作為南水北調(diào)中線工程的后續(xù)水源，引江補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，大幅影響施工進度。當(dāng)距離進一步延長，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)達國家也無法忍受這種蝸牛速度?；谏鲜隹紤]，施工支洞就不能太長。

引江補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)。硬巖掘進機，簡稱TBM，最大的優(yōu)勢是獨頭工作面長（可達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，共計需要9臺，工期控制性項目也是TBM6施工洞段。可以說，TBM掘進順利與否關(guān)乎工程成敗，是引江補漢工程的關(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)在鋼殼子的保護下進行，大幅降低作業(yè)人員安全風(fēng)險，這就是盾構(gòu)機的基本原理。根據(jù)工作模式的不同，我國將盾構(gòu)機分為兩大類，一類叫做盾構(gòu)機，全封閉施工，主要用于土體，用于巖石時效率很低；一類叫做硬巖掘進機（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，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)進步。引江補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，一臺只掘進了3米，一臺只掘進了不到半米，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)隧道整個斷面，這臺TBM被認為是第一臺現(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研發(fā)和試制，但所造TBM掘進速度只能達到同期國際水平的1/5，甚至更低。經(jīng)歷近半個世紀的曲折過程后，2014年，中鐵工程裝備集團有限公司和中國鐵建重工集團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，在支護完成之前，人員及設(shè)備暴露在裸露圍巖下，有一定安全風(fēng)險；護盾式TBM又分為雙護盾TBM和單護盾TBM，與敞開式不同之處在于使用拼裝管片代替了噴錨支護，一般認為對較破碎圍巖的適應(yīng)性較好，整個掘進過程，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；護盾式盾殼較長，長度一般在10-12米。這個不同導(dǎo)致護盾式盾殼卡機風(fēng)險較高，且卡機后救援難度較大。這里要重點指出的是：卡機包括卡刀盤和卡盾殼，敞開式卡刀盤的風(fēng)險要大于護盾式，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，據(jù)報道，最高月進尺可達到1800米，是普通鉆爆法速度的15倍（鉆爆法一般月進尺在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掘進時需要同步開展鋼拱架加錨桿加噴砼支護，必要時還需要模筑混凝土加強支護，投資大幅增加，進尺速度大幅下降，敞開式的優(yōu)勢就大大降低了，但護盾式因盾殼較長，在這類地層卡機風(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，此時盾殼較短的敞開式有一定優(yōu)勢。

盾構(gòu)機、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，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)點在于掘進速度快，成本低，缺點在于安全性較差；護盾式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，可以造一臺機器，兼顧上述設(shè)備優(yōu)點，遇到不同地層采用不同的掘進模式?，F(xiàn)在主流的多模式為盾構(gòu)和單護盾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盾模式，實現(xiàn)快速掘進。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盾模式掘進；二是在雙護盾TBM盾殼后部增設(shè)一套錨噴支護裝置，在較好巖層中實現(xiàn)敞開式掘進；三是在敞開式盾殼后部增加全斷面立模設(shè)備，實現(xiàn)掘進后立即澆筑速凝混凝土代替支護措施。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、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，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；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)掘進參數(shù)設(shè)定自動化；二是結(jié)合大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，對地質(zhì)情況、掘進參數(shù)、物探成果等進行綜合判斷，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，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已有一定研究成果。

五、引江補漢工程TBM應(yīng)用研究方向

引江補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機是不可能的，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)對軟巖變形的擴挖功能、應(yīng)對破碎圍巖的清渣功能、錨桿鉆機全斷面鉆孔功能、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)和機器學(xué)習(xí)方法提高準確度。

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。作為引江補漢工程的建設(shè)者，除了希望把引江補漢工程建設(shè)成樣板工程之外，也希望能通過前期研究及建設(shè)過程，大大促進國內(nèi)超大直徑TBM技術(shù)發(fā)展。

作者：楊旭輝 文/圖