鲮鲤造河穿秦岭——陕西省引汉济渭工程TBM掘进纪事 京华网 2016-07-23 12:11:56 刘伯温所著《郁离子商陵君豢龙》曾记：“有献鲮鲤于商陵君者，以为龙焉。”“鲮鲤为龙”便出自于此。明末士子屈大均亦撰文：“鲮鲤，似鲤有四足，能陆能水，坚利如铁，绝有气力，穿山而行。” 作者：郝顺江 王乐
2014年6月，岭北TBM进行组装调试 穿山甲，古时谓之鲮鲤。引文虽辞藻寥寥，却入木三分。鲮鲤无论特性还是掘进原理均与今日引汉济渭工程输水隧洞开挖所用之TBM设备有颇多相似，先贤神来之笔，不免令今人唏嘘。 TBM，中文译作“全断面硬岩隧道掘进机”。据史料记载，1806年，法国人马克布鲁诺尔乘舟远行，旅途聊赖，童心未泯，观甲板一侧，有蛀虫自其出，受此所示，布鲁诺尔遂得其法。此为西法掘进术之发端。然而据专家考证，布鲁诺尔这一起源说，只是停留在想法和专利层面，世界上真正意义上的TBM机器是1846年由比利时工程师亨利毛瑟发明的。这台机器庞大而复杂，体积超过一节火车头，俨然就是凸轮、拉杆、活塞和弹簧的丛林。不论实用与否，它确实是工程技术人员思考的产物，但遗憾的是，毛瑟的机器并没有经过实践检验，不过它还是被公认为TBM鼻祖。 5年之后，美国人查理士威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进，但是未获成功。直到1881年，波蒙特开发出压缩空气式TBM，终于成功用于英吉利海峡隧道直径2.1米的勘探导坑。1952年，美国罗宾斯公司研制出现代意义上第一台软岩TBM，1956年又成功研制出中硬岩TBM。从此，TBM进入快速发展时期。 陕西省引汉济渭公司工程技术部副部长刘国平向笔者介绍，正在实施的引汉济渭工程，考察引进了两套TBM设备，这也是陕西水利工程的首次引进，用以完成秦岭输水隧洞中最为艰巨的高埋深、高地应力、高硬度、高涌水量、超长距离排气送风的“四高一长”世界难题隧洞段掘进任务。 似鲤四足 能陆能水安之若素 TBM外形流线确与鲮鲤有些许相像，头部镶嵌着几十把盘形滚刀的旋转刀盘，看起来很像鲮鲤的利齿。更为巧合的是，TBM也有“四足”，引汉济渭工程所用的两台TBM设备两侧都各有一组液压撑靴，下方还有两组后支撑，他们犹如TBM的四只脚，或支撑着自重，或为掘进提供反推力。 2016年仲夏，笔者随同引汉济渭工程秦岭输水隧洞岭南三号支洞TBM项目部土木副总工文斌来到输水隧洞开挖现场，近距离感受这台凝聚人类智慧精华的庞然大物。此前也进过许多施工隧洞，但这次的感受却非同寻常。洞内湿度之大、温度之高难以想象。随同进洞的摄影师有这样一番描述，眼镜片全是雾气，刚刚擦拭干净，却发现相机的取景器也是雾气腾腾。等把取景器擦干净，眼镜片上又蒙上了一层水雾。无奈只好大致估焦凭经验盲拍，但还是一片混沌，原来镜头前装着的UV镜竟然也如同降霜一般一片白茫。手中的5DmarkIII相机突然死机，相机肩屏不时出现“无法连接电池信息”的字样。防水和密封设计绝佳的5DmarkIII频频罢工足可见施工环境的恶劣。 在掘进现场，文斌大着嗓门近乎喊话般告诉笔者，这台TBM掘进设备的绝缘防水等级达到防护安全最高级别，即IP67，这是目前工业电气及布线行业的最高防护级别。掘进过程中，掌子面湿度超过80%并不时伴随小体量涌水。即使如此，TBM还是完成了以往各种掘进设备从未完成过的任务。据文斌介绍，对TBM掘进的影响关键在于出渣，只要水量未导致皮带传送机瘫痪，TBM就仍可工作。若是大体量的常规涌水导致停工，TBM则可通过抢装水泵、堆砌挡水墙、架设输水管道等突击应急抽排手段来控制涌水，保证TBM继续掘进。 引汉济渭秦岭输水隧洞岭北五号支洞，是另一条运用TBM掘进法施工的隧洞。相较于岭南三号支洞，洞内的积水更深，进洞的小型机车几乎是在水中涌浪行进。