作為南水北調(diào)中線(xiàn)工程的后續(xù)水源，引江補(bǔ)漢工程從長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)引水入漢江，增加南水北調(diào)中線(xiàn)工程北調(diào)水量。工程主體是一條內(nèi)徑11米、長(zhǎng)194千米的隧洞。對(duì)于這種長(zhǎng)隧洞，一般需要在合適位置設(shè)置施工支洞，分段施工，實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)隧短打”。常規(guī)的鉆爆法施工，爆破作業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體、粉塵，爆破作業(yè)后的通風(fēng)排氣必不可少。大量實(shí)踐證明，爆破面距離洞口5公里以上時(shí)，通風(fēng)排氣作業(yè)效率很低，大幅影響施工進(jìn)度。當(dāng)距離進(jìn)一步延長(zhǎng)，不要說(shuō)我們這種有“基建狂魔”稱(chēng)號(hào)的國(guó)家，在以慢著稱(chēng)的發(fā)達(dá)國(guó)家也無(wú)法忍受這種蝸牛速度。基于上述考慮，施工支洞就不能太長(zhǎng)。

引江補(bǔ)漢工程所在位置為山區(qū)，一半洞段埋深在600米以上，多數(shù)位置施工支洞本身的長(zhǎng)度都接近或超過(guò)5千米，顯然不能布置支洞，加之隧洞穿越地區(qū)生態(tài)及環(huán)境保護(hù)區(qū)眾多，支洞口需要回避，因此增加分段實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)隧短打”的愿望成為一個(gè)不可能完成的任務(wù)。硬巖掘進(jìn)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)TBM，最大的優(yōu)勢(shì)是獨(dú)頭工作面長(zhǎng)（可達(dá)20千米以上），是我們的唯一選擇。總長(zhǎng)194千米的隧洞，其中有128千米需要采用TBM掘進(jìn)，共計(jì)需要9臺(tái)，工期控制性項(xiàng)目也是TBM6施工洞段?？梢哉f(shuō)，TBM掘進(jìn)順利與否關(guān)乎工程成敗，是引江補(bǔ)漢工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要開(kāi)展大量研究工作，本文從科普角度對(duì)TBM發(fā)展歷史、分類(lèi)、發(fā)展方向及引江補(bǔ)漢工程TBM應(yīng)用研究方向等方面做一個(gè)簡(jiǎn)要介紹。

一、TBM概念

大家要先建立一個(gè)概念-盾構(gòu)法，簡(jiǎn)單理解就是做一個(gè)前后通透的鋼殼子，開(kāi)挖、出渣、襯砌等作業(yè)在鋼殼子的保護(hù)下進(jìn)行，大幅降低作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)，這就是盾構(gòu)機(jī)的基本原理。根據(jù)工作模式的不同，我國(guó)將盾構(gòu)機(jī)分為兩大類(lèi)，一類(lèi)叫做盾構(gòu)機(jī)，全封閉施工，主要用于土體，用于巖石時(shí)效率很低；一類(lèi)叫做硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM），非全封閉施工，一般只能用于巖石。兩者結(jié)構(gòu)上基本類(lèi)似，主要區(qū)別在于土體掌子面易坍塌、不穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)可以給掌子面提供支撐，具有穩(wěn)定掌子面的功能；巖石掌子面一般是穩(wěn)定的，不需要額外給掌子面提供支撐。對(duì)于南水北調(diào)工程的建設(shè)和管理者來(lái)說(shuō)，應(yīng)該都知道穿黃隧洞，穿黃隧洞圍巖都是砂土，采用了兩臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)直徑最大、技術(shù)最復(fù)雜的盾構(gòu)隧洞工程，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)步。引江補(bǔ)漢隧洞圍巖都是巖石，需要國(guó)內(nèi)最大直徑的TBM，希望也能象穿黃隧洞一樣帶動(dòng)國(guó)內(nèi)超大直徑TBM技術(shù)進(jìn)步。

二、TBM發(fā)展歷史

1846年，比利時(shí)人毛瑟發(fā)明了世界第一臺(tái)TBM，準(zhǔn)備用于聯(lián)通法國(guó)和意大利的鐵路，可惜因種種原因，最終只是造出了機(jī)器，卻沒(méi)能應(yīng)用。1851年和1856年美國(guó)人分別造出了兩臺(tái)TBM，一臺(tái)只掘進(jìn)了3米，一臺(tái)只掘進(jìn)了不到半米，就都?jí)劢K正寢了。此后近100年，陸續(xù)有人制造出不同原理、不同驅(qū)動(dòng)方式的TBM，應(yīng)用效果都難以滿(mǎn)足實(shí)際需要，其中只有在1884 年博蒙特開(kāi)發(fā)出壓縮空氣式TBM，成功用于英吉利海峽隧道直徑2.1m的勘探導(dǎo)坑, 掘進(jìn)長(zhǎng)度近 10公里。1953年,美國(guó)人羅賓斯研制出一臺(tái)直徑為7.85 m的TBM,利用回轉(zhuǎn)刀盤(pán)開(kāi)挖(同時(shí)破碎及掘進(jìn))隧道整個(gè)斷面，這臺(tái)TBM被認(rèn)為是第一臺(tái)現(xiàn)代意義上的TBM。

