楊旭輝

（中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)江漢水網(wǎng)建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，430048，武漢）

引江補(bǔ)漢工程主體是一條內(nèi)徑10.2 m、長(zhǎng)達(dá)194 km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 km以上時(shí)，通風(fēng)排氣作業(yè)效率很低，極大影響施工進(jìn)度，因此施工支洞不能太長(zhǎng)。引江補(bǔ)漢工程所在位置為山區(qū)，一半洞段埋深在600 m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 km，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“不可能”。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 km以 上）?？?長(zhǎng)194 km的 隧洞，其 中120 km需 要 采 用TBM掘進(jìn)，共計(jì)需要9臺(tái)，工期控制性項(xiàng)目也是施工洞段。可以說(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。

一、TBM概念

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，大幅度降低作業(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)工作模式不同，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)具有穩(wěn)定土體掌子面的功能；巖石掌子面一般是穩(wěn)定的，不需要TBM額外給予支撐。

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)備用于連通法國(guó)和意大利的鐵路，可惜最終只是造出了機(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)掘進(jìn)了3 m，一臺(tái)掘進(jìn)了不到0.5 m，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(dòng)方式的TBM，應(yīng)用效果都難以滿足實(shí)際需要，直到1884年博蒙特開(kāi)發(fā)出壓縮空氣式TBM，成功應(yīng)用于英吉利海峽隧道直徑2.1 m的勘探導(dǎo)坑，掘進(jìn)長(zhǎng)度近10 km。1953年，美國(guó)人羅賓斯研制出一臺(tái)直徑為7.85 m的TBM，可稱(chēng)為第一臺(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)，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。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，發(fā)展極為迅速，時(shí)至今日已占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

三、TBM分類(lèi)及選型

TBM一般可分為敞開(kāi)式和護(hù)盾式兩大類(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也可以在開(kāi)挖后實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，但在支護(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，人員及設(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 m；護(hù)盾式盾殼較長(zhǎng)，長(zhǎng)度一般在10～12 m。這一不同導(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，卡刀盤(pán)的風(fēng)險(xiǎn)敞開(kāi)式要大于護(hù)盾式。

TBM選型重點(diǎn)因素在于地質(zhì)情況和投資。地質(zhì)情況通常很復(fù)雜，且各個(gè)因素互相影響，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?。珊?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1 800 m，是普通鉆爆法速度的15倍，考慮到管片價(jià)格較高，這類(lèi)圍巖一般選擇敞開(kāi)式TBM。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混凝土支護(hù)，必要時(shí)還需要模筑混凝土加強(qiáng)支護(hù)，投資大幅度增加，進(jìn)尺速度大幅度下降，敞開(kāi)式的優(yōu)勢(shì)大大降低；但護(hù)盾式因盾殼較長(zhǎng)，在這類(lèi)地層施工卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，堅(jiān)硬完整圍巖易發(fā)生巖爆，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)某些工程隧洞施工時(shí)段，工人需要身穿防彈衣、頭戴鋼盔作業(yè)。軟弱破碎圍巖會(huì)出現(xiàn)兩類(lèi)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TBM具有一定優(yōu)勢(shì)；二是地應(yīng)力較大時(shí)巖石易發(fā)生收斂導(dǎo)致盾殼卡機(jī)，此時(shí)盾殼較短的敞開(kāi)式TBM具有一定優(yōu)勢(shì)。

引江補(bǔ)漢工程單臺(tái)TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度在13～18 km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，尤其是大直徑隧洞。

四、TBM裝備發(fā)展方向

1.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，遇到普通巖層采用單護(hù)盾模式。這種多模式TBM已經(jīng)開(kāi)始逐漸應(yīng)用。

2.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單護(hù)盾模式掘進(jìn)；二是在護(hù)盾式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TBM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。這三種方式有的已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，有的仍處于試驗(yàn)研究階段。

3.功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

TBM包括主機(jī)、后配套等設(shè)備，長(zhǎng)度一般為100～200 m，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)。在功能優(yōu)化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；三是進(jìn)一步優(yōu)化用于超前物探設(shè)備的搭載方式。

4.實(shí)現(xiàn)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。

5.改變破巖方式

現(xiàn)在的TBM采用圓形刀具壓碎巖石實(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裝備及掘進(jìn)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。

1.TBM選型研究

TBM選型及適應(yīng)性評(píng)價(jià)尚無(wú)可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)。復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM的適應(yīng)性表現(xiàn)出不確定性，不僅具有隨機(jī)性，還具有模糊性，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)TBM適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，考慮的地質(zhì)因素及相應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚顯不足，欠缺TBM適應(yīng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)施過(guò)程中，參建各方及專(zhuān)家也很難達(dá)成一致意見(jiàn)，尤其是大直徑TBM選型。