到达TBM机器工作面时，只能踩着铺设在槽钢架台上的铁轨登上机器扶梯。这里水深已经及腰。 “涌水其实不算真正的困难，哪个隧洞不出现涌水？”即便如此，中铁十八局隧道公司引汉济渭项目部总工王建伟却信心满满。王建伟称，他们引进的德国海瑞克掘进机上有两台110千瓦的主泵，还有十几台辅助水泵枕戈以待，驱动机器最前端刀盘旋转工作的电机防水性能优异，可以泡在水中作业。除此，项目部对于涌水灾害的应急预案十分完备。就此工程来说，日涌水量只要控制在24000立方米以内，就不影响TBM掘进施工。 除了兵来将挡水来土掩的“工作态度”，TBM还具备未雨绸缪防患于未然的能力：TBM在设计之初，就配置了大量的辅助装备，支持着能陆能水的性能参数和表现。譬如说超前钻机，在特定条件下，可超前预报有水或不良地质。除此，防爆性能也是考量一台TBM性能的重要参数。掘进时穿越煤层、煤线或者炭积岩，裂隙里如果有瓦斯气体渗出，聚集到一定程度若与电机产生的火花相遇，则后果不堪设想。因此，TBM的电路设计和一般的民用电器标准完全不同，电机上所有线缆的接头都采用防爆设置。 坚利如铁 奋强突固竭力为之 TBM对设备的可靠性和寿命要求极高，被称为工程机械的“航空母舰”和“掘进机之王”。TBM适用于山岭隧道硬岩掘进，以代替传统的钻爆法。在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的4～10倍。 秦岭输水隧洞可以说是引汉济渭工程中比较难啃的“硬骨头”。其全长98.3公里的超长隧洞、2012米的最大埋深导致布设支洞困难；高指标的地应力引发坚硬岩石随时性产生岩爆；预测最高地温40℃，但当TBM开始工作时，设备可作业部分最高温度瞬间就达到65℃；大体量的隧洞涌水也极大加剧了施工的难度。除此，通风、出渣等一系列技术难题，如同一个个“拦路虎”横陈在眼前，综合难度堪称世界级。 在这里被提到最频繁的词是“硬岩”。在TBM掘进段中，穿越岩石以石英岩和花岗岩为主，其强度极大，好似钢板一块。如此之硬度，对刀具刀盘的磨损，可想而知。 文斌告诉笔者，在掘进过程中，TBM刀具磨损量巨大，每日最多更换刀具数量达到20多把，而10到15把的换刀量已成为常态。一把刀具的成本根据类型不同就高达3万至6万元。 换刀频率的增加不仅带来成本的压力，也给项目工期带来巨大压力。三号支洞TBM操作主司机程广涛描述，他所经历过的同类项目——辽西引水工程中也同样采用了TBM设备用来掘进，掘进过程中，一年更换的刀具数量仅为135把，而三号支洞一个星期的刀具更换数量就高达123把。单只刀具重达400余斤，换一把正常磨损的刀具需要40分钟，如遇刀具出故障，更换一把的时间甚至长达两小时。每天都有4名刀具工进行不停歇不间断的更换。雪上加霜的是，岩爆区段超过TBM施工段的95%，致使TBM掘进过程中掌子面频频崩塌落石，当重达数吨的落石横亘在TBM前面时，只能安排掘进班工人钻入刀盘内，对孤石进行钻孔爆破，然后分批将碎石运出洞外；高温换刀早已让工人们疲惫不堪，此时又常常出现连续换刀的情况。往往第一把刀刚装上没几分钟，还没有开始掘进，瞬间又有梦魇般的岩爆、落石砸坏刀具，不得不再次停机整修换刀。 重重困难，直接导致TBM的表现不尽如人意。TBM三号支洞项目经理赵毅介绍，其掘进段总长度达到17.51公里。目前，TBM每天的利用率虽高达45%，但3小时最高进尺只有1.8米。虽然慢了点，但在这样的施工条件下，已经是十分傲人的成绩。罗宾斯公司在硬岩掘进技术方面领先世界，是世界工业最先进水平的代表。岭南这台产自美国罗宾斯公司的TBM主要适用于硬岩，再没有比这个更先进的设备。倘若采用钻爆法施工、倘若采用其他公司的设备，那么秦岭输水隧洞岭南段将成为引汉济渭工程的一条天堑，整个工程几近是不可能完成的。 