國(guó)產(chǎn)TBM研發(fā)最早可追溯到1964年，由上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)院和北京電力學(xué)院開(kāi)始承擔(dān)TBM自主研發(fā)任務(wù)開(kāi)始，之后也有多家單位完成樣機(jī)研發(fā)和試制，但所造TBM掘進(jìn)速度只能達(dá)到同期國(guó)際水平的1/5，甚至更低。經(jīng)歷近半個(gè)世紀(jì)的曲折過(guò)程后，2014年，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司和中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TBM相繼下線(xiàn)，發(fā)展極為迅速，時(shí)至今日已完全占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)（如下圖）。

TBM應(yīng)用趨勢(shì)圖

三、TBM分類(lèi)及選型

TBM一般可分為開(kāi)敞式TBM和護(hù)盾式TBM兩大類(lèi)型。敞開(kāi)式TBM，一般適用于完整（較完整）圍巖占比較高的隧道，在護(hù)盾后部配置了鋼拱架安裝器和噴錨設(shè)備，對(duì)于圍巖較為破碎的洞段可以在開(kāi)挖后實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，在支護(hù)完成之前，人員及設(shè)備暴露在裸露圍巖下，有一定安全風(fēng)險(xiǎn)；護(hù)盾式TBM又分為雙護(hù)盾TBM和單護(hù)盾TBM，與敞開(kāi)式不同之處在于使用拼裝管片代替了噴錨支護(hù)，一般認(rèn)為對(duì)較破碎圍巖的適應(yīng)性較好，整個(gè)掘進(jìn)過(guò)程，圍巖均被盾殼或管片屏蔽在外圍，人員設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)小。兩類(lèi)設(shè)備在結(jié)構(gòu)方面最大的不同在于敞開(kāi)式盾殼較短，長(zhǎng)度約6米；護(hù)盾式盾殼較長(zhǎng)，長(zhǎng)度一般在10-12米。這個(gè)不同導(dǎo)致護(hù)盾式盾殼卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)較高，且卡機(jī)后救援難度較大。這里要重點(diǎn)指出的是：卡機(jī)包括卡刀盤(pán)和卡盾殼，敞開(kāi)式卡刀盤(pán)的風(fēng)險(xiǎn)要大于護(hù)盾式，只是卡刀盤(pán)相對(duì)較容易處理。

TBM選型重點(diǎn)在于地質(zhì)情況和投資。對(duì)于具體的工程應(yīng)用，地質(zhì)情況通常很復(fù)雜，且各個(gè)因素互相影響，過(guò)于專(zhuān)業(yè)，為便于理解，本文只考慮最主要的三個(gè)方面：第一是圍巖的破碎程度；第二是地應(yīng)力大小，大家可簡(jiǎn)單理解為埋深的大??；第三是圍巖強(qiáng)度高低。對(duì)于完整度較好、地應(yīng)力不大的圍巖，兩類(lèi)TBM都能實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，據(jù)報(bào)道，最高月進(jìn)尺可達(dá)到1800米，是普通鉆爆法速度的15倍（鉆爆法一般月進(jìn)尺在120米左右），考慮到管片價(jià)格較高，為降低投資，這類(lèi)圍巖一般選擇敞開(kāi)式。對(duì)于地質(zhì)情況不好的圍巖，當(dāng)圍巖破碎時(shí)容易坍塌，敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)時(shí)需要同步開(kāi)展鋼拱架加錨桿加噴砼支護(hù)，必要時(shí)還需要模筑混凝土加強(qiáng)支護(hù)，投資大幅增加，進(jìn)尺速度大幅下降，敞開(kāi)式的優(yōu)勢(shì)就大大降低了，但護(hù)盾式因盾殼較長(zhǎng)，在這類(lèi)地層卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高；當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，完整圍巖出露后易爆炸（工程術(shù)語(yǔ)為巖爆），人員及設(shè)備均承受很大風(fēng)險(xiǎn)，施工人員承受的心理壓力很大，據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)錦屏二級(jí)電站引水洞、引漢濟(jì)渭嶺南隧洞某些施工時(shí)段，工人需要身穿防彈衣、頭戴鋼盔作業(yè)；圍巖強(qiáng)度較低時(shí)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題，一是泥質(zhì)膠結(jié)類(lèi)巖石出露后易遇水泥化，需要快速封閉，護(hù)盾式具有一定優(yōu)勢(shì)，二是地應(yīng)力較大時(shí)易變形收縮導(dǎo)致盾殼卡機(jī)，此時(shí)盾殼較短的敞開(kāi)式有一定優(yōu)勢(shì)。

