基于大數(shù)據(jù)分析的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)防控研究

高會中，李治國，曾垂剛，李鳳遠(yuǎn)，韓偉鋒，馮歡歡

（1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的深入發(fā)展，盾構(gòu)法施工面臨的特殊地質(zhì)情況越來越多，隧道開挖向大直徑、長距離、大埋深的方向發(fā)展，地下工程地質(zhì)環(huán)境的特殊性、復(fù)雜多變性、不可預(yù)測性以及施工過程中災(zāi)害事故的突發(fā)性使得對環(huán)境影響的控制難度加大，特別是國家一批超大、超深埋、水下高風(fēng)險(xiǎn)隧道及小間距、大坡度等特殊地質(zhì)條件的隧道掘進(jìn)工程陸續(xù)規(guī)劃和開工建設(shè)，這對盾構(gòu)連續(xù)、高效、智能、文明、安全施工提出了巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管理模式和方法，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前施工建設(shè)的需要。但是，由于隧道建設(shè)的特殊性和復(fù)雜性，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不夠成熟，人機(jī)交互能力弱，數(shù)據(jù)的采集與上傳困難，尤其是高頻次、大數(shù)據(jù)的自動化采集與分析滿足不了要求[1]。當(dāng)前，信息化發(fā)展已經(jīng)達(dá)到新階段，人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的快速發(fā)展為盾構(gòu)TBM 風(fēng)險(xiǎn)防控提供了可靠載體，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)開展盾構(gòu)TBM 施工風(fēng)險(xiǎn)防控已經(jīng)成為一種可靠高效的手段。

1 盾構(gòu)主要施工風(fēng)險(xiǎn)及案例

由于盾構(gòu)/TBM 本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備工作環(huán)境惡劣以及人為失誤等因素，導(dǎo)致盾構(gòu)/TBM施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)異常情況，輕則影響工程進(jìn)度，重則造成重大事故。盾構(gòu)主要施工風(fēng)險(xiǎn)可歸納為地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和人為風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其所占比例分別約為40%、30%和30%[2]。典型案例如下。

案例一：天津地鐵2 號線建國道～天津站區(qū)間，右線盾構(gòu)因螺旋輸送機(jī)被水泥土固結(jié)塊卡死無法運(yùn)轉(zhuǎn)，在開啟觀察孔進(jìn)行處理時(shí)，發(fā)生突沙涌水事件。由于該地段的地質(zhì)異常復(fù)雜，突泥及涌水量較大，導(dǎo)致地面塌陷，且左線掘進(jìn)快于右線35 環(huán)，左線線路高于右線，致使左右線隧道均發(fā)生局部管片變形破損開裂，最終被封堵回填并重新改線施工，2 臺盾構(gòu)被埋于地下，造成極其惡劣的社會影響。后經(jīng)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裝備掘進(jìn)參數(shù)控制不當(dāng)是造成此次事故的主要原因。類似原因還造成2007 年11 月南京地鐵2 號線施工事故。

案例二：2017 年2 月12 日，廈門地鐵2 號線過海段海東區(qū)間右線泥水盾構(gòu)因突然遭遇未事先堪明的微風(fēng)化安山巖基巖凸起，造成盾構(gòu)刀盤刀具嚴(yán)重磨損停機(jī)達(dá)6 個(gè)多月。因處海底，壓力高，遂決定采用帶壓進(jìn)倉的輔助工法進(jìn)行換刀作業(yè)，但在減壓艙減壓過程中操作不當(dāng)發(fā)生起火，導(dǎo)致3 人燒傷，后經(jīng)搶救無效死亡，造成重大損失及惡劣社會影響。

