鯪鯉造河穿秦嶺——陜西省引漢濟(jì)渭工程TBM掘進(jìn)紀(jì)事

5年之后,，美國(guó)人查理士威爾遜研制出TBM試用于花崗巖掘進(jìn)，但是未獲成功,。直到1881年,，波蒙特開(kāi)發(fā)出壓縮空氣式TBM，終于成功用于英吉利海峽隧道直徑2.1米的勘探導(dǎo)坑,。1952年,，美國(guó)羅賓斯公司研制出現(xiàn)代意義上第一臺(tái)軟巖TBM,，1956年又成功研制出中硬巖TBM。從此,，TBM進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期,。

陜西省引漢濟(jì)渭公司工程技術(shù)部副部長(zhǎng)劉國(guó)平向筆者介紹，正在實(shí)施的引漢濟(jì)渭工程,，考察引進(jìn)了兩套TBM設(shè)備,，這也是陜西水利工程的首次引進(jìn)，用以完成秦嶺輸水隧洞中最為艱巨的高埋深,、高地應(yīng)力,、高硬度、高涌水量,、超長(zhǎng)距離排氣送風(fēng)的“四高一長(zhǎng)”世界難題隧洞段掘進(jìn)任務(wù),。

似鯉四足 能陸能水安之若素

TBM外形流線確與鯪鯉有些許相像，頭部鑲嵌著幾十把盤(pán)形滾刀的旋轉(zhuǎn)刀盤(pán),，看起來(lái)很像鯪鯉的利齒,。更為巧合的是，TBM也有“四足”,，引漢濟(jì)渭工程所用的兩臺(tái)TBM設(shè)備兩側(cè)都各有一組液壓撐靴,，下方還有兩組后支撐，他們猶如TBM的四只腳,，或支撐著自重,，或?yàn)榫蜻M(jìn)提供反推力。

2016年仲夏,，筆者隨同引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞嶺南三號(hào)支洞TBM項(xiàng)目部土木副總工文斌來(lái)到輸水隧洞開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng),，近距離感受這臺(tái)凝聚人類智慧精華的龐然大物。此前也進(jìn)過(guò)許多施工隧洞,，但這次的感受卻非同尋常,。洞內(nèi)濕度之大、溫度之高難以想象,。隨同進(jìn)洞的攝影師有這樣一番描述,，眼鏡片全是霧氣，剛剛擦拭干凈,，卻發(fā)現(xiàn)相機(jī)的取景器也是霧氣騰騰,。等把取景器擦干凈，眼鏡片上又蒙上了一層水霧,。無(wú)奈只好大致估焦憑經(jīng)驗(yàn)盲拍,，但還是一片混沌，原來(lái)鏡頭前裝著的UV鏡竟然也如同降霜一般一片白茫,。手中的5DmarkIII相機(jī)突然死機(jī),，相機(jī)肩屏不時(shí)出現(xiàn)“無(wú)法連接電池信息”的字樣,。防水和密封設(shè)計(jì)絕佳的5DmarkIII頻頻罷工足可見(jiàn)施工環(huán)境的惡劣。

在掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng),，文斌大著嗓門(mén)近乎喊話般告訴筆者,，這臺(tái)TBM掘進(jìn)設(shè)備的絕緣防水等級(jí)達(dá)到防護(hù)安全最高級(jí)別，即IP67,，這是目前工業(yè)電氣及布線行業(yè)的最高防護(hù)級(jí)別。掘進(jìn)過(guò)程中,，掌子面濕度超過(guò)80%并不時(shí)伴隨小體量涌水,。即使如此，TBM還是完成了以往各種掘進(jìn)設(shè)備從未完成過(guò)的任務(wù),。據(jù)文斌介紹,，對(duì)TBM掘進(jìn)的影響關(guān)鍵在于出渣，只要水量未導(dǎo)致皮帶傳送機(jī)癱瘓,，TBM就仍可工作,。若是大體量的常規(guī)涌水導(dǎo)致停工，TBM則可通過(guò)搶裝水泵,、堆砌擋水墻,、架設(shè)輸水管道等突擊應(yīng)急抽排手段來(lái)控制涌水，保證TBM繼續(xù)掘進(jìn),。

