作為南水北調(diào)中線工程的后續(xù)水源，引江補(bǔ)漢工程從長江三峽庫區(qū)引水入漢江，增加南水北調(diào)中線工程北調(diào)水量。工程主體是一條內(nèi)徑11米、長194千米的隧洞。對于這種長隧洞，一般需要在合適位置設(shè)置施工支洞，分段施工，實現(xiàn)“長隧短打”。常規(guī)的鉆爆法施工，爆破作業(yè)會產(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。大量實踐證明，爆破面距離洞口5公里以上時，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，不要說我們這種有“基建狂魔”稱號的國家，在以慢著稱的發(fā)達(dá)國家也無法忍受這種蝸牛速度。基于上述考慮，施工支洞就不能太長。

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度都接近或超過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，因此增加分段實現(xiàn)“長隧短打”的愿望成為一個不可能完成的任務(wù)。硬巖掘進(jìn)機(jī)，簡稱TBM，最大的優(yōu)勢是獨頭工作面長（可達(dá)20千米以上），是我們的唯一選擇?？傞L194千米的隧洞，其中有128千米需要采用TBM掘進(jìn)，共計需要9臺，工期控制性項目也是TBM6施工洞段?？梢哉f，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，需要開展大量研究工作，本文從科普角度對TBM發(fā)展歷史、分類、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簡要介紹。

一、TBM概念

大家要先建立一個概念-盾構(gòu)法，簡單理解就是做一個前后通透的鋼殼子，開挖、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，這就是盾構(gòu)機(jī)的基本原理。根據(jù)工作模式的不同，我國將盾構(gòu)機(jī)分為兩大類，一類叫做盾構(gòu)機(jī)，全封閉施工，主要用于土體，用于巖石時效率很低；一類叫做硬巖掘進(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。對于南水北調(diào)工程的建設(shè)和管理者來說，應(yīng)該都知道穿黃隧洞，穿黃隧洞圍巖都是砂土，采用了兩臺泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，是當(dāng)時國內(nèi)直徑最大、技術(shù)最復(fù)雜的盾構(gòu)隧洞工程，帶動了國內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)步。引江補(bǔ)漢隧洞圍巖都是巖石，需要國內(nèi)最大直徑的TBM，希望也能象穿黃隧洞一樣帶動國內(nèi)超大直徑TBM技術(shù)進(jìn)步。

二、TBM發(fā)展歷史

1846年，比利時人毛瑟發(fā)明了世界第一臺TBM，準(zhǔn)備用于聯(lián)通法國和意大利的鐵路，可惜因種種原因，最終只是造出了機(jī)器，卻沒能應(yīng)用。1851年和1856年美國人分別造出了兩臺TBM，一臺只掘進(jìn)了3米，一臺只掘進(jìn)了不到半米，就都壽終正寢了。此后近100年，陸續(xù)有人制造出不同原理、不同驅(qū)動方式的TBM，應(yīng)用效果都難以滿足實際需要，其中只有在1884 年博蒙特開發(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)長度近 10公里。1953年,美國人羅賓斯研制出一臺直徑為7.85 m的TBM,利用回轉(zhuǎn)刀盤開挖(同時破碎及掘進(jìn))隧道整個斷面，這臺TBM被認(rèn)為是第一臺現(xiàn)代意義上的TBM。

國產(chǎn)TBM研發(fā)最早可追溯到1964年，由上?？睖y設(shè)計院和北京電力學(xué)院開始承擔(dān)TBM自主研發(fā)任務(wù)開始，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)到同期國際水平的1/5，甚至更低。經(jīng)歷近半個世紀(jì)的曲折過程后，2014年，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司和中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TBM相繼下線，發(fā)展極為迅速，時至今日已完全占據(jù)了國內(nèi)市場（如下圖）。

TBM應(yīng)用趨勢圖

三、TBM分類及選型

TBM一般可分為開敞式TBM和護(hù)盾式TBM兩大類型。敞開式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，對于圍巖較為破碎的洞段可以在開挖后實現(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；護(hù)盾式TBM又分為雙護(hù)盾TBM和單護(hù)盾TBM，與敞開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)為對較破碎圍巖的適應(yīng)性較好，整個掘進(jìn)過程，圍巖均被盾殼或管片屏蔽在外圍，人員設(shè)備的安全風(fēng)險小。兩類設(shè)備在結(jié)構(gòu)方面最大的不同在于敞開式盾殼較短，長度約6米；護(hù)盾式盾殼較長，長度一般在10-12米。這個不同導(dǎo)致護(hù)盾式盾殼卡機(jī)風(fēng)險較高，且卡機(jī)后救援難度較大。這里要重點指出的是：卡機(jī)包括卡刀盤和卡盾殼，敞開式卡刀盤的風(fēng)險要大于護(hù)盾式，只是卡刀盤相對較容易處理。

