TBM的发展历程

［美国］ D.威利斯

在TBM漫长的发展历程中，尼亚加拉隧洞项目——日掘进记录保持者，超越了TBM技术的极限。

1952年生产的首台掘进机直径8 m，挖掘了美国南达科他州奥阿希(Oahe)大坝项目的一条导流隧洞。一个反旋转刀盘挖掘掌子面周边，同时中央刀盘稳住掌子面，掘进采用了破碎地层开挖技术。内、外刀盘上安装有碳化切削刀头和多排哑铃形钢片，通过刀盘旋转，在软页岩中掘进。

当时，很多人曾试图在岩石中掘进隧洞，但没有行之有效的机器，最后是詹姆斯通过解决刀具设计问题而使之成为可能。

奥阿希大坝首条隧洞和后续隧洞是作为导流隧洞挖掘的，大坝建成后用作引水隧洞和尾水隧洞，这些隧洞的开凿，开创了水电工程TBM隧洞掘进的漫长和多样化的历史进程。

1 TBM成为标准

尽管存在众多挑战，首台TBM的掘进速度仍然令人满意，随后为奥阿希坝址6条引水隧洞和7条导流隧洞制造了TBM。每台TBM建造后都经过精心改进，特别是对其中1台进行了翻新并将其再次用于加拿大萨斯喀彻温省加德纳(Gardner)坝引水隧洞。当时将TBM的直径从近9 m改进到7.8 m，这一改进非比寻常，为使得掘进效率更高，将扭矩增加了4～5倍。以前TBM在掘进过程中掌子面稳定支撑这一问题还没有得到解决，即当机器出现故障时，掌子面前方的地面往往发生塌陷。

尽管面临这些挑战，随着TBM效率和掘进速度的提高，其应用也越来越广泛。

1958年，詹姆斯儿子迪克接管了公司。在迪克的管理下，完成了第3台TBM掘进机的建造，这是奥阿希大坝最大、直径9 m的巨型TBM机。但在此后，订单稀少，TBM的发展面临困境。然而，1960年6月，大湖规模庞大的水力发电规划使得TBM的发展出现了转机。

罗宾斯公司获得了为波蒂纳(Poatina)隧洞提供直径4.9 m的 TBM合同，波蒂纳隧洞是条长6.9 km的引水隧洞，围岩为泥岩和砂岩，围岩的无侧限抗压强度达到118 MPa。TBM是在华盛顿西雅图的一家大商场建造的，6个月后完成组装，这台TBM具有适合在较硬岩石条件下掘进的独特功能。

当时，通过机器本身的质量抵消了TBM钻进过程中产生的扭矩，机器置在宽轨上，支架位于机器的右侧。在奥阿希坝最早的TBM机没有抓爪，因此在掘进过程中机器的后脚往往会抬起，并向右偏斜，有种不稳定的感觉。取代抓爪，改用液压千斤顶向前推动焊接在机器上的钢肋，该方法还意味着焊接钢肋无需考虑地下条件。

后来制造的更小直径的TBM使用固定式抓爪，但这使得操纵方向成为了一个问题。1956年多伦多亨伯(Humber)河排污隧道项目，使用开敞式TBM在坚硬的结晶灰岩中挖掘，使用了正式的刀盘和固定式抓爪。工作人员解释，抓爪一旦抓住岩石，TBM就必须往前直行。如果操作人员想要操纵TBM的掘进方向，抓爪就会挣脱墙壁的束缚，机器便会出现旋转的危险。正因为如此，在亨伯河排污隧道施工中，操作人员驾驶TBM时必须小心谨慎。

澳大利亚波蒂纳隧道项目中，罗宾斯公司设计了一个具有连续转向能力的TBM。隧洞在坚硬的砂岩中掘进，因此首次设计了铰结式(浮动式)抓爪系统。这一成功设计使TBM可连续转向，即使是在抓爪抓紧隧洞壁向前掘进时也能达到转向的目的。其他的设计改进，如永久密封大直径轴承的开发，提高了轴承使用寿命，还具有不漏油、排污效果好等优点。

波蒂纳 TBM于1961年3月开始掘进，当时TBM还被认为是实验性的，钻爆法是隧洞施工的主要手段。在雪山进行钻爆法隧洞施工中，掘进速度的最高记录是每周137 m，而波蒂纳TBM的掘进速度是这一数值的2倍，在一周6 d工作日内TBM掘进了229 m，一个台班最佳掘进18.2 m，证明TBM的掘进速度比钻爆法快。

尽管有挑战，但罗宾斯公司仍在工作中将掘进速度设定得较高，并做到了这一点。因为公司有一支由机械和结构工程师组成的伟大团队，项目业主也相当有经验。波蒂纳的成功，为未来TBM在全球水电隧洞工程中的应用铺平了道路。

2 输送机在巴基斯坦项目中的应用

1963年，罗宾斯公司为曼格拉(Mangla)大坝项目建造了主梁直径11.2 m的TBM，这是当时世界上最大的TBM。西巴基斯坦隧洞长4.3 km，从杰拉姆(Jhelum)河引水，供农业灌溉和水力发电之用。要把TBM从港口城市卡拉奇运到偏远的工地，需要对数百公里的桥梁进行详细测量，设备组件和零部件通过铁路运输。