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞嶺北五號(hào)支洞,，是另一條運(yùn)用TBM掘進(jìn)法施工的隧洞。相較于嶺南三號(hào)支洞,，洞內(nèi)的積水更深,，進(jìn)洞的小型機(jī)車幾乎是在水中涌浪行進(jìn)。到達(dá)TBM機(jī)器工作面時(shí),，只能踩著鋪設(shè)在槽鋼架臺(tái)上的鐵軌登上機(jī)器扶梯,。這里水深已經(jīng)及腰。

“涌水其實(shí)不算真正的困難,，哪個(gè)隧洞不出現(xiàn)涌水,？”即便如此，中鐵十八局隧道公司引漢濟(jì)渭項(xiàng)目部總工王建偉卻信心滿滿,。王建偉稱,，他們引進(jìn)的德國(guó)海瑞克掘進(jìn)機(jī)上有兩臺(tái)110千瓦的主泵，還有十幾臺(tái)輔助水泵枕戈以待,，驅(qū)動(dòng)機(jī)器最前端刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)工作的電機(jī)防水性能優(yōu)異,，可以泡在水中作業(yè)。除此,，項(xiàng)目部對(duì)于涌水災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案十分完備,。就此工程來(lái)說(shuō),，日涌水量只要控制在24000立方米以內(nèi)，就不影響TBM掘進(jìn)施工,。

除了兵來(lái)將擋水來(lái)土掩的“工作態(tài)度”,，TBM還具備未雨綢繆防患于未然的能力：TBM在設(shè)計(jì)之初，就配置了大量的輔助裝備,，支持著能陸能水的性能參數(shù)和表現(xiàn),。譬如說(shuō)超前鉆機(jī)，在特定條件下,，可超前預(yù)報(bào)有水或不良地質(zhì),。除此，防爆性能也是考量一臺(tái)TBM性能的重要參數(shù),。掘進(jìn)時(shí)穿越煤層,、煤線或者炭積巖，裂隙里如果有瓦斯氣體滲出,，聚集到一定程度若與電機(jī)產(chǎn)生的火花相遇,，則后果不堪設(shè)想。因此,，TBM的電路設(shè)計(jì)和一般的民用電器標(biāo)準(zhǔn)完全不同,，電機(jī)上所有線纜的接頭都采用防爆設(shè)置。

堅(jiān)利如鐵 奮強(qiáng)突固竭力為之

TBM對(duì)設(shè)備的可靠性和壽命要求極高,，被稱為工程機(jī)械的“航空母艦”和“掘進(jìn)機(jī)之王”,。TBM適用于山嶺隧道硬巖掘進(jìn)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆爆法,。在相同的條件下,，其掘進(jìn)速度約為常規(guī)鉆爆法的4～10倍。

秦嶺輸水隧洞可以說(shuō)是引漢濟(jì)渭工程中比較難啃的“硬骨頭”,。其全長(zhǎng)98.3公里的超長(zhǎng)隧洞,、2012米的最大埋深導(dǎo)致布設(shè)支洞困難；高指標(biāo)的地應(yīng)力引發(fā)堅(jiān)硬巖石隨時(shí)性產(chǎn)生巖爆,；預(yù)測(cè)最高地溫40℃,，但當(dāng)TBM開(kāi)始工作時(shí)，設(shè)備可作業(yè)部分最高溫度瞬間就達(dá)到65℃,；大體量的隧洞涌水也極大加劇了施工的難度,。除此，通風(fēng),、出渣等一系列技術(shù)難題,，如同一個(gè)個(gè)“攔路虎”橫陳在眼前，綜合難度堪稱世界級(jí)。

在這里被提到最頻繁的詞是“硬巖”,。在TBM掘進(jìn)段中,，穿越巖石以石英巖和花崗巖為主，其強(qiáng)度極大,，好似鋼板一塊,。如此之硬度，對(duì)刀具刀盤(pán)的磨損,，可想而知,。