TBM選型重點在于地質(zhì)情況和投資。對于具體的工程應(yīng)用，地質(zhì)情況通常很復(fù)雜，且各個因素互相影響，過于專業(yè)，為便于理解，本文只考慮最主要的三個方面：第一是圍巖的破碎程度；第二是地應(yīng)力大小，大家可簡單理解為埋深的大?。坏谌菄鷰r強(qiáng)度高低。對于完整度較好、地應(yīng)力不大的圍巖，兩類TBM都能實現(xiàn)快速掘進(jìn)，據(jù)報道，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），考慮到管片價格較高，為降低投資，這類圍巖一般選擇敞開式。對于地質(zhì)情況不好的圍巖，當(dāng)圍巖破碎時容易坍塌，敞開式TBM掘進(jìn)時需要同步開展鋼拱架加錨桿加噴砼支護(hù)，必要時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，敞開式的優(yōu)勢就大大降低了，但護(hù)盾式因盾殼較長，在這類地層卡機(jī)風(fēng)險相對較高；當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時，完整圍巖出露后易爆炸（工程術(shù)語為巖爆），人員及設(shè)備均承受很大風(fēng)險，施工人員承受的心理壓力很大，據(jù)調(diào)研，國內(nèi)錦屏二級電站引水洞、引漢濟(jì)渭嶺南隧洞某些施工時段，工人需要身穿防彈衣、頭戴鋼盔作業(yè)；圍巖強(qiáng)度較低時會導(dǎo)致兩個問題，一是泥質(zhì)膠結(jié)類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，二是地應(yīng)力較大時易變形收縮導(dǎo)致盾殼卡機(jī)，此時盾殼較短的敞開式有一定優(yōu)勢。

盾構(gòu)機(jī)、TBM都屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格很高的巨型施工設(shè)備，為避免浪費需要充分考慮裝備的重復(fù)利用。對于盾構(gòu)機(jī)，國內(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。對于這么長的分段，各種地質(zhì)情況都會出現(xiàn)，此時TBM選型就會變成一個極其復(fù)雜、綜合性極強(qiáng)的技術(shù)問題。據(jù)了解，國內(nèi)多數(shù)工程TBM選型往往歷時很長，業(yè)主、設(shè)計、施工、廠家、專家等意見不一，最終選型完成后的實施結(jié)果也好壞參半。

四、TBM發(fā)展方向

第一個發(fā)展方向是增加工作模式。盾構(gòu)機(jī)優(yōu)點在于把水和圍巖都隔絕在外，安全性最高，缺點在于掘進(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；敞開式TBM優(yōu)點在于掘進(jìn)速度快，成本低，缺點在于安全性較差；護(hù)盾式TBM優(yōu)點在于把圍巖隔絕在外，安全性高，缺點在于盾殼卡機(jī)風(fēng)險較高，成本較高。因此，TBM的發(fā)展方向就很明顯了，可以造一臺機(jī)器，兼顧上述設(shè)備優(yōu)點，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，實現(xiàn)快速掘進(jìn)。這種多模式TBM已經(jīng)開始逐漸應(yīng)用。

第二個發(fā)展方向是增加功能。一是在敞開式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，在較好巖層中實現(xiàn)敞開式掘進(jìn)；三是在敞開式盾殼后部增加全斷面立模設(shè)備，實現(xiàn)掘進(jìn)后立即澆筑速凝混凝土代替支護(hù)措施。這三種方式已實現(xiàn)或接近工程應(yīng)用。

第三個發(fā)展方向是優(yōu)化功能設(shè)計。TBM設(shè)備包括主機(jī)、后配套在內(nèi)長度一般在100-200米之間，需要具有不同功能的設(shè)備共同工作實現(xiàn)正常掘進(jìn)，可以理解為一個地下總裝工廠。在功能設(shè)計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，在易用性方面考慮較少，如超前鉆機(jī)；二是對地質(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)實現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定自動化；二是結(jié)合大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對地質(zhì)情況、掘進(jìn)參數(shù)、物探成果等進(jìn)行綜合判斷，實現(xiàn)坍塌、涌水突泥、巖爆等災(zāi)害預(yù)警。其中掘進(jìn)參數(shù)自動化設(shè)定已有個別成功案例，災(zāi)害預(yù)警尚在探索階段。

第五個發(fā)展反向是改變破巖方式?，F(xiàn)在的TBM采用圓形刀盤壓碎巖石實現(xiàn)掘進(jìn)，國內(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、穿越地層復(fù)雜多變的特點。掘進(jìn)過程中坍塌、巖爆、涌水突泥、軟巖變形的風(fēng)險很高，需要開展深入研究。

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)地勘報告。地勘報告的依據(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）、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在地勘報告中完全反應(yīng)，在TBM選型時需要重新梳理所有地勘成果。另外，根據(jù)工程類比選型也是重要手段。為此需要盡量收集國內(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。包括兩方面，一是提高設(shè)備的易用性，現(xiàn)階段想造出一臺適用于所有地層的掘進(jìn)機(jī)是不可能的，針對不良地質(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；二是針對可能遇到的地質(zhì)問題增加功能，如應(yīng)對軟弱破碎圍巖的快速立模功能、應(yīng)對軟巖變形的擴(kuò)挖功能、應(yīng)對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)測功能等。

第三是超前地質(zhì)預(yù)報。實現(xiàn)不良地質(zhì)體的超前預(yù)報和堵水需要更精確的超前地質(zhì)預(yù)報，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)報設(shè)備已成為共識并已有部分工程實例，但目前的預(yù)報成果存在“狼來了”的情況，地質(zhì)預(yù)報單位致力于做到不放過一個疑似危險，但正因危險太多，容易讓大家無所適從。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，施工單位多數(shù)對超前地質(zhì)預(yù)報的物探報告成果評價不高。需要進(jìn)一步開展研究工作，包括結(jié)合開挖揭露情況給出更精確的物探解譯成果，或通過大數(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作為一個極其復(fù)雜的地下工廠，使用中的維護(hù)必不可少，但刀盤和軸承修復(fù)因難度過大，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)備問題，需要研究更可靠密封方案。

從國內(nèi)已完工的幾個超大直徑TBM項目看，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，也希望能通過前期研究及建設(shè)過程，大大促進(jìn)國內(nèi)超大直徑TBM技術(shù)發(fā)展。

作者：楊旭輝 文/圖