案例三：成都地鐵1 號線南延線華陽站～廣都北站右線區(qū)間盾構(gòu)施工過程中，項(xiàng)目部對1～56 環(huán)管片姿態(tài)進(jìn)行復(fù)測，發(fā)現(xiàn)17～56 環(huán)均出現(xiàn)不同程度的超限，其中56 環(huán)垂直偏差達(dá)到+2 010mm、水 平 偏 差+52mm，但盾構(gòu)測量導(dǎo)向系統(tǒng)56 環(huán)處顯示的盾構(gòu)垂直偏差為盾首-29mm、盾尾-25mm，水平偏差盾首+41mm、盾尾+35mm，成型隧道實(shí)測偏差與盾構(gòu)測量導(dǎo)向系統(tǒng)顯示偏差嚴(yán)重不符。經(jīng)過調(diào)查，確認(rèn)是操作人員誤操作，導(dǎo)致盾構(gòu)VMT 系統(tǒng)中輸入了錯(cuò)誤的盾構(gòu)推進(jìn)計(jì)劃線數(shù)據(jù)文件，致使盾構(gòu)按照錯(cuò)誤的計(jì)劃線推進(jìn)，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道軸線偏差。加之項(xiàng)目部未按照測量規(guī)定的頻次（每20 環(huán)人工復(fù)測一次）進(jìn)行人工復(fù)核，致使偏差不斷擴(kuò)大而未能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失273 萬余元[3]。

2 大數(shù)據(jù)分析平臺設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)提取和傳輸是整個(gè)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。盾構(gòu)TBM裝備大數(shù)據(jù)特點(diǎn)有：①數(shù)據(jù)龐雜、類型多樣；②生產(chǎn)廠家多，PLC 品牌及型號多樣化，數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一；③項(xiàng)目分散、環(huán)境惡劣、數(shù)據(jù)采集困難。主要數(shù)據(jù)包括盾構(gòu)施工參數(shù)數(shù)據(jù)、盾構(gòu)姿態(tài)（測量）數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)以及地質(zhì)數(shù)據(jù)等，可分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)兩部分。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要來源于設(shè)備傳感器自動采集，格式統(tǒng)一，易于存儲；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是盾構(gòu)隧道最原始的數(shù)據(jù)信息，貫穿于盾構(gòu)隧道整個(gè)全生命周期，包括：勘察階段的勘察成果報(bào)告、設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)圖紙、施工階段和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)階段的手工記錄和照片等，其是盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù)的重要組成部分，但是其結(jié)構(gòu)化差且數(shù)據(jù)量較大，不適合直接存儲[4]。因此在數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)倪^程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況采用不同的方法和方式，人工或者自動，數(shù)字輸入或者圖形化的輸入，才能滿足信息采集的全面的要求。圖1 所示為數(shù)據(jù)提取傳輸流程圖。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸流程圖

2.2 大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)及流程設(shè)計(jì)

通過配置專業(yè)高性能服務(wù)器，基于Hadoop集群生態(tài)架構(gòu)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，綜合采用Kafka 消息服務(wù)器+Redis 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫服務(wù)器+Spark 計(jì)算框架集群服務(wù)器建立ZooKeeper分布式協(xié)作服務(wù)，實(shí)時(shí)處理多元異構(gòu)數(shù)據(jù)并解決大數(shù)據(jù)分布一致性問題，保證系統(tǒng)的高效有序運(yùn)行。大數(shù)據(jù)分析架構(gòu)組成如圖2 所示，包括數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)導(dǎo)入層、數(shù)據(jù)加工層、數(shù)據(jù)核心存儲層、數(shù)據(jù)分析處理層、數(shù)據(jù)服務(wù)存儲層和數(shù)據(jù)接口層。

圖2 基于大數(shù)據(jù)分析的風(fēng)險(xiǎn)防控?cái)?shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

2.3 大數(shù)據(jù)平臺風(fēng)險(xiǎn)防控功能設(shè)計(jì)