文斌告訴筆者，在掘進(jìn)過(guò)程中,，TBM刀具磨損量巨大,，每日最多更換刀具數(shù)量達(dá)到20多把，而10到15把的換刀量已成為常態(tài),。一把刀具的成本根據(jù)類型不同就高達(dá)3萬(wàn)至6萬(wàn)元。

換刀頻率的增加不僅帶來(lái)成本的壓力,，也給項(xiàng)目工期帶來(lái)巨大壓力,。三號(hào)支洞TBM操作主司機(jī)程廣濤描述，他所經(jīng)歷過(guò)的同類項(xiàng)目——遼西引水工程中也同樣采用了TBM設(shè)備用來(lái)掘進(jìn),，掘進(jìn)過(guò)程中,，一年更換的刀具數(shù)量?jī)H為135把，而三號(hào)支洞一個(gè)星期的刀具更換數(shù)量就高達(dá)123把,。單只刀具重達(dá)400余斤,，換一把正常磨損的刀具需要40分鐘，如遇刀具出故障,，更換一把的時(shí)間甚至長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí),。每天都有4名刀具工進(jìn)行不停歇不間斷的更換。雪上加霜的是,，巖爆區(qū)段超過(guò)TBM施工段的95%,，致使TBM掘進(jìn)過(guò)程中掌子面頻頻崩塌落石，當(dāng)重達(dá)數(shù)噸的落石橫亙?cè)赥BM前面時(shí),，只能安排掘進(jìn)班工人鉆入刀盤(pán)內(nèi),，對(duì)孤石進(jìn)行鉆孔爆破，然后分批將碎石運(yùn)出洞外,；高溫?fù)Q刀早已讓工人們疲憊不堪,，此時(shí)又常常出現(xiàn)連續(xù)換刀的情況。往往第一把刀剛裝上沒(méi)幾分鐘,，還沒(méi)有開(kāi)始掘進(jìn),，瞬間又有夢(mèng)魘般的巖爆、落石砸壞刀具，不得不再次停機(jī)整修換刀,。

重重困難,，直接導(dǎo)致TBM的表現(xiàn)不盡如人意。TBM三號(hào)支洞項(xiàng)目經(jīng)理趙毅介紹,，其掘進(jìn)段總長(zhǎng)度達(dá)到17.51公里,。目前，TBM每天的利用率雖高達(dá)45%,，但3小時(shí)最高進(jìn)尺只有1.8米,。雖然慢了點(diǎn)，但在這樣的施工條件下,，已經(jīng)是十分傲人的成績(jī),。羅賓斯公司在硬巖掘進(jìn)技術(shù)方面領(lǐng)先世界，是世界工業(yè)最先進(jìn)水平的代表,。嶺南這臺(tái)產(chǎn)自美國(guó)羅賓斯公司的TBM主要適用于硬巖,，再?zèng)]有比這個(gè)更先進(jìn)的設(shè)備。倘若采用鉆爆法施工,、倘若采用其他公司的設(shè)備,，那么秦嶺輸水隧洞嶺南段將成為引漢濟(jì)渭工程的一條天塹，整個(gè)工程幾近是不可能完成的,。

圣人語(yǔ)：“吾聞宥坐之器者,，虛則欹，中則正,，滿則覆,。”這句話向我們講述了中庸的道理,?？涩F(xiàn)實(shí)中，尤其是在工程建設(shè)領(lǐng)域,，困難和現(xiàn)狀卻往往不“遵循”中庸的道理,，困難都來(lái)的很極端。相對(duì)于嶺南隧洞開(kāi)挖的“硬”,，嶺北隧洞開(kāi)挖最大的困難來(lái)自于“軟”,。中鐵十八局隧道公司引漢濟(jì)渭項(xiàng)目部總工王建偉告訴筆者，其實(shí)TBM這類工程機(jī)械設(shè)備都是量身定制的,，它對(duì)施工條件有著極為嚴(yán)格的要求,，掘進(jìn)條件最為合適的圍巖硬度應(yīng)在60至100兆帕。世界上還沒(méi)有能夠做到軟硬“通吃”的TBM設(shè)備,。拋開(kāi)成本控制因素,，這就是為什么三號(hào)支洞選擇美國(guó)羅賓斯公司設(shè)備而他們嶺北五號(hào)支洞選擇德國(guó)海瑞克設(shè)備的原因,。

