TBM的發(fā)展歷程

［美國］ D.威利斯

在TBM漫長的發(fā)展歷程中，尼亞加拉隧洞項目——日掘進記錄保持者，超越了TBM技術的極限。

1952年生產(chǎn)的首臺掘進機直徑8 m，挖掘了美國南達科他州奧阿希(Oahe)大壩項目的一條導流隧洞。一個反旋轉(zhuǎn)刀盤挖掘掌子面周邊，同時中央刀盤穩(wěn)住掌子面，掘進采用了破碎地層開挖技術。內(nèi)、外刀盤上安裝有碳化切削刀頭和多排啞鈴形鋼片，通過刀盤旋轉(zhuǎn)，在軟頁巖中掘進。

當時，很多人曾試圖在巖石中掘進隧洞，但沒有行之有效的機器，最后是詹姆斯通過解決刀具設計問題而使之成為可能。

奧阿希大壩首條隧洞和后續(xù)隧洞是作為導流隧洞挖掘的，大壩建成后用作引水隧洞和尾水隧洞，這些隧洞的開鑿，開創(chuàng)了水電工程TBM隧洞掘進的漫長和多樣化的歷史進程。

1 TBM成為標準

盡管存在眾多挑戰(zhàn)，首臺TBM的掘進速度仍然令人滿意，隨后為奧阿希壩址6條引水隧洞和7條導流隧洞制造了TBM。每臺TBM建造后都經(jīng)過精心改進，特別是對其中1臺進行了翻新并將其再次用于加拿大薩斯喀徹溫省加德納(Gardner)壩引水隧洞。當時將TBM的直徑從近9 m改進到7.8 m，這一改進非比尋常，為使得掘進效率更高，將扭矩增加了4～5倍。以前TBM在掘進過程中掌子面穩(wěn)定支撐這一問題還沒有得到解決，即當機器出現(xiàn)故障時，掌子面前方的地面往往發(fā)生塌陷。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，隨著TBM效率和掘進速度的提高，其應用也越來越廣泛。

1958年，詹姆斯兒子迪克接管了公司。在迪克的管理下，完成了第3臺TBM掘進機的建造，這是奧阿希大壩最大、直徑9 m的巨型TBM機。但在此后，訂單稀少，TBM的發(fā)展面臨困境。然而，1960年6月，大湖規(guī)模龐大的水力發(fā)電規(guī)劃使得TBM的發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。

羅賓斯公司獲得了為波蒂納(Poatina)隧洞提供直徑4.9 m的 TBM合同，波蒂納隧洞是條長6.9 km的引水隧洞，圍巖為泥巖和砂巖，圍巖的無側(cè)限抗壓強度達到118 MPa。TBM是在華盛頓西雅圖的一家大商場建造的，6個月后完成組裝，這臺TBM具有適合在較硬巖石條件下掘進的獨特功能。

當時，通過機器本身的質(zhì)量抵消了TBM鉆進過程中產(chǎn)生的扭矩，機器置在寬軌上，支架位于機器的右側(cè)。在奧阿希壩最早的TBM機沒有抓爪，因此在掘進過程中機器的后腳往往會抬起，并向右偏斜，有種不穩(wěn)定的感覺。取代抓爪，改用液壓千斤頂向前推動焊接在機器上的鋼肋，該方法還意味著焊接鋼肋無需考慮地下條件。

后來制造的更小直徑的TBM使用固定式抓爪，但這使得操縱方向成為了一個問題。1956年多倫多亨伯(Humber)河排污隧道項目，使用開敞式TBM在堅硬的結(jié)晶灰?guī)r中挖掘，使用了正式的刀盤和固定式抓爪。工作人員解釋，抓爪一旦抓住巖石，TBM就必須往前直行。如果操作人員想要操縱TBM的掘進方向，抓爪就會掙脫墻壁的束縛，機器便會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的危險。正因為如此，在亨伯河排污隧道施工中，操作人員駕駛TBM時必須小心謹慎。

