隧道掘进机成套装备风险预警

ICS91.220

CCSP97

团体标准T/HNMESXXX-XXXX

隧道掘进机成套装备风险预警

RiskearlywarningofTunnelBoringMachinecompleteequipment

（征求意见稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

 河南省机械工程学会发布

I

前  言

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规

定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本文件由河南省机械工程学会提出并归口。

本文件起草单位：中铁隧道局集团有限公司；盾构及掘进技术国家重点实验室；中国科学院软

件研究所；中铁工程装备集团有限公司；广州珠三角城际轨道交通有限公司。

本文件主要起草人：洪开荣、任颖莹、郭卫社、韩伟锋、张常有、李凤远、赵新合、高攀、史

清华、周振建、郭璐、何蒙蒙、荆留杰、李诗诗。

本文件为首次发布。

III

引言

随着新一代信息技术的发展，基于数据驱动的分析预测成为网络协同的核心，装备全生命周期跨企

业跨领域互通互联及信息共享是网络协同的支撑。信息技术与传统装备制造及服务的融合发展，可以为

装备的运行提供保障，为装备的运维服务提供支持，改变传统制造形式，是未来提升和变革制造运维模

式的必然趋势。

隧道掘进机作为一种大型复杂装备，运行工况复杂多变，装备健康往往难以保障，对这种装备进行

风险预警，能够大大降低设备的故障率和事故率，保障隧道施工安全高效。目前国内外在隧道掘进机行

业也建立了风险预警系统，但风险预警的方法、内容不统一、预测水平参差不齐，预测结果不够准确。

在这种模式下，使得优秀企业的风险预警经验无法推广，严重的影响施工进度与施工安全，降低了项目

的经济效益与社会效益。因此，迫切的需要制定标准，使先进的风险预警经验得以推广、被借鉴和发展，

提升整个行业的装备维护水平。

本文件针对现有相关系统标准混乱、预警准确率参差不齐的问题，梳理并确定隧道掘进需要预警的

关键参数和风险事件，研究风险管理系统阈值设定方法、风险事件预警策略、异常事件评估方法、关键

部件预测方法，制定能够规范统一的隧道掘进机成套装备风险预警要求，为成套装备的运维协同提供支

撑。

IV

隧道掘进机成套装备风险预警系统

1范围

本文件规定了隧道掘进机成套装备风险预警架构、在线状态监测、关键参数预警、沉降预警、姿态

预警、异常事件预警、工程风险预警、施工进度预警、故障预警、状态预警的内容。

本文件适用于指导隧道掘进机设备制造商、使用商、工程建设单位及第三方服务商建设隧道掘进机

成套装备风险预警模块及系统的规划、设计。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期的对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于

本文件。

GB/T34354-2017全断面隧道掘进机术语和商业规格

GB50911-2013城市轨道交通工程监测技术规范

GB/T20921-2007机器状态监测与诊断词汇

T/HNMESXXX-2022隧道掘进机数据采集融合

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

隧道掘进机Tunnelboringmachine

通过开挖并推进式前进实现隧道全断面成型，且带有周边壳体的专用机械设备。主要包括盾构机、

岩石隧道掘进机、顶管机等。

[来源：GB/T34354-2017，2.1]

3.2

风险risk

不利事件或事故发生的概率（频率）及其损失的组合。

[来源：GB50911-2013，2.1.6]

3.3

风险分析riskanalysis

为了彻底地了解装备的状态及运行情况，对装备的相关信息数据进行统计研究。

3.4

预警alarm

当遇到选定的参数或其逻辑组合异常，要求提高警觉时，用于通知人员而设计的运行信号或警告信

息。

[GB/T20921-2007，5.3]

1

3.5

参数Parameter

可测量的变量。

[来源：GB/T20921-2007，10.4]