“家家都有難念的經(jīng)！”王建偉苦笑道,，圍巖硬有圍巖硬的哀傷,，圍巖軟有圍巖軟的憂愁。他們的五號(hào)支洞,，有1380米的三類圍巖,，這些圍巖主要由千枚巖、變砂巖,、碎裂巖,、斷層泥礫構(gòu)成。倘若不是學(xué)土木工程或地質(zhì)類專業(yè),，對(duì)這些巖石名稱或許并無(wú)所聞,。在嶺北五號(hào)支洞內(nèi)，筆者在皮帶傳送機(jī)上隨手抓起一把石渣,，竟是些炭渣狀的碎小顆粒,，松散而糟雜。這與嶺南三號(hào)支洞那一片片規(guī)整堅(jiān)實(shí)的反光晶體——石英巖的確大不相同,。在王建偉辦公室里,，我們看到的一段視頻也許能更直觀的反映圍巖狀況。那是5月31日的一段記錄：五號(hào)支洞在掘進(jìn)過(guò)程中,，掌子面出現(xiàn)大面積塌方，石渣如流沙一般,，從一處細(xì)小孔洞涌出,，瞬間這一細(xì)小孔洞就被擴(kuò)大數(shù)倍，此前如同沙漏計(jì)時(shí)一般的流沙此時(shí)則變成了一場(chǎng)沙暴,，混雜著裂隙涌水,，最終像泥石流一般奔涌?！疤膳铝?，簡(jiǎn)直一塌糊涂?！蓖踅▊ジ嬖V筆者,，如此軟的圍巖，幸好采用TBM掘進(jìn),，若采取人工鉆爆,，坍塌部分沒(méi)有實(shí)體支撐，那對(duì)于他的工友們則是一場(chǎng)滅頂之災(zāi),。最要命的是,，這種軟巖塌方幾乎不成體系不成結(jié)構(gòu)，此前掘進(jìn)時(shí)就有細(xì)小石渣甚至從刀盤(pán)與隧洞間隙流出，因此,，他們對(duì)一個(gè)孔洞變成不規(guī)則的塌方面習(xí)以為常,。筆者此前在掌子面查看，印證了王建偉所說(shuō),。塌方部位下落的砂石像剎車盤(pán)一樣,，幾近將TBM刀盤(pán)抱死，不留任何縫隙,。掌子面上,，重新開(kāi)挖的用以搶救TBM設(shè)備的輔洞盡頭，巖石裂縫滿滿,，沒(méi)有噴漿的巖體上,，竟被細(xì)小涌水沖出一道道深淺不一的溝壑。

絕有氣力 穿山而行無(wú)以代之

TBM設(shè)備就像一只猛獸一樣,，只有好的牙齒而沒(méi)有力氣是不行的,。三號(hào)支洞的這臺(tái)TBM設(shè)備，在動(dòng)力方面,，液壓推進(jìn)最大力量達(dá)到340bar(壓強(qiáng)單位：巴爾,、巴)，換算這個(gè)數(shù)據(jù),，相當(dāng)于350公斤的壓力作用于一平方厘米,。不僅推進(jìn)壓力大，這臺(tái)機(jī)器的平均扭矩為1000千牛米,，也是十分驚人的,。通俗點(diǎn)說(shuō)，大概相當(dāng)于近七千輛轎車產(chǎn)生的扭矩,。能夠產(chǎn)生如此大的能量,，其耗電量之大可想而知。嶺南這臺(tái)TBM僅一個(gè)月的平均用電量可滿足五萬(wàn)多戶城市家庭一個(gè)月的用電需求,。

興陜之要,，其樞在水。從古至今,，秦人治水之腳步從未停歇,。對(duì)自然的改造和利用，使得這片土地充滿生機(jī),。引漢濟(jì)渭工程作為陜西省的“南水北調(diào)”工程,，其綜合難度堪稱世界第一，不由讓人感嘆引漢濟(jì)渭建設(shè)者實(shí)施水資源戰(zhàn)略的浩然氣概與聰明才智,。