通過對系統(tǒng)功能的開發(fā)和完善，建立一套針對盾構(gòu)群項(xiàng)目實(shí)施作業(yè)進(jìn)行集群化、可視化、智能化管理的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)圍繞掘進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施和設(shè)備技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及信息化管理，提供地下項(xiàng)目掘進(jìn)設(shè)備及項(xiàng)目實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)管理業(yè)務(wù)，改變現(xiàn)在由項(xiàng)目實(shí)施現(xiàn)場人員到項(xiàng)目經(jīng)理到分管領(lǐng)導(dǎo)單線路管理項(xiàng)目的管理機(jī)制，變成公司領(lǐng)導(dǎo)層和項(xiàng)目經(jīng)理及公司總部各職能部門同時(shí)了解、監(jiān)督項(xiàng)目實(shí)施現(xiàn)場狀況的交叉管理機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度、安全、質(zhì)量、成本“協(xié)同保障”跟進(jìn)。如圖3 所示為基于大數(shù)據(jù)分析的風(fēng)險(xiǎn)防控功能結(jié)構(gòu)圖。

圖3 基于大數(shù)據(jù)分析的風(fēng)險(xiǎn)防控功能

3 項(xiàng)目應(yīng)用

3.1 掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

數(shù)據(jù)監(jiān)控功能主要目的是實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，因?yàn)楦鶕?jù)掘進(jìn)裝備類型的不同，監(jiān)控的內(nèi)容也不盡相同，因此，在此界面下對土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)和TBM有所區(qū)別，根據(jù)項(xiàng)目類型自動進(jìn)入對應(yīng)的界面。

通過數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊可實(shí)現(xiàn)對多廠家、多類型的盾構(gòu)TBM 的施工狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高施工信息化程度和管理水平，有效保證施工的安全?？蓾M足管理人員和專家隨時(shí)隨地可通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)查看盾構(gòu)TBM 的工作狀態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)和運(yùn)行記錄，對施工進(jìn)行指導(dǎo)，減少誤操作，提高施工效率。通過對關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，發(fā)現(xiàn)異常并及時(shí)處理，大大減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 地面沉降及管片姿態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控

盾構(gòu)法施工不可避免地會帶來地面沉降，嚴(yán)重的地面沉降具有極大的危害性。同時(shí)，管片姿態(tài)是盾構(gòu)法施工質(zhì)量的直接體現(xiàn)，由于掘進(jìn)控制、地質(zhì)原因、注漿控制、管片質(zhì)量、拼裝質(zhì)量等原因，地面沉降和管片姿態(tài)總是會或多或少的與設(shè)計(jì)出現(xiàn)一些偏差，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以自動計(jì)算和分析上傳到平臺的項(xiàng)目各地面沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降量、沉降速率和管片水平軌跡位移和管片垂直軌跡位移，并生成曲線，方便技術(shù)人員查看分析，如出現(xiàn)較大偏差可以實(shí)時(shí)提醒項(xiàng)目責(zé)任人員進(jìn)行處理和補(bǔ)救。如發(fā)生指標(biāo)超限可以實(shí)時(shí)提醒項(xiàng)目責(zé)任人員進(jìn)行及時(shí)處理和補(bǔ)救，避免更大事故的發(fā)生。

圖4、圖5 分別為福州某在建項(xiàng)目的地面沉降和管片姿態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控。

圖4 地面沉降曲線

圖5 管片姿態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防控

3.3 盾構(gòu)施工參數(shù)預(yù)警

盾構(gòu)施工參數(shù)是保證盾構(gòu)施工順利進(jìn)行的根本因素，如注漿系統(tǒng)、土倉壓力等重要參數(shù)直接關(guān)系到管片姿態(tài)和地面沉降。因此，保證對盾構(gòu)施工參數(shù)預(yù)警是盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)防控的重要一環(huán)。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以自動計(jì)算盾構(gòu)施工參數(shù)閾值也可人為主動設(shè)定和修正參數(shù)閾值，當(dāng)盾構(gòu)施工參數(shù)超過設(shè)置閾值時(shí)，會發(fā)出報(bào)警并推送消息至項(xiàng)目技術(shù)人員，做到施工風(fēng)險(xiǎn)早發(fā)現(xiàn)、早提醒、早預(yù)防，從而達(dá)到降低施工風(fēng)險(xiǎn)、保證施工安全的效果。

