TBM的發展歷程

［美國］ D.威利斯

在TBM漫長的發展歷程中，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。一個反旋轉刀盤挖掘掌子面周邊，同時中央刀盤穩住掌子面，掘進采用了破碎地層開挖技術。內、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，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，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定支撐這一問題還沒有得到解決，即當機器出現故障時，掌子面前方的地面往往發生塌陷。

盡管面臨這些挑戰，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的發展面臨困境。然而，1960年6月，大湖規模龐大的水力發電規劃使得TBM的發展出現了轉機。

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，通過機器本身的質量抵消了TBM鉆進過程中產生的扭矩，機器置在寬軌上，支架位于機器的右側。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在堅硬的結晶灰巖中挖掘，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，機器便會出現旋轉的危險。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轉向能力的TBM。隧洞在堅硬的砂巖中掘進，因此首次設計了鉸結式(浮動式)抓爪系統。這一成功設計使TBM可連續轉向，即使是在抓爪抓緊隧洞壁向前掘進時也能達到轉向的目的。其他的設計改進，如永久密封大直徑軸承的開發，提高了軸承使用壽命，還具有不漏油、排污效果好等優點。

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值的2倍，在一周6 d工作日內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，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構工程師組成的偉大團隊，項目業主也相當有經驗。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，供農業灌溉和水力發電之用。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。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一側，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。

傳送帶能夠連續運行，相當便捷。但可延長的輸送機并沒有在這個行業中推廣應用，因為承包商和業主認為使用輸送機增加的投資太多，據記載，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，水電開發在歐洲蓬勃發展，這一發展趨勢對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)調水和水力發電項目使得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

水電的蓬勃發展激勵了TBM技術的創新，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場快速完成組裝，為此創新了裝配方法。

2006年，羅賓斯公司研發了現場第一時間組裝(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，節省的成本可高達4萬美元。對組件建立嚴格的質量控制措施，關鍵子組件在運往現場前仍在工廠組裝。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越性。在歐洲，大部分水電開發業已完成。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。

羅賓斯公司現任總裁霍姆指出，世界很多欠發達國家擁有山川和充足的水資源，缺乏或將缺乏能源，水電是獲得這種能源的高效方式。因此，期望在未來10 a將項目規模增加1倍，就像過去10 a所做的那樣。霍姆也看到了TBM技術在為滿足峰值用電需求的抽水蓄能系統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。

水力發電的長遠前景，讓羅賓斯公司看到了TBM技術更多的發展空間——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，如高山峽谷的高地應力地區和喜馬拉雅山地區(擬建深埋長隧洞)。但要在這些地區建設隧洞，需要進一步優化的解決方案，將巖石力學與連續柔性地面支撐結合起來。