白 金，尹建超

（1.內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古烏蘭浩特137400；2.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

巖石隧洞掘進(jìn)機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)TBM）是掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序并行連續(xù)作業(yè)，機(jī)、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(jìn)速度快、環(huán)保、安全、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)地貌深埋長(zhǎng)隧洞的施工。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的主要施工過(guò)程為：在硬巖環(huán)境中，利用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)上的滾刀擠壓剪切破巖，通過(guò)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機(jī)皮帶機(jī)上向后輸送，再通過(guò)牽引礦渣車(chē)或隧洞連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)渣到洞外。

綜觀國(guó)內(nèi)外TBM施工情況，單臺(tái)TBM施工技術(shù)已趨于成熟，擬建和在建的長(zhǎng)度超過(guò)10 km的隧道已超過(guò)百條，隧道總長(zhǎng)度已超過(guò) 10 000 km。其中，30%～40%的長(zhǎng)隧道采用TBM進(jìn)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(tái)控制施工，均未建立集中管理中心，多臺(tái)機(jī)器之間不能形成有效的學(xué)習(xí)機(jī)制。而TBM機(jī)群施工集中管理的方式在國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)，筆者圍繞新疆某超長(zhǎng)引水隧洞TBM施工展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)海量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效管理和智能分析，推進(jìn)TBM施工智能化和施工風(fēng)險(xiǎn)管理科學(xué)化，從渣土數(shù)量、掘進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)狀況、耗材使用等分析中獲得經(jīng)驗(yàn)曲線，并通過(guò)多臺(tái)TBM機(jī)之間的自學(xué)習(xí)自診斷研究，不斷完善施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，將預(yù)警分析結(jié)果反饋到每臺(tái)TBM機(jī)，針對(duì)個(gè)別TBM設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)異常提出預(yù)警，及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

TBM機(jī)群風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)采用“集中存儲(chǔ)、項(xiàng)目調(diào)用”的三級(jí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），由標(biāo)段現(xiàn)地監(jiān)控站（施工單位項(xiàng)目部）、工程業(yè)主項(xiàng)目部與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中心三級(jí)組成，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中心配置一個(gè)災(zāi)備中心，傳輸網(wǎng)絡(luò)滿足公安部三級(jí)安全要求。

TBM的施工數(shù)據(jù)通過(guò)自建光纜內(nèi)網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸?shù)綐?biāo)段現(xiàn)地監(jiān)控站的控制電腦顯示后，經(jīng)標(biāo)段現(xiàn)地監(jiān)控站到風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中心和災(zāi)備中心自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期保存及監(jiān)控。

各標(biāo)段現(xiàn)地監(jiān)控站可通過(guò)調(diào)取烏魯木齊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 三級(jí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

目前國(guó)內(nèi)外超過(guò)10臺(tái)同種型號(hào)的TBM機(jī)群設(shè)備同時(shí)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(tái)TBM相互對(duì)照、相互學(xué)習(xí)，對(duì)施工參數(shù)異常的情況及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整，尤其在新機(jī)設(shè)備始發(fā)過(guò)程中，對(duì)設(shè)備參數(shù)的異常情況能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整。

TBM掘進(jìn)模式實(shí)時(shí)監(jiān)控的主參數(shù)有總推力、刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、頂護(hù)盾壓力、左右護(hù)盾壓力、撐靴撐緊壓力、撐靴位移等，見(jiàn)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(jìn)力維持在10 000～12 000 kN，無(wú)法超過(guò)12 000 kN，對(duì)比同等地質(zhì)情況下KSTBM4實(shí)時(shí)推進(jìn)力參數(shù)為16 800 kN，差距明顯。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比 KSTBM2與KSTBM3數(shù)據(jù)，推進(jìn)力均超過(guò)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(shè)置值輸入錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)更正后，推進(jìn)力顯示值達(dá)到13 000 kN以上，見(jiàn)圖3。

圖3 KSTBM5設(shè)備參數(shù)調(diào)整前后對(duì)比

3 TBM數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線

單臺(tái)TBM施工不具備參考價(jià)值，多臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工，可通過(guò)數(shù)據(jù)積累后形成各圍巖地層情況下的經(jīng)驗(yàn)曲線，為T(mén)BM后續(xù)施工提供參考。

根據(jù)SSTBM1設(shè)備10月份的掘進(jìn)情況（圖4），經(jīng)分析，隧洞圍巖穩(wěn)定，圍巖類(lèi)型較單一，主要以泥盆系（D）凝灰質(zhì)砂巖、砂巖、砂礫巖為主，屬Ⅲa類(lèi)圍巖，TBM日平均進(jìn)尺在30 m以上，設(shè)備完好率96%，適合作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。

首先，提取該月TBM每循環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中的有效參數(shù)，篩選出總推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)扭矩、頂護(hù)盾壓力、左右護(hù)盾壓力等參數(shù)（去除無(wú)效數(shù)值），作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

圖4 SSTBM1設(shè)備10月掘進(jìn)情況

其次，將每循環(huán)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，尋找TBM掘進(jìn)過(guò)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(yàn)曲線，作為后續(xù)掘進(jìn)里程及后續(xù)設(shè)備的參考曲線。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)不斷地修正與更新，將設(shè)備經(jīng)驗(yàn)曲線值調(diào)整到最佳，實(shí)現(xiàn)高效掘進(jìn)。例如SSTBM1在Ⅲa類(lèi)圍巖下推進(jìn)力的經(jīng)驗(yàn)曲線見(jiàn)圖5（圖中細(xì)線為每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的實(shí)際參數(shù)曲線）。