3.6

预警级别earlywarninglevel

依据事件发展态势和可能造成的危害程度而划分的警情级别。

4风险预警架构

4.1系统架构宜采用四层网络架构，包括边缘层、存储层、分析层和应用层，具体如图1所示。

图1风险预警系统架构图

4.2边缘层

4.2.1边缘层由隧道掘进机成套装备的传感器及数据边缘反馈设备构成。

4.2.2边缘层是系统的数据入口，基于工业总线等通信协议，将设备接入网络，并能够实现数据格式

的转换和统一。

4.2.3边缘层应能基于高性能计算、实时操作系统、边缘分析算法等技术支撑，在靠近设备或数据源

头的网络边缘侧进行数据预处理、存储以及智能分析应用，提升操作响应灵敏度、消除网络堵塞，并与

云端数据分析形成协同。

4.3存储层

4.3.1存储层为边缘层的信息汇聚、集成，可将经过预处理的海量数据进行分类存储，并通过不同的

授权级别来实现不同用户端的风险预警功能。

4.3.2存储层应配置专业高性能服务器进行数据存储。

4.3.3数据库应具有良好的设计与应用接口、运行稳定，保证数据的高效调用、处理、分析。

2

4.3.4存储层可采用内存数据库作为实时数据缓存实现隧道掘进机状态监控，采用高吞吐量的分布式

发布订阅消息系统，解决PLC传感时序数据的数据管道问题，采用关系型数据库进行实时业务存取，采

用高可靠性的分布式大数据存储系统存储海量PLC数据。

4.4分析层

4.4.1分析层应通过对数据进行预处理后，经过模型算法的计算分析，识别隧道掘进机成套装备及工

程环境的风险信息。

4.4.2分析层宜采用统计分析、机器学习、深度学习算法建立模型，实现对隧道掘进机实时数据和历

史数据的分析。

4.5应用层

4.5.1应用层是信息的输出和展示，应能通过web服务器发布数据分析结果。

4.5.2应用层应通过建立应用界面，为用户提供风险的预警或报警。

4.5.3应用层的功能可包括在线状态监测、关键参数预警、沉降预警、姿态预警、异常事件预警、工

程风险预警、施工进度预警、故障预警和状态预警。

5在线状态监测

5.1在线状态监测应针对不同类型的隧道掘进机和配套设备建立对应的运行状态监测界面，并可动态

调节。

5.2在线状态监测应能在监测界面实时展示总环数、当前环数、日累、月累等进度信息。

5.3在线状态监测应能够实时监测隧道掘进机成套装备运行的状态综合参数，包括掘进、拼环、停机、

断线。

5.4在线状态监测应能够展示隧道掘进机成套装备的关键运行参数，展示的参数可参考标准T/HNMES

XXX-2022第6章节采集内容。

5.5在线状态监测应能够展示隧道掘进机成套装备协同分析参数，可根据机型、地质等对数据进行关

联分析。

6关键参数预警

6.1预警的关键参数可包括但不限于推进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、总推进力、土仓压力、进浆比