盾構(gòu)機(jī)、TBM都屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格很高的巨型施工設(shè)備，為避免浪費(fèi)需要充分考慮裝備的重復(fù)利用。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)，國(guó)內(nèi)地鐵工程眾多，且直徑基本一致，設(shè)備具有很好的重復(fù)利用率，選型時(shí)可更多考慮地質(zhì)條件，分段可以做到很短；TBM用量很少，工程設(shè)計(jì)更多考慮工程規(guī)模、施工難易程度確定洞徑，一般難以重復(fù)利用。引江補(bǔ)漢工程TBM直徑國(guó)內(nèi)最大，很難用于其他工程，因此最好的選擇就是在本工程中充分利用設(shè)備壽命，一臺(tái)TBM壽命一般在15至20千米之間，因此TBM分段不能太小，引江補(bǔ)漢工程分段就在15至20千米之間。對(duì)于這么長(zhǎng)的分段，各種地質(zhì)情況都會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)TBM選型就會(huì)變成一個(gè)極其復(fù)雜、綜合性極強(qiáng)的技術(shù)問(wèn)題。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)多數(shù)工程TBM選型往往歷時(shí)很長(zhǎng)，業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、廠家、專(zhuān)家等意見(jiàn)不一，最終選型完成后的實(shí)施結(jié)果也好壞參半。

四、TBM發(fā)展方向

第一個(gè)發(fā)展方向是增加工作模式。盾構(gòu)機(jī)優(yōu)點(diǎn)在于把水和圍巖都隔絕在外，安全性最高，缺點(diǎn)在于掘進(jìn)速度慢，在巖石地層中效率更低，導(dǎo)致工期不可忍受且成本很高；敞開(kāi)式TBM優(yōu)點(diǎn)在于掘進(jìn)速度快，成本低，缺點(diǎn)在于安全性較差；護(hù)盾式TBM優(yōu)點(diǎn)在于把圍巖隔絕在外，安全性高，缺點(diǎn)在于盾殼卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)較高，成本較高。因此，TBM的發(fā)展方向就很明顯了，可以造一臺(tái)機(jī)器，兼顧上述設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，遇到不同地層采用不同的掘進(jìn)模式?，F(xiàn)在主流的多模式為盾構(gòu)和單護(hù)盾TBM結(jié)合，遇到土層和極破碎巖層采用盾構(gòu)模式，將水和圍巖完全隔絕在外確保安全，遇到普通巖層采用單護(hù)盾模式，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。這種多模式TBM已經(jīng)開(kāi)始逐漸應(yīng)用。

第二個(gè)發(fā)展方向是增加功能。一是在敞開(kāi)式TBM盾殼內(nèi)增加一套輔助推進(jìn)油缸，在盾殼后部增加一套管片拼裝設(shè)備，在巖爆或破碎巖層中拼裝管片按雙護(hù)盾模式掘進(jìn)；二是在雙護(hù)盾TBM盾殼后部增設(shè)一套錨噴支護(hù)裝置，在較好巖層中實(shí)現(xiàn)敞開(kāi)式掘進(jìn)；三是在敞開(kāi)式盾殼后部增加全斷面立模設(shè)備，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)后立即澆筑速凝混凝土代替支護(hù)措施。這三種方式已實(shí)現(xiàn)或接近工程應(yīng)用。

第三個(gè)發(fā)展方向是優(yōu)化功能設(shè)計(jì)。TBM設(shè)備包括主機(jī)、后配套在內(nèi)長(zhǎng)度一般在100-200米之間，需要具有不同功能的設(shè)備共同工作實(shí)現(xiàn)正常掘進(jìn)，可以理解為一個(gè)地下總裝工廠。在功能設(shè)計(jì)階段需要考慮以下因素：一是以往更多考慮的是功能的有無(wú)，在易用性方面考慮較少，如超前鉆機(jī)；二是對(duì)地質(zhì)復(fù)雜程度考慮不足，出現(xiàn)功能缺失，如盾殼后部快速清渣設(shè)備、側(cè)拱快速立模設(shè)備等；三是需要增加搭載用于超前地質(zhì)勘探的物探設(shè)備。