面對(duì)施工過(guò)程中的種種困難,，中鐵十八局引漢濟(jì)渭嶺北TBM項(xiàng)目部始終勇于破難,，敢于擔(dān)當(dāng)。當(dāng)前,，圍巖偏軟破碎便是超越涌水災(zāi)害的最大難題,。為了防止塌方，他們采取加大拱架密度的方案,，圍巖硬度高的隧洞每隔1.8米安設(shè)一具,，而他們每隔90厘米就要用拱架加固。雖然TBM機(jī)器上帶有錨桿和噴錨兩套獨(dú)立支護(hù)設(shè)施,，但無(wú)窮無(wú)盡的軟體圍巖一旦出現(xiàn)塌方,，一切高科技裝備都顯得如此無(wú)助，只得靠人工作業(yè)輔助才能完成施工,。

“我和我的很多同事都曾是一名軍人,，面對(duì)困難我們從不抱怨，不叫苦不叫累,，要有擔(dān)當(dāng)精神,，勇于承擔(dān)責(zé)任，有困難必須自己克服,！”鐵道兵出身的中鐵十八局隧道公司引漢濟(jì)渭項(xiàng)目工區(qū)書(shū)記崔宗偉一口河南方言,，樸實(shí)而又堅(jiān)定。

引漢濟(jì)渭這項(xiàng)工程需要鑿?fù)ㄎ∥∏貛X,，把滔滔漢江水引入水資源嚴(yán)重短缺的渭河中來(lái),，從而實(shí)現(xiàn)前人夢(mèng)寐以求的長(zhǎng)江水系與黃河水系之聯(lián)通。其秦嶺輸水隧洞便是這一巨作的紐帶,。在數(shù)億萬(wàn)年的秦嶺底部開(kāi)鑿兩千多米埋深的隧洞,，造一條長(zhǎng)河，就像是打開(kāi)一個(gè)從未開(kāi)放過(guò)的史前世界,，其高古而靜謐，幽遠(yuǎn)而神秘,。

陜西省引漢濟(jì)渭工程公司副總經(jīng)理董鵬向筆者介紹,，引漢濟(jì)渭工程這條近100公里的隧洞，要打穿它需要中國(guó)乃至世界最先進(jìn)的技術(shù),。中國(guó)人第一次從底部洞穿了世界十大主要山脈之一的秦嶺,，這是人類的首次嘗試。輸水工程不像是修建鐵路和公路那樣可以翻山越嶺,，水向低處流的自然規(guī)律要求輸水線路必須是從高向低,，嚴(yán)格的按坡比定向流淌。引漢水入關(guān)中,，秦嶺是引漢濟(jì)渭工程最大的屏障,。引漢濟(jì)渭工程所選洞線盡管是在特定高程上穿越秦嶺的最短走線,，但其長(zhǎng)度依然位列我國(guó)在建和擬建隧道工程的前茅。特別是穿越秦嶺嶺脊段的最大埋深達(dá)到2012米,，比現(xiàn)已建成的西康鐵路隧道埋深增加約500米,。兩端對(duì)打的主洞最長(zhǎng)施工段達(dá)到41公里，且施工斜支洞建設(shè)條件復(fù)雜,，傾斜度最大的四號(hào)斜井支洞單向長(zhǎng)度就達(dá)5.8公里,，這些指標(biāo)在國(guó)內(nèi)已有工程中是首屈一指的。這樣的長(zhǎng)度和埋深帶來(lái)的是一系列施工技術(shù)難題和建設(shè)管理的高難度,。其整體工程無(wú)論是建設(shè)規(guī)模,、施工條件還是技術(shù)難度，都將被國(guó)際工程界所矚目,。當(dāng)傳統(tǒng)的鉆爆施工法已不能滿足施工要求時(shí),，只能引進(jìn)目前世界隧洞施工最先進(jìn)的裝備來(lái)打通秦嶺天然屏障。TBM是目前國(guó)際,、國(guó)內(nèi)最具優(yōu)勢(shì)的巖石隧洞施工設(shè)備,，具有快速、安全,、優(yōu)質(zhì),、高效、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)力保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),，可保證工程順利實(shí)施,，創(chuàng)造價(jià)值。

