［美國］ D.威利斯

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

1952年生產(chǎn)的首臺(tái)掘進(jìn)機(jī)直徑8 m，挖掘了美國南達(dá)科他州奧阿希(Oahe)大壩項(xiàng)目的一條導(dǎo)流隧洞。一個(gè)反旋轉(zhuǎn)刀盤挖掘掌子面周邊，同時(shí)中央刀盤穩(wěn)住掌子面，掘進(jìn)采用了破碎地層開挖技術(shù)。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(jìn)。

當(dāng)時(shí)，很多人曾試圖在巖石中掘進(jìn)隧洞，但沒有行之有效的機(jī)器，最后是詹姆斯通過解決刀具設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jìn)的漫長和多樣化的歷史進(jìn)程。

1 TBM成為標(biāo)準(zhǔn)

盡管存在眾多挑戰(zhàn)，首臺(tái)TBM的掘進(jìn)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(dǎo)流隧洞制造了TBM。每臺(tái)TBM建造后都經(jīng)過精心改進(jìn)，特別是對(duì)其中1臺(tái)進(jìn)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(dāng)時(shí)將TBM的直徑從近9 m改進(jìn)到7.8 m，這一改進(jìn)非比尋常，為使得掘進(jìn)效率更高，將扭矩增加了4～5倍。以前TBM在掘進(jìn)過程中掌子面穩(wěn)定支撐這一問題還沒有得到解決，即當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，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(jìn)速度的提高，其應(yīng)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(tái)TBM掘進(jìn)機(jī)的建造，這是奧阿希大壩最大、直徑9 m的巨型TBM機(jī)。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(jī)。

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(qiáng)度達(dá)到118 MPa。TBM是在華盛頓西雅圖的一家大商場(chǎng)建造的，6個(gè)月后完成組裝，這臺(tái)TBM具有適合在較硬巖石條件下掘進(jìn)的獨(dú)特功能。

當(dāng)時(shí)，通過機(jī)器本身的質(zhì)量抵消了TBM鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的扭矩，機(jī)器置在寬軌上，支架位于機(jī)器的右側(cè)。在奧阿希壩最早的TBM機(jī)沒有抓爪，因此在掘進(jìn)過程中機(jī)器的后腳往往會(huì)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(dòng)焊接在機(jī)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(gè)問題。1956年多倫多亨伯(Humber)河排污隧道項(xiàng)目，使用開敞式TBM在堅(jiān)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(jìn)方向，抓爪就會(huì)掙脫墻壁的束縛，機(jī)器便會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)。正因?yàn)槿绱?，在亨伯河排污隧道施工中，操作人員駕駛TBM時(shí)必須小心謹(jǐn)慎。

澳大利亞波蒂納隧道項(xiàng)目中，羅賓斯公司設(shè)計(jì)了一個(gè)具有連續(xù)轉(zhuǎn)向能力的TBM。隧洞在堅(jiān)硬的砂巖中掘進(jìn)，因此首次設(shè)計(jì)了鉸結(jié)式(浮動(dòng)式)抓爪系統(tǒng)。這一成功設(shè)計(jì)使TBM可連續(xù)轉(zhuǎn)向，即使是在抓爪抓緊隧洞壁向前掘進(jìn)時(shí)也能達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。其他的設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(diǎn)。

波蒂納 TBM于1961年3月開始掘進(jìn)，當(dāng)時(shí)TBM還被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)性的，鉆爆法是隧洞施工的主要手段。在雪山進(jìn)行鉆爆法隧洞施工中，掘進(jìn)速度的最高記錄是每周137 m，而波蒂納TBM的掘進(jìn)速度是這一數(shù)值的2倍，在一周6 d工作日內(nèi)TBM掘進(jìn)了229 m，一個(gè)臺(tái)班最佳掘進(jìn)18.2 m，證明TBM的掘進(jìn)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(jìn)速度設(shè)定得較高，并做到了這一點(diǎn)。因?yàn)楣居幸恢в蓹C(jī)械和結(jié)構(gòu)工程師組成的偉大團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目業(yè)主也相當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)。波蒂納的成功，為未來TBM在全球水電隧洞工程中的應(yīng)用鋪平了道路。

2 輸送機(jī)在巴基斯坦項(xiàng)目中的應(yīng)用

1963年，羅賓斯公司為曼格拉(Mangla)大壩項(xiàng)目建造了主梁直徑11.2 m的TBM，這是當(dāng)時(shí)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(yùn)到偏遠(yuǎn)的工地，需要對(duì)數(shù)百公里的橋梁進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，設(shè)備組件和零部件通過鐵路運(yùn)輸。