在这个项目中，TBM使用了古德曼煤矿输送机而不是渣土车，这在TBM隧洞技术史上是首创。这项技术被应用于煤矿和钾矿的开采中。该项目中的5个TBM隧洞是直线型的，允许输送机在所有5个站点重复使用，当时输送机的设计还没有弧线型的。传送带安装在隧洞内一侧，同时铁轨仍然可以运输材料，接送工作人员进出。用传送带盒保持传送带的张力，在传送带盒处可以加长传送带。

传送带能够连续运行，相当便捷。但可延长的输送机并没有在这个行业中推广应用，因为承包商和业主认为使用输送机增加的投资太多，据记载，早期的TBM法隧洞施工多用渣土车排渣。直到30 a后，再次证明扩展输送机排渣效率确实高时，连续输送机才开始在TBM法隧洞施工中得到应用。

3 TBM的功能更新

在整个20世纪60年代末到80年代中期，水电开发在欧洲蓬勃发展，这一发展趋势对TBM的推广应用起到了积极的作用，特别是直径3～4.5 m的小型隧洞。当时在挪威、瑞士、奥地利、意大利等地，有许多小口径高压隧洞用作压力水管和尾水渠。如1976年瑞士格里姆瑟尔(Grimsel)水电项目，检验了TBM在坚硬岩石中掘进的极限，直径4.3 m的罗宾斯主梁机，在无侧限抗压强度高达255 MPa的白岗岩和片麻岩中开挖出了压力隧洞。

在坚硬的岩石中掘进，TBM仍比钻爆法要快，但快的有限，对于承包商这是一个艰难的选择。为了使掘进速度更快，为格里姆瑟尔项目研发了直径0.38 m的刀盘，这样机器在极坚硬岩石条件下掘进的效率更高。在较坚硬岩石条件下，这种直径的刀盘最终被更大直径的0.43 m刀盘所取代，并且成为了较大直径机器上使用刀盘的标准。

20世纪90年代初，挪威计划在更坚硬岩石中挖掘一系列水电隧洞，斯瓦提森(Svartisen)水电工程项目需要6台罗宾斯主梁TBM，开凿隧洞总长57 km，隧洞从典型的坚硬岩石中通过，主要有片麻岩、石英岩、花岗岩和大理石，单轴抗压强度100～300 MPa，这也是TBM有史以来曾经遇到过的最坚硬岩石。面对这样困难的情况，罗宾斯公司开发了史上第一个直径0.48 m的刀盘，额定载荷312 kN，使得TBM在硬岩中掘进成为可能。在掘进过程中，这些TBM将掘进速度的世界记录提高了4～5 m，一个最快台班掘进61.2 m，一天最长进尺90.2 m，一周最深掘进360.5 m。

与此同时，随着水电在北欧的蓬勃发展，意大利承包商迅速成长为在裂隙性地层中挖掘地下洞室的专家。1972年，意大利卡拉布里亚(Calabria)调水和水力发电项目使得TBM技术获得了突破性进展。奥里切拉(Orichella)和蒂姆帕格兰德(Timpagrande)隧洞围岩为裂隙性花岗岩，掘进工期紧张，迪克提出一个理念，并与赛利公司(SELI)共同制作了1台TBM，该机在掘进时可以进行管片安装。这一理念提高了TBM的挖掘速度，因为掘进和衬砌不再是先后工序。罗宾斯的概念最终变成第1台护盾TBM。在世界各地众多裂隙性地层隧洞挖掘中，这一成功的TBM机型得到了广泛应用。

4 TBM在水电项目中的应用前景

水电的蓬勃发展激励了TBM技术的创新，最典型的例子是加拿大的尼亚加拉隧洞项目。世界上直径最大(14.4 m)的硬岩TBM，用来掘进尼亚加拉大瀑布下面的第3条引水隧洞。紧凑的施工组织设计要求大型机器必须在施工现场快速完成组装，为此创新了装配方法。

2006年，罗宾斯公司研发了现场第一时间组装(OFTA)技术，并应用在尼亚加拉TBM上，很好地解决了工期问题。OFTA允许TBM的初装在工地现场，而不是在制造工厂进行。与工厂组装、然后再拆卸运到工地相比，可以节省时间多达5个月。同样，不完全在工厂组装，减少了劳动工时成本和运输成本，像尼亚加拉这样的大项目，节省的成本可高达4万美元。对组件建立严格的质量控制措施，关键子组件在运往现场前仍在工厂组装。尼亚加拉大机器组装非常成功，只用了17周时间，从合同签订到机器开始掘进不到12个月。

目前，水电项目倾向于布置长距离引水隧洞和多用途大直径隧洞，使TBM法比钻爆法更具有优越性。在欧洲，大部分水电开发业已完成。而在中国、印度和东南亚等国，许多水源、大坝和水电项目正方兴未艾。

罗宾斯公司现任总裁霍姆指出，世界很多欠发达国家拥有山川和充足的水资源，缺乏或将缺乏能源，水电是获得这种能源的高效方式。因此，期望在未来10 a将项目规模增加1倍，就像过去10 a所做的那样。霍姆也看到了TBM技术在为满足峰值用电需求的抽水蓄能系统建设中拓展应用的可能性。概念性的思路正处于设计阶段，在不久的将来可能付诸实施。

水力发电的长远前景，让罗宾斯公司看到了TBM技术更多的发展空间——工作要求越来越多，隧洞越来越长，岩石越来越坚硬。越来越多的工作将会分布在条件恶劣的地区，如高山峡谷的高地应力地区和喜马拉雅山地区(拟建深埋长隧洞)。但要在这些地区建设隧洞，需要进一步优化的解决方案，将岩石力学与连续柔性地面支撑结合起来。