澳大利亞波蒂納隧道項目中，羅賓斯公司設計了一個具有連續(xù)轉(zhuǎn)向能力的TBM。隧洞在堅硬的砂巖中掘進，因此首次設計了鉸結(jié)式(浮動式)抓爪系統(tǒng)。這一成功設計使TBM可連續(xù)轉(zhuǎn)向，即使是在抓爪抓緊隧洞壁向前掘進時也能達到轉(zhuǎn)向的目的。其他的設計改進，如永久密封大直徑軸承的開發(fā)，提高了軸承使用壽命，還具有不漏油、排污效果好等優(yōu)點。

波蒂納 TBM于1961年3月開始掘進，當時TBM還被認為是實驗性的，鉆爆法是隧洞施工的主要手段。在雪山進行鉆爆法隧洞施工中，掘進速度的最高記錄是每周137 m，而波蒂納TBM的掘進速度是這一數(shù)值的2倍，在一周6 d工作日內(nèi)TBM掘進了229 m，一個臺班最佳掘進18.2 m，證明TBM的掘進速度比鉆爆法快。

盡管有挑戰(zhàn)，但羅賓斯公司仍在工作中將掘進速度設定得較高，并做到了這一點。因為公司有一支由機械和結(jié)構工程師組成的偉大團隊，項目業(yè)主也相當有經(jīng)驗。波蒂納的成功，為未來TBM在全球水電隧洞工程中的應用鋪平了道路。

2 輸送機在巴基斯坦項目中的應用

1963年，羅賓斯公司為曼格拉(Mangla)大壩項目建造了主梁直徑11.2 m的TBM，這是當時世界上最大的TBM。西巴基斯坦隧洞長4.3 km，從杰拉姆(Jhelum)河引水，供農(nóng)業(yè)灌溉和水力發(fā)電之用。要把TBM從港口城市卡拉奇運到偏遠的工地，需要對數(shù)百公里的橋梁進行詳細測量，設備組件和零部件通過鐵路運輸。

在這個項目中，TBM使用了古德曼煤礦輸送機而不是渣土車，這在TBM隧洞技術史上是首創(chuàng)。這項技術被應用于煤礦和鉀礦的開采中。該項目中的5個TBM隧洞是直線型的，允許輸送機在所有5個站點重復使用，當時輸送機的設計還沒有弧線型的。傳送帶安裝在隧洞內(nèi)一側(cè)，同時鐵軌仍然可以運輸材料，接送工作人員進出。用傳送帶盒保持傳送帶的張力，在傳送帶盒處可以加長傳送帶。

傳送帶能夠連續(xù)運行，相當便捷。但可延長的輸送機并沒有在這個行業(yè)中推廣應用，因為承包商和業(yè)主認為使用輸送機增加的投資太多，據(jù)記載，早期的TBM法隧洞施工多用渣土車排渣。直到30 a后，再次證明擴展輸送機排渣效率確實高時，連續(xù)輸送機才開始在TBM法隧洞施工中得到應用。

3 TBM的功能更新

在整個20世紀60年代末到80年代中期，水電開發(fā)在歐洲蓬勃發(fā)展，這一發(fā)展趨勢對TBM的推廣應用起到了積極的作用，特別是直徑3～4.5 m的小型隧洞。當時在挪威、瑞士、奧地利、意大利等地，有許多小口徑高壓隧洞用作壓力水管和尾水渠。如1976年瑞士格里姆瑟爾(Grimsel)水電項目，檢驗了TBM在堅硬巖石中掘進的極限，直徑4.3 m的羅賓斯主梁機，在無側(cè)限抗壓強度高達255 MPa的白崗巖和片麻巖中開挖出了壓力隧洞。

在堅硬的巖石中掘進，TBM仍比鉆爆法要快，但快的有限，對于承包商這是一個艱難的選擇。為了使掘進速度更快，為格里姆瑟爾項目研發(fā)了直徑0.38 m的刀盤，這樣機器在極堅硬巖石條件下掘進的效率更高。在較堅硬巖石條件下，這種直徑的刀盤最終被更大直徑的0.43 m刀盤所取代，并且成為了較大直徑機器上使用刀盤的標準。