在這個(gè)項(xiàng)目中，TBM使用了古德曼煤礦輸送機(jī)而不是渣土車，這在TBM隧洞技術(shù)史上是首創(chuàng)。這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于煤礦和鉀礦的開采中。該項(xiàng)目中的5個(gè)TBM隧洞是直線型的，允許輸送機(jī)在所有5個(gè)站點(diǎn)重復(fù)使用，當(dāng)時(shí)輸送機(jī)的設(shè)計(jì)還沒有弧線型的。傳送帶安裝在隧洞內(nèi)一側(cè)，同時(shí)鐵軌仍然可以運(yùn)輸材料，接送工作人員進(jìn)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(yùn)行，相當(dāng)便捷。但可延長的輸送機(jī)并沒有在這個(gè)行業(yè)中推廣應(yīng)用，因?yàn)槌邪毯蜆I(yè)主認(rèn)為使用輸送機(jī)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(kuò)展輸送機(jī)排渣效率確實(shí)高時(shí)，連續(xù)輸送機(jī)才開始在TBM法隧洞施工中得到應(yīng)用。

3 TBM的功能更新

在整個(gè)20世紀(jì)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(shì)對(duì)TBM的推廣應(yīng)用起到了積極的作用，特別是直徑3～4.5 m的小型隧洞。當(dāng)時(shí)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(xiàng)目，檢驗(yàn)了TBM在堅(jiān)硬巖石中掘進(jìn)的極限，直徑4.3 m的羅賓斯主梁機(jī)，在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高達(dá)255 MPa的白崗巖和片麻巖中開挖出了壓力隧洞。

在堅(jiān)硬的巖石中掘進(jìn)，TBM仍比鉆爆法要快，但快的有限，對(duì)于承包商這是一個(gè)艱難的選擇。為了使掘進(jìn)速度更快，為格里姆瑟爾項(xiàng)目研發(fā)了直徑0.38 m的刀盤，這樣機(jī)器在極堅(jiān)硬巖石條件下掘進(jìn)的效率更高。在較堅(jiān)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(jī)器上使用刀盤的標(biāo)準(zhǔn)。

20世紀(jì)90年代初，挪威計(jì)劃在更堅(jiān)硬巖石中挖掘一系列水電隧洞，斯瓦提森(Svartisen)水電工程項(xiàng)目需要6臺(tái)羅賓斯主梁TBM，開鑿隧洞總長57 km，隧洞從典型的堅(jiān)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(qiáng)度100～300 MPa，這也是TBM有史以來曾經(jīng)遇到過的最堅(jiān)硬巖石。面對(duì)這樣困難的情況，羅賓斯公司開發(fā)了史上第一個(gè)直徑0.48 m的刀盤，額定載荷312 kN，使得TBM在硬巖中掘進(jìn)成為可能。在掘進(jìn)過程中，這些TBM將掘進(jìn)速度的世界記錄提高了4～5 m，一個(gè)最快臺(tái)班掘進(jìn)61.2 m，一天最長進(jìn)尺90.2 m，一周最深掘進(jìn)360.5 m。

與此同時(shí)，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(xiàng)目使得TBM技術(shù)獲得了突破性進(jìn)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(jìn)工期緊張，迪克提出一個(gè)理念，并與賽利公司(SELI)共同制作了1臺(tái)TBM，該機(jī)在掘進(jìn)時(shí)可以進(jìn)行管片安裝。這一理念提高了TBM的挖掘速度，因?yàn)榫蜻M(jìn)和襯砌不再是先后工序。羅賓斯的概念最終變成第1臺(tái)護(hù)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(jī)型得到了廣泛應(yīng)用。

4 TBM在水電項(xiàng)目中的應(yīng)用前景

水電的蓬勃發(fā)展激勵(lì)了TBM技術(shù)的創(chuàng)新，最典型的例子是加拿大的尼亞加拉隧洞項(xiàng)目。世界上直徑最大(14.4 m)的硬巖TBM，用來掘進(jìn)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(shè)計(jì)要求大型機(jī)器必須在施工現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)第一時(shí)間組裝(OFTA)技術(shù)，并應(yīng)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(chǎng)，而不是在制造工廠進(jìn)行。與工廠組裝、然后再拆卸運(yùn)到工地相比，可以節(jié)省時(shí)間多達(dá)5個(gè)月。同樣，不完全在工廠組裝，減少了勞動(dòng)工時(shí)成本和運(yùn)輸成本，像尼亞加拉這樣的大項(xiàng)目，節(jié)省的成本可高達(dá)4萬美元。對(duì)組件建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，關(guān)鍵子組件在運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)前仍在工廠組裝。尼亞加拉大機(jī)器組裝非常成功，只用了17周時(shí)間，從合同簽訂到機(jī)器開始掘進(jìn)不到12個(gè)月。

目前，水電項(xiàng)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(xiàng)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(dá)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(xiàng)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(shù)在為滿足峰值用電需求的抽水蓄能系統(tǒng)建設(shè)中拓展應(yīng)用的可能性。概念性的思路正處于設(shè)計(jì)階段，在不久的將來可能付諸實(shí)施。

水力發(fā)電的長遠(yuǎn)前景，讓羅賓斯公司看到了TBM技術(shù)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(jiān)硬。越來越多的工作將會(huì)分布在條件惡劣的地區(qū)，如高山峽谷的高地應(yīng)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(shè)隧洞，需要進(jìn)一步優(yōu)化的解決方案，將巖石力學(xué)與連續(xù)柔性地面支撐結(jié)合起來。