5年之后，美國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，美國羅賓斯公司研制出現(xiàn)代意義上第一臺軟巖TBM，1956年又成功研制出中硬巖TBM。從此，TBM進(jìn)入快速發(fā)展時期。

陜西省引漢濟(jì)渭公司工程技術(shù)部副部長劉國平向筆者介紹，正在實施的引漢濟(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、超長距離排氣送風(fēng)的“四高一長”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形滾刀的旋轉(zhuǎn)刀盤，看起來很像鯪鯉的利齒。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，或為掘進(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支洞TBM項目部土木副總工文斌來到輸水隧洞開挖現(xiàn)場，近距離感受這臺凝聚人類智慧精華的龐然大物。此前也進(jìn)過許多施工隧洞，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。無奈只好大致估焦憑經(jīng)驗盲拍，但還是一片混沌，原來鏡頭前裝著的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)肩屏不時出現(xiàn)“無法連接電池信息”的字樣。防水和密封設(shè)計絕佳的5DmarkIII頻頻罷工足可見施工環(huán)境的惡劣。

在掘進(jìn)現(xiàn)場，文斌大著嗓門近乎喊話般告訴筆者，這臺TBM掘進(jìn)設(shè)備的絕緣防水等級達(dá)到防護(hù)安全最高級別，即IP67，這是目前工業(yè)電氣及布線行業(yè)的最高防護(hù)級別。掘進(jìn)過程中，掌子面濕度超過80%并不時伴隨小體量涌水。即使如此，TBM還是完成了以往各種掘進(jìn)設(shè)備從未完成過的任務(wù)。據(jù)文斌介紹，對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支洞，是另一條運用TBM掘進(jìn)法施工的隧洞。相較于嶺南三號支洞，洞內(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，只能踩著鋪設(shè)在槽鋼架臺上的鐵軌登上機(jī)器扶梯。這里水深已經(jīng)及腰。

“涌水其實不算真正的困難，哪個隧洞不出現(xiàn)涌水？”即便如此，中鐵十八局隧道公司引漢濟(jì)渭項目部總工王建偉卻信心滿滿。王建偉稱，他們引進(jìn)的德國海瑞克掘進(jìn)機(jī)上有兩臺110千瓦的主泵，還有十幾臺輔助水泵枕戈以待，驅(qū)動機(jī)器最前端刀盤旋轉(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，項目部對于涌水災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案十分完備。就此工程來說，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。

除了兵來將擋水來土掩的“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)。譬如說超前鉆機(jī)，在特定條件下，可超前預(yù)報有水或不良地質(zhì)。除此，防爆性能也是考量一臺TBM性能的重要參數(shù)。掘進(jìn)時穿越煤層、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。

堅利如鐵 奮強(qiáng)突固竭力為之

TBM對設(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是引漢濟(jì)渭工程中比較難啃的“硬骨頭”。其全長98.3公里的超長隧洞、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)堅硬巖石隨時性產(chǎn)生巖爆；預(yù)測最高地溫40℃，但當(dāng)TBM開始工作時，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，如同一個個“攔路虎”橫陳在眼前，綜合難度堪稱世界級。

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，對刀具刀盤的磨損，可想而知。

文斌告訴筆者，在掘進(jìn)過程中，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)3萬至6萬元。

換刀頻率的增加不僅帶來成本的壓力，也給項目工期帶來巨大壓力。三號支洞TBM操作主司機(jī)程廣濤描述，他所經(jīng)歷過的同類項目——遼西引水工程中也同樣采用了TBM設(shè)備用來掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中，一年更換的刀具數(shù)量僅為135把，而三號支洞一個星期的刀具更換數(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，更換一把的時間甚至長達(dá)兩小時。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TBM施工段的95%，致使TBM掘進(jìn)過程中掌子面頻頻崩塌落石，當(dāng)重達(dá)數(shù)噸的落石橫亙在TBM前面時，只能安排掘進(jìn)班工人鉆入刀盤內(nèi)，對孤石進(jìn)行鉆孔爆破，然后分批將碎石運出洞外；高溫?fù)Q刀早已讓工人們疲憊不堪，此時又常常出現(xiàn)連續(xù)換刀的情況。往往第一把刀剛裝上沒幾分鐘，還沒有開始掘進(jìn)，瞬間又有夢魘般的巖爆、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三號支洞項目經(jīng)理趙毅介紹，其掘進(jìn)段總長度達(dá)到17.51公里。目前，TBM每天的利用率雖高達(dá)45%，但3小時最高進(jìn)尺只有1.8米。雖然慢了點，但在這樣的施工條件下，已經(jīng)是十分傲人的成績。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。嶺南這臺產(chǎn)自美國羅賓斯公司的TBM主要適用于硬巖，再沒有比這個更先進(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，整個工程幾近是不可能完成的。