當(dāng)前TBM施工逐漸標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、精細(xì)化，引江補(bǔ)漢工程有必要深化理論探索，總結(jié)以往工程經(jīng)驗(yàn)，分析現(xiàn)階段技術(shù)水平，通過(guò)開(kāi)展針對(duì)本工程特點(diǎn)的超大直徑TBM選型技術(shù)研究，進(jìn)一步降低施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約工程投資，保證施工工期的總體可控。主要研究目標(biāo)是增加定量指標(biāo)，減少選型的不確定性，為此需要建立大直徑TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，得出不同類(lèi)型TBM應(yīng)對(duì)同一地質(zhì)問(wèn)題的效果，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展選型工作。研究成果對(duì)促進(jìn)同類(lèi)工程進(jìn)展和TBM施工技術(shù)進(jìn)步具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2.功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

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，降低坍塌和涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)是可以做到的，為此需要大幅度提高超前鉆機(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；三是通過(guò)TBM智能掘進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步實(shí)用化研究，提高設(shè)備本身的可靠性，降低人為失誤導(dǎo)致的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。

3.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)價(jià)研究

目前，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)單位致力于不放過(guò)一個(gè)疑似危險(xiǎn)，但正因危險(xiǎn)太多，容易讓人無(wú)所適從。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的物探方法用于避免重大安全事故效果良好，用于指導(dǎo)施工尚存在不足，需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法方面主要開(kāi)展以下研究：一是通過(guò)增加因子、優(yōu)化算法，進(jìn)一步提高現(xiàn)有物探方法的固有準(zhǔn)確率；二是TBM在掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)巖-機(jī)關(guān)系互饋等方式可感知巖體的力學(xué)特性等參數(shù)，將其與超前預(yù)報(bào)信息相融合，在此基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行校核與多源信息融合分析，開(kāi)發(fā)TBM掘進(jìn)巖-機(jī)信息與超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的融合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)“近距離預(yù)測(cè)（10 m以內(nèi)）-中距離水體探測(cè)（30 m以內(nèi)）-遠(yuǎn)距離構(gòu)造探測(cè)（100 m以內(nèi)）”的多層次、漸進(jìn)式超前預(yù)報(bào)，提高對(duì)巖體地質(zhì)預(yù)報(bào)感知的可靠性；三是通過(guò)對(duì)已有大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)坍塌預(yù)報(bào)功能的進(jìn)一步優(yōu)化，在引江補(bǔ)漢工程選取塌方、卡機(jī)高風(fēng)險(xiǎn)洞段開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，隨著TBM向前掘進(jìn)，融入新的掘進(jìn)數(shù)據(jù)、巖-機(jī)相互作用、地質(zhì)信息以及設(shè)備運(yùn)行的機(jī)電液等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)挖掘的坍塌、卡機(jī)預(yù)警功能的實(shí)用化；四是根據(jù)護(hù)盾式TBM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與施工情況，提出針對(duì)性的微震傳感器布置設(shè)計(jì)方案，解決圍巖封閉條件下的巖爆微震智能預(yù)警難題。

4.超前處理

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)TBM掘進(jìn)施工有一個(gè)較為流行的理念：除每天固定的設(shè)備檢修外，TBM設(shè)備掘進(jìn)不宜停機(jī)，遇到不良地質(zhì)問(wèn)題應(yīng)保持慢速掘進(jìn)狀態(tài)，不宜主動(dòng)停機(jī)處理，在出現(xiàn)卡機(jī)或其他導(dǎo)致無(wú)法掘進(jìn)的事故時(shí)，再采取脫困措施。在上述理念的影響下，很多地質(zhì)情況復(fù)雜的隧洞開(kāi)挖往往付出很大的進(jìn)度和投資代價(jià)。

隧洞在開(kāi)挖過(guò)程中，破壞了含水層原有結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得地下水動(dòng)力條件發(fā)生轉(zhuǎn)變。隧洞施工涌突水不僅降低圍巖穩(wěn)定性，而且給施工帶來(lái)很多不良影響，特別是在有大量高壓涌突水的情況下，不但會(huì)造成設(shè)備和儀器損失、投資增加、工期延誤，甚至導(dǎo)致人員傷亡，釀成不可挽回的重大災(zāi)難事故。由此，有必要開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋長(zhǎng)隧洞超前處理關(guān)鍵技術(shù)研究，探索涌水突泥、大流量涌水、高外水壓力等復(fù)雜地質(zhì)條件下合適的灌漿處理方案、材料組合使用體系、成套工藝和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于保障工程建設(shè)安全、保證工程工期、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

從國(guó)內(nèi)已完工的幾個(gè)超大直徑TBM項(xiàng)目看，有一個(gè)共同點(diǎn)就是應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)體效果有限。通過(guò)裝備選型更加科學(xué)、裝備功能的優(yōu)化、超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高以及真正實(shí)現(xiàn)超前處理，有望大幅度提高TBM掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)體的能力和效率，實(shí)現(xiàn)工期可控并提高掘進(jìn)過(guò)程的固有安全性。作為引江補(bǔ)漢工程的建設(shè)者，希望能通過(guò)上述研究及工程實(shí)踐，創(chuàng)新TBM掘進(jìn)技術(shù)理念，促進(jìn)國(guó)內(nèi)超大直徑TBM裝備及掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展。