引江補漢工程主體是一條內(nèi)徑10.2m、長達194km的隧洞。對于這種長隧洞，一般需要在合適位置設置施工支洞，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)生大量有毒氣體、粉塵，爆破作業(yè)后的通風排氣必不可少。大量實踐證明，爆破面距離洞口5km以上時，通風排氣作業(yè)效率很低，極大影響施工進度，因此施工支洞不能太長。引江補漢工程所在位置為山區(qū)，一半洞段埋深在600m以上，多數(shù)位置施工支洞本身的長度都接近或超過5km，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“不可能”。硬巖掘進機，簡稱TBM，最大的優(yōu)勢是獨頭工作面長（可達20km以上）。總長194km的隧洞，其中120km需要采用TBM掘進，共計需要9臺，工期控制性項目也是施工洞段?？梢哉f，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。

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)人員安全風險，這就是盾構(gòu)機的基本原理。根據(jù)工作模式的不同，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，可惜最終只是造出了機器，卻沒能應用。1851年和1856年美國人分別造出了兩臺TBM，一臺掘進了3m，一臺只掘進了不到0.5m，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，應用效果都難以滿足實際需要，直到1884 年博蒙特開發(fā)出壓縮空氣式TBM，成功應用于英吉利海峽隧道直徑2.1m的勘探導坑, 掘進長度近 10km。1953年,美國人羅賓斯研制出一臺直徑為7.85 m的TBM,可稱為第一臺現(xiàn)代意義上的TBM。

國產(chǎn)TBM研發(fā)最早可追溯到1964年，由上海勘測設計院和北京電力學院開始承擔TBM自主研發(fā)任務，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。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，時至今日已占據(jù)國內(nèi)市場。

三、TBM分類及選型考慮因素

TBM一般可分為敞開式和護盾式兩大類型。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備，對于圍巖較為破碎的洞段也可以在開挖后實現(xiàn)快速支護，但在支護完成之前，人員及設備暴露在裸露圍巖下，有一定安全風險；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，人員及設備的安全風險小。兩類設備在結(jié)構(gòu)方面最大的不同在于敞開式盾殼較短，長度約6m；護盾式盾殼較長，長度一般在10～12m。這一不同導致護盾式盾殼卡機風險較高，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，卡刀盤的風險敞開式要大于護盾式。

TBM選型重點因素在于地質(zhì)情況和投資。地質(zhì)情況通常很復雜，且各個因素互相影響，最主要的三個方面：第一是圍巖的破碎程度，第二是地應力大小（可簡單理解為埋深的大?。?，第三是圍巖強度高低。對于完整度較好、地應力不大的圍巖，兩類TBM都能實現(xiàn)快速掘進。據(jù)報道，最高月進尺可達到1800m，是普通鉆爆法速度的15倍，考慮到管片價格較高，這類圍巖一般選擇敞開式TBM。對于地質(zhì)情況不好的圍巖，當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混凝土支護，必要時還需要模筑混凝土加強支護，投資大幅度增加，進尺速度大幅度下降，敞開式的優(yōu)勢大大降低；但護盾式因盾殼較長，在這類地層施工卡機風險相對較高。當?shù)貞^大時，堅硬完整圍巖易發(fā)生巖爆，人員及設備均承受很大風險，施工人員承受的心理壓力很大。據(jù)調(diào)研，國內(nèi)某些工程隧洞施工時段，工人需要身穿防彈衣、頭戴鋼盔作業(yè)。軟弱破碎圍巖會出現(xiàn)兩類問題，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TBM具有一定優(yōu)勢；二是地應力較大時巖石易發(fā)生收斂導致盾殼卡機，此時盾殼較短的敞開式TBM有一定優(yōu)勢。

引江補漢工程單臺TBM掘進長度在13～18km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，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，兼顧上述設備優(yōu)點，遇到不同地層采用不同的掘進模式。現(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，遇到普通巖層采用單護盾模式。這種多模式TBM已經(jīng)開始逐漸應用。

2.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備，在巖爆或破碎巖層中拼裝管片按單護盾模式掘進；二是在護盾式TBM盾殼后部增設一套錨噴支護裝置，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。這三種方式有的已實現(xiàn)工程應用，有的已仍處于試驗研究階段。

3.功能優(yōu)化設計

TBM包括主機、后配套等設備，長度一般為100～200m，需要具有不同功能的設備共同工作實現(xiàn)正常掘進。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，在易用性方面考慮較少，如超前鉆機；二是對地質(zhì)復雜程度考慮不足，出現(xiàn)功能缺失，如盾殼后部快速清渣設備、側(cè)拱快速立模設備等；三是進一步優(yōu)化用于超前物探設備的搭載方式。

4.實現(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)實現(xiàn)掘進參數(shù)設定自動化；二是結(jié)合大數(shù)據(jù)和機器學習技術(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、巖爆等災害預警。其中掘進參數(shù)自動化設定已有個別成功案例，災害預警尚在探索階段。