圣人語：“吾聞宥坐之器者，虛則欹，中則正，滿則覆?！边@句話向我們講述了中庸的道理?？涩F(xiàn)實中，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，困難都來的很極端。相對于嶺南隧洞開挖的“硬”，嶺北隧洞開挖最大的困難來自于“軟”。中鐵十八局隧道公司引漢濟(jì)渭項目部總工王建偉告訴筆者，其實TBM這類工程機(jī)械設(shè)備都是量身定制的，它對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。世界上還沒有能夠做到軟硬“通吃”的TBM設(shè)備。拋開成本控制因素，這就是為什么三號支洞選擇美國羅賓斯公司設(shè)備而他們嶺北五號支洞選擇德國海瑞克設(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)，對這些巖石名稱或許并無所聞。在嶺北五號支洞內(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。這與嶺南三號支洞那一片片規(guī)整堅實的反光晶體——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：五號支洞在掘進(jìn)過程中，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，此前如同沙漏計時一般的流沙此時則變成了一場沙暴，混雜著裂隙涌水，最終像泥石流一般奔涌?！疤膳铝?，簡直一塌糊涂?！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，坍塌部分沒有實體支撐，那對于他的工友們則是一場滅頂之災(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)時就有細(xì)小石渣甚至從刀盤與隧洞間隙流出，因此，他們對一個孔洞變成不規(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。塌方部位下落的砂石像剎車盤一樣，幾近將TBM刀盤抱死，不留任何縫隙。掌子面上，重新開挖的用以搶救TBM設(shè)備的輔洞盡頭，巖石裂縫滿滿，沒有噴漿的巖體上，竟被細(xì)小涌水沖出一道道深淺不一的溝壑。

絕有氣力 穿山而行無以代之

TBM設(shè)備就像一只猛獸一樣，只有好的牙齒而沒有力氣是不行的。三號支洞的這臺TBM設(shè)備，在動力方面，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，這臺機(jī)器的平均扭矩為1000千牛米，也是十分驚人的。通俗點說，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TBM僅一個月的平均用電量可滿足五萬多戶城市家庭一個月的用電需求。

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)者實施水資源戰(zhàn)略的浩然氣概與聰明才智。

面對施工過程中的種種困難，中鐵十八局引漢濟(jì)渭嶺北TBM項目部始終勇于破難，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立支護(hù)設(shè)施，但無窮無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)渭項目工區(qū)書記崔宗偉一口河南方言，樸實而又堅定。

引漢濟(jì)渭這項工程需要鑿?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，從而實現(xiàn)前人夢寐以求的長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)億萬年的秦嶺底部開鑿兩千多米埋深的隧洞，造一條長河，就像是打開一個從未開放過的史前世界，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，要打穿它需要中國乃至世界最先進(jìn)的技術(shù)。中國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，但其長度依然位列我國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。兩端對打的主洞最長施工段達(dá)到41公里，且施工斜支洞建設(shè)條件復(fù)雜，傾斜度最大的四號斜井支洞單向長度就達(dá)5.8公里，這些指標(biāo)在國內(nèi)已有工程中是首屈一指的。這樣的長度和埋深帶來的是一系列施工技術(shù)難題和建設(shè)管理的高難度。其整體工程無論是建設(shè)規(guī)模、施工條件還是技術(shù)難度，都將被國際工程界所矚目。當(dāng)傳統(tǒng)的鉆爆施工法已不能滿足施工要求時，只能引進(jìn)目前世界隧洞施工最先進(jìn)的裝備來打通秦嶺天然屏障。TBM是目前國際、國內(nèi)最具優(yōu)勢的巖石隧洞施工設(shè)備，具有快速、安全、優(yōu)質(zhì)、高效、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動力保護(hù)等優(yōu)點，可保證工程順利實施，創(chuàng)造價值。

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞主要采用的TBM施工法，無疑也要迎接許多創(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，共同見證和創(chuàng)造這一工程史上的奇跡。

“不畏將來不念過往，士不可以不弘毅，任重而道遠(yuǎn)！”采訪結(jié)束時董鵬如是說。

鏈接：

TBM在我國的發(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)，這期間國內(nèi)共研制了50多臺TBM。但種種原因，致使國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)的可靠性與技術(shù)性能與國外掘進(jìn)機(jī)有相當(dāng)大的差距，掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用未能在國內(nèi)得到推廣。80年代中期，我國的引水工程、鐵路隧道工程開始引進(jìn)國外TBM。國外TBM承包商將TBM施工技術(shù)也引入了中國，推動了我國TBM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。2014年12月27日，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)首臺大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(敞開式TBM)，在湖南長沙中國鐵建重工集團(tuán)總裝車間順利下線。它的成功研制打破了國外的長期壟斷，填補(bǔ)了我國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，我國從美國引進(jìn)了羅賓斯公司的兩臺二手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。1997年，西康鐵路秦嶺隧道工程由鐵道部從德國威爾特公司引進(jìn)兩臺直徑8.8米開敞式TBM自主施工，隧道全長18.46公里，巖石為堅硬的混合花崗巖和混合片麻巖，抗壓強(qiáng)度為105-325Mpa，屬于國際上TBM工程中十分罕見的極硬巖石條件，在此條件下仍創(chuàng)造了最高月進(jìn)尺531米的紀(jì)錄。2003年遼寧大伙房水庫輸水隧洞長85.3公里，其中60.3公里采用TBM施工，是當(dāng)年亞洲最長的輸水隧洞。2008年錦屏二級水電站引水隧道采用三臺TBM施工。三臺TBM累計掘進(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內(nèi)TBM首次在高原高海拔地區(qū)長隧洞施工中的應(yīng)用。今年3月，蘭州水源地工程項目應(yīng)用TBM開工掘進(jìn)。陜西省引漢濟(jì)渭工程以8.16米開挖直徑和41公里掘進(jìn)長度及2012米高埋深的綜合指標(biāo)，拔得國內(nèi)應(yīng)用TBM施工難度的頭籌。