第四個(gè)發(fā)展方向是智能化。一是根據(jù)大量案例及勘探和揭露地質(zhì)情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定自動(dòng)化；二是結(jié)合大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)地質(zhì)情況、掘進(jìn)參數(shù)、物探成果等進(jìn)行綜合判斷，實(shí)現(xiàn)坍塌、涌水突泥、巖爆等災(zāi)害預(yù)警。其中掘進(jìn)參數(shù)自動(dòng)化設(shè)定已有個(gè)別成功案例，災(zāi)害預(yù)警尚在探索階段。

第五個(gè)發(fā)展反向是改變破巖方式?，F(xiàn)在的TBM采用圓形刀盤(pán)壓碎巖石實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)，國(guó)內(nèi)已有單位在探索射流、激光、聲波等其他破巖方式，其中射流輔助破巖用于超硬巖掘進(jìn)已有一定研究成果。

五、引江補(bǔ)漢工程TBM應(yīng)用研究方向

引江補(bǔ)漢工程隧洞具有埋深較大、直徑超大、距離超長(zhǎng)、穿越地層復(fù)雜多變的特點(diǎn)。掘進(jìn)過(guò)程中坍塌、巖爆、涌水突泥、軟巖變形的風(fēng)險(xiǎn)很高，需要開(kāi)展深入研究。

第一是選型。TBM選型正確與否的前提是盡量摸清地質(zhì)情況，一般依據(jù)地勘報(bào)告。地勘報(bào)告的依據(jù)按重要性排列是鉆孔、地質(zhì)調(diào)查（包括地面查勘和資料查詢(xún)）、物探。鉆孔最直接但數(shù)量很有限，地質(zhì)調(diào)查用于推斷，物探基本可全覆蓋但成果具有不確定性，因此有些物探成果往往不會(huì)在地勘報(bào)告中完全反應(yīng)，在TBM選型時(shí)需要重新梳理所有地勘成果。另外，根據(jù)工程類(lèi)比選型也是重要手段。為此需要盡量收集國(guó)內(nèi)外TBM施工資料，尤其是超大直徑TBM在不同地層中的應(yīng)用效果，分析后作為選型的重要依據(jù)。

第二是功能設(shè)計(jì)。包括兩方面，一是提高設(shè)備的易用性，現(xiàn)階段想造出一臺(tái)適用于所有地層的掘進(jìn)機(jī)是不可能的，針對(duì)不良地質(zhì)體，考慮超前加固、超前堵水措施降低坍塌、涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)是可以做到的，為此需要大幅提高超前鉆機(jī)的易用性，提高工作效率；二是針對(duì)可能遇到的地質(zhì)問(wèn)題增加功能，如應(yīng)對(duì)軟弱破碎圍巖的快速立模功能、應(yīng)對(duì)軟巖變形的擴(kuò)挖功能、應(yīng)對(duì)破碎圍巖的清渣功能、錨桿鉆機(jī)全斷面鉆孔功能、刀具狀態(tài)的快速監(jiān)測(cè)功能等。

第三是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)體的超前預(yù)報(bào)和堵水需要更精確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，從筆者目前已進(jìn)行的調(diào)研情況看，TBM設(shè)備直接搭載預(yù)報(bào)設(shè)備已成為共識(shí)并已有部分工程實(shí)例，但目前的預(yù)報(bào)成果存在“狼來(lái)了”的情況，地質(zhì)預(yù)報(bào)單位致力于做到不放過(guò)一個(gè)疑似危險(xiǎn)，但正因危險(xiǎn)太多，容易讓大家無(wú)所適從。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，施工單位多數(shù)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的物探報(bào)告成果評(píng)價(jià)不高。需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作，包括結(jié)合開(kāi)挖揭露情況給出更精確的物探解譯成果，或通過(guò)大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法提高準(zhǔn)確度。

第四是可靠性。TBM作為一個(gè)極其復(fù)雜的地下工廠，使用中的維護(hù)必不可少，但刀盤(pán)和軸承修復(fù)因難度過(guò)大，一般需要在全壽命期內(nèi)避免出現(xiàn)大的故障。據(jù)調(diào)研，軸承密封失效在工程應(yīng)用中還有出現(xiàn)，多數(shù)屬于施工單位不按規(guī)定操作導(dǎo)致，但也難以排除設(shè)備問(wèn)題，需要研究更可靠密封方案。

從國(guó)內(nèi)已完工的幾個(gè)超大直徑TBM項(xiàng)目看，應(yīng)用效果多數(shù)不太理想，原因各有不同。作為引江補(bǔ)漢工程的建設(shè)者，除了希望把引江補(bǔ)漢工程建設(shè)成樣板工程之外，也希望能通過(guò)前期研究及建設(shè)過(guò)程，大大促進(jìn)國(guó)內(nèi)超大直徑TBM技術(shù)發(fā)展。

作者：楊旭輝 文/圖