3.4 盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)警

盾構(gòu)施工過程中受所穿越的地層特性和物理指標(biāo)、隧道設(shè)計(jì)軸線及盾構(gòu)施工參數(shù)影響姿態(tài)會出現(xiàn)偏差，尤其在軟硬不均、基巖凸起、巖洞、孤石等特殊工況下，盾構(gòu)姿態(tài)的控制更加困難。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以自動設(shè)置項(xiàng)目盾構(gòu)姿態(tài)報(bào)警閾值也可人為主動設(shè)定和修正參數(shù)閾值，當(dāng)盾構(gòu)實(shí)時(shí)姿態(tài)參數(shù)超過設(shè)置閾值時(shí)，會發(fā)出報(bào)警并推送消息至項(xiàng)目技術(shù)人員提醒項(xiàng)目及時(shí)采取調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、加強(qiáng)測量等措施進(jìn)行糾偏，保證隧道施工質(zhì)量。

3.5 設(shè)備故障監(jiān)測預(yù)警

由于盾構(gòu)配置的設(shè)備數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其故障發(fā)生率較高，且盾構(gòu)的故障具有復(fù)雜性、多樣性和耦合性的特點(diǎn)，一旦發(fā)生故障有可能導(dǎo)致盾構(gòu)停機(jī)，從而導(dǎo)致施工效率降低、工期風(fēng)險(xiǎn)增加施工成本加大。因此，如何在現(xiàn)場有限的條件下快速有效的定位故障部位及原因并進(jìn)行排除，是盾構(gòu)施工的一個(gè)主要難題。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測盾構(gòu)設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)給出相應(yīng)故障位置及故障時(shí)間，從而做到第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)、第一時(shí)間解決故障，以達(dá)到提高設(shè)備完好率和使用率、減少故障停機(jī)時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)防控目的。

3.6 關(guān)聯(lián)參數(shù)預(yù)警

盾構(gòu)施工過程中由于地質(zhì)變化或裝備故障等原因會引起參數(shù)變化，但是有時(shí)并不能通過一個(gè)參數(shù)反映出來，比如某項(xiàng)目發(fā)生刀盤刀具嚴(yán)重?fù)p毀，后經(jīng)分析歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩持續(xù)增大而推進(jìn)速度顯著降低，呈現(xiàn)出明顯的反異差，如圖所示。但是由于現(xiàn)場未能事前發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致事故演變到最后造成較大損失。而利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以很好地解決類似問題，通過設(shè)置關(guān)聯(lián)參數(shù)上下限閾值，當(dāng)平臺監(jiān)測到關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)持續(xù)超過所設(shè)閾值5min，就會及時(shí)反饋預(yù)警信息到項(xiàng)目技術(shù)管理人員，提醒用戶進(jìn)行結(jié)泥餅、刀具損壞等相關(guān)性檢查，從而防控更嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)時(shí)檢測到佛莞城際鐵路項(xiàng)目某時(shí)間段推進(jìn)速度過小，已與總推力及刀盤扭矩嚴(yán)重不匹配，及時(shí)發(fā)出預(yù)警提醒項(xiàng)目參數(shù)有異常，應(yīng)檢查是否發(fā)生刀盤結(jié)泥餅或者刀盤刀具損壞等情況。

4 結(jié)語

利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對施工現(xiàn)場的生產(chǎn)要素進(jìn)行識別、定位、跟蹤、監(jiān)控，建立起集監(jiān)控、分析、故障預(yù)警、參數(shù)預(yù)警于一體的多維度、綜合立體風(fēng)險(xiǎn)防控體系，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)因素并發(fā)出預(yù)警或報(bào)警，從而顯著降低施工風(fēng)險(xiǎn)。另外，利用大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用技術(shù)，將行業(yè)內(nèi)各地域各地層裝備施工的數(shù)據(jù)收集起來，通過交互分析，可以有力地推進(jìn)盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)行業(yè)數(shù)據(jù)資源整合和開放共享，有利于充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)資源作用和創(chuàng)新引擎作用，為盾構(gòu)/TBM 安全、快速、高效、文明施工提供強(qiáng)大助力。