圣人语：“吾闻宥坐之器者，虚则欹，中则正，满则覆。”这句话向我们讲述了中庸的道理。可现实中，尤其是在工程建设领域，困难和现状却往往不“遵循”中庸的道理，困难都来的很极端。相对于岭南隧洞开挖的“硬”，岭北隧洞开挖最大的困难来自于“软”。中铁十八局隧道公司引汉济渭项目部总工王建伟告诉笔者，其实TBM这类工程机械设备都是量身定制的，它对施工条件有着极为严格的要求，掘进条件最为合适的围岩硬度应在60至100兆帕。世界上还没有能够做到软硬“通吃”的TBM设备。抛开成本控制因素，这就是为什么三号支洞选择美国罗宾斯公司设备而他们岭北五号支洞选择德国海瑞克设备的原因。 “家家都有难念的经！”王建伟苦笑道，围岩硬有围岩硬的哀伤，围岩软有围岩软的忧愁。他们的五号支洞，有1380米的三类围岩，这些围岩主要由千枚岩、变砂岩、碎裂岩、断层泥砾构成。倘若不是学土木工程或地质类专业，对这些岩石名称或许并无所闻。在岭北五号支洞内，笔者在皮带传送机上随手抓起一把石渣，竟是些炭渣状的碎小颗粒，松散而糟杂。这与岭南三号支洞那一片片规整坚实的反光晶体——石英岩的确大不相同。在王建伟办公室里，我们看到的一段视频也许能更直观的反映围岩状况。那是5月31日的一段记录：五号支洞在掘进过程中，掌子面出现大面积塌方，石渣如流沙一般，从一处细小孔洞涌出，瞬间这一细小孔洞就被扩大数倍，此前如同沙漏计时一般的流沙此时则变成了一场沙暴，混杂着裂隙涌水，最终像泥石流一般奔涌。“太可怕了，简直一塌糊涂。”王建伟告诉笔者，如此软的围岩，幸好采用TBM掘进，若采取人工钻爆，坍塌部分没有实体支撑，那对于他的工友们则是一场灭顶之灾。最要命的是，这种软岩塌方几乎不成体系不成结构，此前掘进时就有细小石渣甚至从刀盘与隧洞间隙流出，因此，他们对一个孔洞变成不规则的塌方面习以为常。笔者此前在掌子面查看，印证了王建伟所说。塌方部位下落的砂石像刹车盘一样，几近将TBM刀盘抱死，不留任何缝隙。掌子面上，重新开挖的用以抢救TBM设备的辅洞尽头，岩石裂缝满满，没有喷浆的岩体上，竟被细小涌水冲出一道道深浅不一的沟壑。 绝有气力 穿山而行无以代之 TBM设备就像一只猛兽一样，只有好的牙齿而没有力气是不行的。三号支洞的这台TBM设备，在动力方面，液压推进最大力量达到340bar(压强单位：巴尔、巴)，换算这个数据，相当于350公斤的压力作用于一平方厘米。不仅推进压力大，这台机器的平均扭矩为1000千牛米，也是十分惊人的。通俗点说，大概相当于近七千辆轿车产生的扭矩。能够产生如此大的能量，其耗电量之大可想而知。岭南这台TBM仅一个月的平均用电量可满足五万多户城市家庭一个月的用电需求。 兴陕之要，其枢在水。从古至今，秦人治水之脚步从未停歇。对自然的改造和利用，使得这片土地充满生机。引汉济渭工程作为陕西省的“南水北调”工程，其综合难度堪称世界第一，不由让人感叹引汉济渭建设者实施水资源战略的浩然气概与聪明才智。 面对施工过程中的种种困难，中铁十八局引汉济渭岭北TBM项目部始终勇于破难，敢于担当。当前，围岩偏软破碎便是超越涌水灾害的最大难题。为了防止塌方，他们采取加大拱架密度的方案，围岩硬度高的隧洞每隔1.8米安设一具，而他们每隔90厘米就要用拱架加固。虽然TBM机器上带有锚杆和喷锚两套独立支护设施，但无穷无尽的软体围岩一旦出现塌方，一切高科技装备都显得如此无助，只得靠人工作业辅助才能完成施工。 “我和我的很多同事都曾是一名军人，面对困难我们从不抱怨，不叫苦不叫累，要有担当精神，勇于承担责任，有困难必须自己克服！”铁道兵出身的中铁十八局隧道公司引汉济渭项目工区书记崔宗伟一口河南方言，朴实而又坚定。 引汉济渭这项工程需要凿通巍巍秦岭，把滔滔汉江水引入水资源严重短缺的渭河中来，从而实现前人梦寐以求的长江水系与黄河水系之联通。其秦岭输水隧洞便是这一巨作的纽带。