圖5 SSTBM1在Ⅲa類(lèi)圍巖下的推進(jìn)力曲線

綜上，經(jīng)過(guò)分析統(tǒng)計(jì)得出TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線區(qū)域，后續(xù)設(shè)備在同樣巖層情況下，可參考經(jīng)驗(yàn)曲線隨時(shí)對(duì)掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，以便引導(dǎo)操作人員在特定區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)，既保證掘進(jìn)安全又可確保設(shè)備穩(wěn)定高效。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與故障分析

對(duì)工程施工配件消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究備件消耗規(guī)律，有助于對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。正常設(shè)備均存在配件消耗情況，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)包括設(shè)備配件正常消耗和設(shè)備配件非正常消耗等。通過(guò)綜合對(duì)比，判定設(shè)備運(yùn)行是否正常，異常情況時(shí)需立即處理，避免備件大量消耗及設(shè)備自身?yè)p壞情況的發(fā)生。

例如，SSTBM1設(shè)備錨桿鉆機(jī)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(wú)消耗，見(jiàn)圖6?？膳卸殄^桿鉆機(jī)前期為故障狀態(tài)，后續(xù)經(jīng)過(guò)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)好，以后再有配件消耗如前期大的情況，基本可判定為設(shè)備故障。

圖6 SSTBM1設(shè)備錨桿鉆機(jī)纖尾消耗量統(tǒng)計(jì)

通過(guò)施工排水量統(tǒng)計(jì)，可判定設(shè)備施工涌水是否處于衰減期，判定是否可繼續(xù)掘進(jìn)。例如，SSTBM2設(shè)備施工到第110 d遇到大涌水，被迫停機(jī)，后涌水量繼續(xù)增大，最大達(dá)到25 000 m3/d，經(jīng)過(guò)70 d的排水操作，涌水量有明顯減小的趨勢(shì)，判斷可適當(dāng)進(jìn)行設(shè)備試掘進(jìn)，見(jiàn)圖7。

圖7 SSTBM2日排水總量統(tǒng)計(jì)

5 施工設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

長(zhǎng)期以來(lái)，TBM設(shè)備故障的排除依賴(lài)于工程師和專(zhuān)家的現(xiàn)場(chǎng)診斷和經(jīng)驗(yàn)，如果專(zhuān)家不在現(xiàn)場(chǎng)，就可能延誤故障的及時(shí)排除，影響工程進(jìn)度［2］。TBM施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的非正常數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，通過(guò)報(bào)表形式通報(bào)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了常見(jiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備故障的數(shù)據(jù)分析難度，提高故障判斷及處理的時(shí)效性。

5.1 推力速度預(yù)警

TBM施工過(guò)程中，在地質(zhì)情況均勻的情況下，掘進(jìn)參數(shù)具有一定的相關(guān)性。當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況發(fā)生突變或出現(xiàn)異常工況時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)對(duì)該引水隧洞工程的施工參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)總推進(jìn)力和推進(jìn)速度與地質(zhì)變化有較強(qiáng)的相關(guān)性，據(jù)此建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型（見(jiàn)圖8）。

由圖8可以看出，一定的推進(jìn)速度對(duì)應(yīng)著一定范圍的總推進(jìn)力，但如果出現(xiàn)總推進(jìn)力的突變，則有出現(xiàn)異常工況的風(fēng)險(xiǎn)，需要格外關(guān)注。

圖8 速度推力預(yù)警

5.2 塌方風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

通過(guò)對(duì)該工程施工情況的數(shù)據(jù)積累，針對(duì)設(shè)備可能存在塌方時(shí)的特征指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其典型的預(yù)警指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 TBM塌方風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值統(tǒng)計(jì)

XETBM1掘進(jìn)至3 131 m時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，TBM刀盤(pán)扭矩超限，見(jiàn)圖9。繼續(xù)掘進(jìn)極有可能出現(xiàn)卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析，選擇調(diào)整為脫困模式掘進(jìn)（圖10）。TBM恢復(fù)掘進(jìn)后，刀盤(pán)扭矩最大高達(dá)10 410 kN·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)模式下的最大能力。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，順利地通過(guò)了破碎帶，有效規(guī)避了塌方風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 XETBM1刀盤(pán)扭矩超限報(bào)警曲線

圖10 XETBM1脫困模式掘進(jìn)

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)多臺(tái)相同規(guī)格TBM施工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以初步建立TBM機(jī)群施工數(shù)據(jù)庫(kù)。現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，正確地預(yù)測(cè)地質(zhì)條件和圍巖變位，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)提出優(yōu)化運(yùn)行方案［3］。同時(shí)，外部專(zhuān)家通過(guò)遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，查看自動(dòng)生成的報(bào)表，提出改進(jìn)意見(jiàn)。

以新疆某超長(zhǎng)隧洞TBM機(jī)群作業(yè)施工為例，充分挖掘TBM設(shè)備、工程地質(zhì)等的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，分析施工及設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，為敞開(kāi)式TBM大數(shù)據(jù)的建立提供支撐，進(jìn)而推動(dòng)TBM設(shè)備最終實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)駕駛。