備數(shù)據(jù)，查看自動生成的報表，提出改進意見。

以新疆某超長隧洞TBM機群作業(yè)施工為例，充分挖掘TBM設備、工程地質等的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，分析施工及設備故障風險，為敞開式TBM大數(shù)據(jù)的建立提供支撐，進而推動TBM設備最終實現(xiàn)智能化自動駕駛。