在数亿万年的秦岭底部开凿两千多米埋深的隧洞，造一条长河，就像是打开一个从未开放过的史前世界，其高古而静谧，幽远而神秘。 陕西省引汉济渭工程公司副总经理董鹏向笔者介绍，引汉济渭工程这条近100公里的隧洞，要打穿它需要中国乃至世界最先进的技术。中国人第一次从底部洞穿了世界十大主要山脉之一的秦岭，这是人类的首次尝试。输水工程不像是修建铁路和公路那样可以翻山越岭，水向低处流的自然规律要求输水线路必须是从高向低，严格的按坡比定向流淌。引汉水入关中，秦岭是引汉济渭工程最大的屏障。引汉济渭工程所选洞线尽管是在特定高程上穿越秦岭的最短走线，但其长度依然位列我国在建和拟建隧道工程的前茅。特别是穿越秦岭岭脊段的最大埋深达到2012米，比现已建成的西康铁路隧道埋深增加约500米。两端对打的主洞最长施工段达到41公里，且施工斜支洞建设条件复杂，倾斜度最大的四号斜井支洞单向长度就达5.8公里，这些指标在国内已有工程中是首屈一指的。这样的长度和埋深带来的是一系列施工技术难题和建设管理的高难度。其整体工程无论是建设规模、施工条件还是技术难度，都将被国际工程界所瞩目。当传统的钻爆施工法已不能满足施工要求时，只能引进目前世界隧洞施工最先进的装备来打通秦岭天然屏障。TBM是目前国际、国内最具优势的岩石隧洞施工设备，具有快速、安全、优质、高效、有利于环境保护和劳动力保护等优点，可保证工程顺利实施，创造价值。 引汉济渭秦岭输水隧洞主要采用的TBM施工法，无疑也要迎接许多创纪录的挑战。但建设者们从不畏惧挑战，全体引汉济渭人将迎难而上，共同见证和创造这一工程史上的奇迹。 “不畏将来不念过往，士不可以不弘毅，任重而道远！”采访结束时董鹏如是说。 链接： TBM在我国的发展和在水利工程上的应用 20世纪60年代中期,我国成立了攻关小组，研究并发展掘进机技术，这期间国内共研制了50多台TBM。但种种原因，致使国产掘进机的可靠性与技术性能与国外掘进机有相当大的差距，掘进机的应用未能在国内得到推广。80年代中期，我国的引水工程、铁路隧道工程开始引进国外TBM。国外TBM承包商将TBM施工技术也引入了中国，推动了我国TBM技术的应用和发展。2014年12月27日，拥有自主知识产权的国产首台大直径全断面硬岩隧道掘进机(敞开式TBM)，在湖南长沙中国铁建重工集团总装车间顺利下线。它的成功研制打破了国外的长期垄断，填补了我国大直径全断面硬岩隧道掘进机的空白。 在应用领域，1985年，我国从美国引进了罗宾斯公司的两台二手TBM设备，用于广西天生桥水电站引水隧道建设，这是我国第一条采用TBM施工的隧洞。1991年，甘肃省引大(大通河)入秦(秦王川)工程，当属TBM在我国的成功应用典范,充分发挥出高效益、高质量、高速度的特点。1997年，西康铁路秦岭隧道工程由铁道部从德国威尔特公司引进两台直径8.8米开敞式TBM自主施工，隧道全长18.46公里，岩石为坚硬的混合花岗岩和混合片麻岩，抗压强度为105-325Mpa，属于国际上TBM工程中十分罕见的极硬岩石条件，在此条件下仍创造了最高月进尺531米的纪录。2003年辽宁大伙房水库输水隧洞长85.3公里，其中60.3公里采用TBM施工，是当年亚洲最长的输水隧洞。2008年锦屏二级水电站引水隧道采用三台TBM施工。三台TBM累计掘进18公里左右，创造了12.4米大直径TBM最高月进尺683米的世界纪录。2013年西藏旁多水利枢纽灌溉输水洞是国内TBM首次在高原高海拔地区长隧洞施工中的应用。今年3月，兰州水源地工程项目应用TBM开工掘进。陕西省引汉济渭工程以8.16米开挖直径和41公里掘进长度及2012米高埋深的综合指标，拔得国内应用TBM施工难度的头筹。 |
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