20世紀90年代初，挪威計劃在更堅硬巖石中挖掘一系列水電隧洞，斯瓦提森(Svartisen)水電工程項目需要6臺羅賓斯主梁TBM，開鑿隧洞總長57 km，隧洞從典型的堅硬巖石中通過，主要有片麻巖、石英巖、花崗巖和大理石，單軸抗壓強度100～300 MPa，這也是TBM有史以來曾經(jīng)遇到過的最堅硬巖石。面對這樣困難的情況，羅賓斯公司開發(fā)了史上第一個直徑0.48 m的刀盤，額定載荷312 kN，使得TBM在硬巖中掘進成為可能。在掘進過程中，這些TBM將掘進速度的世界記錄提高了4～5 m，一個最快臺班掘進61.2 m，一天最長進尺90.2 m，一周最深掘進360.5 m。

與此同時，隨著水電在北歐的蓬勃發(fā)展，意大利承包商迅速成長為在裂隙性地層中挖掘地下洞室的專家。1972年，意大利卡拉布里亞(Calabria)調(diào)水和水力發(fā)電項目使得TBM技術獲得了突破性進展。奧里切拉(Orichella)和蒂姆帕格蘭德(Timpagrande)隧洞圍巖為裂隙性花崗巖，掘進工期緊張，迪克提出一個理念，并與賽利公司(SELI)共同制作了1臺TBM，該機在掘進時可以進行管片安裝。這一理念提高了TBM的挖掘速度，因為掘進和襯砌不再是先后工序。羅賓斯的概念最終變成第1臺護盾TBM。在世界各地眾多裂隙性地層隧洞挖掘中，這一成功的TBM機型得到了廣泛應用。

4 TBM在水電項目中的應用前景

水電的蓬勃發(fā)展激勵了TBM技術的創(chuàng)新，最典型的例子是加拿大的尼亞加拉隧洞項目。世界上直徑最大(14.4 m)的硬巖TBM，用來掘進尼亞加拉大瀑布下面的第3條引水隧洞。緊湊的施工組織設計要求大型機器必須在施工現(xiàn)場快速完成組裝，為此創(chuàng)新了裝配方法。

2006年，羅賓斯公司研發(fā)了現(xiàn)場第一時間組裝(OFTA)技術，并應用在尼亞加拉TBM上，很好地解決了工期問題。OFTA允許TBM的初裝在工地現(xiàn)場，而不是在制造工廠進行。與工廠組裝、然后再拆卸運到工地相比，可以節(jié)省時間多達5個月。同樣，不完全在工廠組裝，減少了勞動工時成本和運輸成本，像尼亞加拉這樣的大項目，節(jié)省的成本可高達4萬美元。對組件建立嚴格的質(zhì)量控制措施，關鍵子組件在運往現(xiàn)場前仍在工廠組裝。尼亞加拉大機器組裝非常成功，只用了17周時間，從合同簽訂到機器開始掘進不到12個月。

目前，水電項目傾向于布置長距離引水隧洞和多用途大直徑隧洞，使TBM法比鉆爆法更具有優(yōu)越性。在歐洲，大部分水電開發(fā)業(yè)已完成。而在中國、印度和東南亞等國，許多水源、大壩和水電項目正方興未艾。

羅賓斯公司現(xiàn)任總裁霍姆指出，世界很多欠發(fā)達國家擁有山川和充足的水資源，缺乏或?qū)⑷狈δ茉?，水電是獲得這種能源的高效方式。因此，期望在未來10 a將項目規(guī)模增加1倍，就像過去10 a所做的那樣?；裟芬部吹搅薚BM技術在為滿足峰值用電需求的抽水蓄能系統(tǒng)建設中拓展應用的可能性。概念性的思路正處于設計階段，在不久的將來可能付諸實施。

水力發(fā)電的長遠前景，讓羅賓斯公司看到了TBM技術更多的發(fā)展空間——工作要求越來越多，隧洞越來越長，巖石越來越堅硬。越來越多的工作將會分布在條件惡劣的地區(qū)，如高山峽谷的高地應力地區(qū)和喜馬拉雅山地區(qū)(擬建深埋長隧洞)。但要在這些地區(qū)建設隧洞，需要進一步優(yōu)化的解決方案，將巖石力學與連續(xù)柔性地面支撐結(jié)合起來。