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞主要采用的TBM施工法,，無(wú)疑也要迎接許多創(chuàng)紀(jì)錄的挑戰(zhàn),。但建設(shè)者們從不畏懼挑戰(zhàn)，全體引漢濟(jì)渭人將迎難而上,，共同見(jiàn)證和創(chuàng)造這一工程史上的奇跡,。

“不畏將來(lái)不念過(guò)往，士不可以不弘毅,，任重而道遠(yuǎn),！”采訪結(jié)束時(shí)董鵬如是說(shuō)。

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TBM在我國(guó)的發(fā)展和在水利工程上的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代中期,我國(guó)成立了攻關(guān)小組,，研究并發(fā)展掘進(jìn)機(jī)技術(shù),，這期間國(guó)內(nèi)共研制了50多臺(tái)TBM。但種種原因,，致使國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)的可靠性與技術(shù)性能與國(guó)外掘進(jìn)機(jī)有相當(dāng)大的差距,，掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用未能在國(guó)內(nèi)得到推廣。80年代中期,，我國(guó)的引水工程,、鐵路隧道工程開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外TBM,。國(guó)外TBM承包商將TBM施工技術(shù)也引入了中國(guó)，推動(dòng)了我國(guó)TBM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,。2014年12月27日,，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(敞開(kāi)式TBM)，在湖南長(zhǎng)沙中國(guó)鐵建重工集團(tuán)總裝車間順利下線,。它的成功研制打破了國(guó)外的長(zhǎng)期壟斷,，填補(bǔ)了我國(guó)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的空白。

在應(yīng)用領(lǐng)域,，1985年,，我國(guó)從美國(guó)引進(jìn)了羅賓斯公司的兩臺(tái)二手TBM設(shè)備，用于廣西天生橋水電站引水隧道建設(shè),，這是我國(guó)第一條采用TBM施工的隧洞,。1991年，甘肅省引大(大通河)入秦(秦王川)工程,，當(dāng)屬TBM在我國(guó)的成功應(yīng)用典范,充分發(fā)揮出高效益,、高質(zhì)量、高速度的特點(diǎn),。1997年,，西康鐵路秦嶺隧道工程由鐵道部從德國(guó)威爾特公司引進(jìn)兩臺(tái)直徑8.8米開(kāi)敞式TBM自主施工，隧道全長(zhǎng)18.46公里,，巖石為堅(jiān)硬的混合花崗巖和混合片麻巖,，抗壓強(qiáng)度為105-325Mpa，屬于國(guó)際上TBM工程中十分罕見(jiàn)的極硬巖石條件,，在此條件下仍創(chuàng)造了最高月進(jìn)尺531米的紀(jì)錄,。2003年遼寧大伙房水庫(kù)輸水隧洞長(zhǎng)85.3公里，其中60.3公里采用TBM施工,，是當(dāng)年亞洲最長(zhǎng)的輸水隧洞,。2008年錦屏二級(jí)水電站引水隧道采用三臺(tái)TBM施工。三臺(tái)TBM累計(jì)掘進(jìn)18公里左右,，創(chuàng)造了12.4米大直徑TBM最高月進(jìn)尺683米的世界紀(jì)錄,。2013年西藏旁多水利樞紐灌溉輸水洞是國(guó)內(nèi)TBM首次在高原高海拔地區(qū)長(zhǎng)隧洞施工中的應(yīng)用。今年3月,，蘭州水源地工程項(xiàng)目應(yīng)用TBM開(kāi)工掘進(jìn),。陜西省引漢濟(jì)渭工程以8.16米開(kāi)挖直徑和41公里掘進(jìn)長(zhǎng)度及2012米高埋深的綜合指標(biāo),，拔得國(guó)內(nèi)應(yīng)用TBM施工難度的頭籌,。