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裝備及掘進應用研究方向

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、軟巖變形的風險很高，需要開展深入研究。

1.TBM選型研究

TBM選型及適應性評價尚無可靠的評價指標。復雜地質(zhì)條件下TBM的適應性表現(xiàn)出不確定性，不僅具有隨機性，還具有模糊性，現(xiàn)行規(guī)范對TBM適應性進行評價時，考慮的地質(zhì)因素及相應評價標準尚顯不足，欠缺TBM適應性的評價指標及標準。實施過程中，參建各方及專家也很難達成一致意見，尤其是大直徑TBM選型。

當前TBM施工逐漸標準化、信息化、精細化，引江補漢工程有必要深化理論探索，總結(jié)以往工程經(jīng)驗，分析現(xiàn)階段技術(shù)水平，通過開展針對本工程特點的超大直徑TBM選型技術(shù)研究，進一步降低施工風險，節(jié)約工程投資，保證施工工期的總體可控性。主要研究目標是增加定量指標，減少選型的不確定性，為此需要建立大直徑TBM掘進數(shù)據(jù)庫，得出不同類型TBM應對同一地質(zhì)問題效果，以此為基礎(chǔ)開展選型工作。研究成果對促進同類工程進展和TBM施工技術(shù)進步具有重要現(xiàn)實意義。

2.功能優(yōu)化設計

一是提高設備的易用性，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，降低坍塌和涌水突泥的風險是可以做到的，為此需要大幅度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，如應對軟弱破碎圍巖的快速立模功能、應對軟巖變形的擴挖功能、應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；三是通過TBM智能掘進系統(tǒng)的進一步實用化研究，提高設備本身的可靠性，降低人為失誤導致的掘進風險。

3.超前地質(zhì)預報及風險分級評價研究

目前，TBM設備直接搭載預報設備已成為共識并已有部分工程實例，但預報成果存在“狼來了”的情況，地質(zhì)預報單位致力于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)，現(xiàn)有的物探方法用于避免重大安全事故效果良好，用于指導施工尚存不足，需要開展進一步研究。

在超前地質(zhì)預報方法方面主要開展以下研究：一是通過增加因子、優(yōu)化算法，進一步提高現(xiàn)有物探方法的固有準確率；二是TBM在掘進過程中通過巖-機關(guān)系互饋等方式可感知巖體的力學特性等參數(shù)，將其與超前預報信息相融合，在此基礎(chǔ)上對預報結(jié)果進行校核與多源信息融合分析，開發(fā)TBM掘進巖-機信息與超前預報數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的融合平臺，實現(xiàn)TBM掘進“近距離預測(10m以內(nèi))-中距離水體探測(30m以內(nèi))-遠距離構(gòu)造探測(100m以內(nèi))”的多層次、漸進式超前預報，提高對巖體地質(zhì)預報感知的可靠性；三是通過對已有大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)坍塌預報功能的進一步優(yōu)化，在引江補漢工程選取塌方、卡機高風險洞段開展現(xiàn)場試驗，隨著TBM向前掘進，融入新的掘進數(shù)據(jù)、巖-機相互作用、地質(zhì)信息以及設備運行的機電液等參數(shù)，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)坍塌、卡機預警功能的實用化；四是根據(jù)護盾式TBM結(jié)構(gòu)特點與施工情況，提出針對性的微震傳感器布置設計方案，解決圍巖封閉條件下的巖爆微震智能預警難題。

4.超前處理

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)TBM掘進施工有一個較為流行的理念：除每天固定的設備檢修外，TBM設備掘進不宜停機，遇到不良地質(zhì)問題應保持慢速掘進狀態(tài)，不宜主動停機處理，在出現(xiàn)卡機或其他導致無法掘進的事故時，再采取脫困措施。在上述理念的影響下，很多地質(zhì)情況復雜的隧洞開挖往往付出很大的進度和投資代價。

隧洞在開挖過程中，破壞了含水層原有的結(jié)構(gòu)，同時使得地下水動力條件發(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，不但會造成設備和儀器損失、投資增加、工期延誤，甚至導致人員傷亡，釀成不可挽回的重大災難事故。由此，有必要開展復雜地質(zhì)條件下深埋長隧洞超前處理關(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)，對于保障工程建設安全、保證工程工期、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

從國內(nèi)已完工的幾個超大直徑TBM項目看，有一個共同點就是應對不良地質(zhì)體效果有限。通過裝備選型更加科學、裝備功能的優(yōu)化、超前預報準確率的提高以及真正實現(xiàn)超前處理，有望大幅提高TBM掘進技術(shù)應對不良地質(zhì)體的能力和效率，實現(xiàn)工期可控并提高掘進過程的固有安全性。作為引江補漢工程的建設者，希望能通過上述研究及工程實踐，創(chuàng)新TBM掘進技術(shù)理念，促進國內(nèi)超大直徑TBM裝備及掘進技術(shù)發(fā)展。

作者：楊旭輝