重、进浆流量、排浆比重、排浆流量、盾尾间隙、出渣体积、主机振动幅值、盾尾密封压力。

6.2关键参数预警应能在隧道掘进机掘进过程中实现关键参数的黄线、红线预警和信息推送。

6.3关键参数预警应具备隧道掘进机参数预警设置功能，客户端可具备设备参数预警值设置的权限。

6.4关键参数预警应提供相关参数预警信息查询界面，可参看历史关键参数预警信息。

6.5每台隧道掘进机的关键参数应有对应的基准值、黄线值、红线值。

6.6关键参数预警参考值的设置可参考表1：

表1关键参数预警参考值

关键参数基准参考值黄线预警参考值红线预警参考值

土仓压力偏离额定值0.2bar偏离额定值0.3bar

总推进力盾构前10环（或TBM前偏离额定值10%偏离额定值20%

扭矩20米）数据回归的数值偏离额定值10%偏离额定值20%

刀盘转速偏离额定值20%偏离额定值30%

3

关键参数基准参考值黄线预警参考值红线预警参考值

推进速度偏离额定值10%偏离额定值15%

进浆比重偏离额定值10%偏离额定值15%

进浆流量偏离额定值10%偏离额定值15%

排浆比重偏离额定值10%偏离额定值15%

排浆流量偏离额定值10%偏离额定值15%

7沉降预警

7.1沉降预警应包括地表沉降预警和管片结构沉降预警。

7.2不同工程项目地表沉降和管片沉降参数设置预警参数值可不同，客户端可具备设备参数预警值设

置的权限。

7.3沉降预警可进行项目预警设置和监测点设置，监测点设置是对特定点的监测限制进行设置，作用

于指定监测点，优先级高于项目监测限值设置（将覆盖项目设置）。

7.4项目预警设置可包括累计量的黄色预警限值和红色预警限值，沉降速率的黄色预警限值和红色预

警限值。

7.5沉降预警参考值的设置可参考表2：

表2沉降预警参考值

关键参数地质类型黄线预警上线黄线预警下线红线预警上线红线预警下线

坚硬-中硬土+7mm-20mm+10mm-30mm

地表沉降累计量

中软-软弱土+7mm-25mm+10mm-35mm

坚硬-中硬土2mm/d3mm/d3mm/d4mm/d

地表沉降速率

中软-软弱土2mm/d3mm/d3mm/d5mm/d

管片结构沉降速坚硬-中硬土1mm/d/2mm/d/

率中软-软弱土2mm/d/3mm/d/

管片结构沉降累坚硬-中硬土10mm/20mm/

计量中软-软弱土20mm/30mm/

8姿态预警

8.1姿态预警设置的报警参数可包括切口水平偏差、切口高程偏差、盾尾水平偏差、盾尾高程偏差、

滚动角。

8.2姿态预警应能在隧道掘进机掘进过程中实现导向参数的黄线、红线预警和信息推送。

8.3姿态预警应具备隧道掘进机导向参数预警设置功能，客户端可具备设备参数预警值设置的权限。

8.4姿态预警报警阈值可参考表3，也可根据不同项目、地质等情况，调整报警阈值。

表3姿态预警参考值

关键参数黄线预警上线黄线预警下线红线预警上线红线预警下线

切口水平偏差70mm-70mm100mm-100mm

切口高程偏差70mm-70mm100mm-100mm

盾尾水平偏差70mm-70mm100mm-100mm

盾尾高程偏差70mm-70mm100mm-100mm

滚动角2°-2°3°-3°

4

8.5系统应根据“报警设置阈值”显示预警信息，显示的信息格式可参考表4，点位值根据预警等级

显示为黄色或红色。

表4姿态预警记录示意图

预警开始

序号工程名称区间线路点位名称点位值报警时长是否推送

时间

8.6报警规则可参考：参数实际数据连续一段时间（默认：60分钟，可人工设置）超出限值，即按相

应的级别发出报警。

9异常事件预警

9.1异常事件预警宜能够自动识别隧道掘进机掘进过程中出现的地层突变、刀具损坏、刀盘结泥饼、

地层变硬、卡盾、卡刀盘、切刀参与破岩、出渣不顺、舱内积渣等掘进异常事件，并报警。

9.2异常事件识别宜基于历史数据、实时数据、专家经验、隧道掘进机实时状态共同触发。

9.3异常事件可根据掘进速度、推力、扭矩参数等进行判定，异常事件算法模型应具有自适应性。

9.4异常事件预警界面可显示各类异常事件的发生频率指数、危害程度指数、识别难易程度指数，事

件预防措施，当前预警事件里程、时间、状态以及每个月的预警次数及详细信息等内容。

10工程风险预警

10.1工程风险预警的范围可包括喷涌、水土流失、地面塌陷、掌子面塌陷等。

10.2应具备工程风险信息录入功能，录入内容可包括企业名称、项目名称、区间、线路、风险源编号、

风险因素、风险等级、风险里程、风险源标高、风险事件。

10.3工程风险信息可按照工程名称、线路或风险因素查询。

10.4工程风险预警宜具备对风险点预警提前量进行设置的功能，根据“报警设置里程”靠近风险源的

项目和风险源的信息，显示的信息格式可参考表5。

表5风险预警

风险预警

序号工程名称区间线路风险里程风险事件风险距离预警状态

10.5客户端可具备工程风险信息录入和报警条件的设置。

10.6工程风险红色预警可按照距离风险点50米进行条件设置；黄色预警可按照距离风险点200米进

行条件设置。

11施工进度预警

11.1施工进度预警应能自动生成工程项目进度台账信息。

11.2施工进度预警应能够对在建项目的进度情况进行统计分析，对比工程计划进度与实际进度，并对

进度滞后进行分级预警。

11.3进度预警展示的信息宜包括工程项目，区间，线路，本月月累，项目进度，工期进度，月平均速

度，剩余工程量，剩余工期，预计完成天数，预计滞后天数，建议平均速度。

11.4在项目进度和工期进度中可以红、黄、绿来体现预警状态，红色预警和黄色预警触发条件按照进

度控制的30%、50%进行设置。

5

12故障预警

12.1故障预警宜具备隧道掘进机关键部件故障诊断功能。

12.2故障预警应具备统计设备历史故障信息，推送设备实时故障信息等功能。

12.3故障诊断宜能够自动识别主轴承密封失效、部件磨损等故障，并报警。

12.4故障诊断宜能够自动识别刀具损坏、刀盘磨损等故障，并报警。

12.5故障诊断应能够自动识别刀盘驱动电机损坏、减速箱损坏等故障，并报警。

12.6故障诊断应能够自动识别推进油缸损坏、主推进电机损坏、液压阀损坏等故障，并报警。

13状态预警

13.1状态预警应能对隧道掘进机成套设备的通讯状态和工作状态进行展示和预警。

13.2当隧道掘进机通讯状态断线超过12个小时可进行黄色预警；断线超过24个小时可进行红色预警。

13.3当隧道掘进机停机时间超过12个小时可进行黄色预警；停机时间超过24个小时可进行红色预警。

14预警方式

14.1关键参数预警、沉降预警限值宜根据工程地质情况进行分段设置。

14.2关键参数预警、姿态预警宜每隔一分钟判断参数的实时值是否超过预警上下限。

14.3报警提示方式可包括PC端导向监控界面显示、APP弹出消息、手机短信。

14.4消警处理应由数据驱动，待风险预警内容恢复正常范围内自动消除。

6

7

目  次

前言................................................................................III

引言.................................................................................IV

1范围................................................................................1

2规范性引用文件......................................................................1

3术语和定义..........................................................................1

4风险预警架构........................................................................2

5在线状态监测........................................................................3

6关键参数预警........................................................................3

7沉降预警............................................................................4

8姿态预警............................................................................4

9异常事件预警........................................................................5

10工程风险预警.......................................................................5

11施工进度预警.......................................................................5

12故障预警...........................................................................6

13状态预警.......................