劉伯溫所著《郁離子商陵君豢龍》曾記：“有獻鯪鯉于商陵君者，以為龍焉。”“鯪鯉為龍”便出自于此。明末士子屈大均亦撰文：“鯪鯉，似鯉有四足，能陸能水，堅利如鐵，絕有氣力，穿山而行。”
作者：郝順江 王樂
2014年6月，嶺北TBM進行組裝調試
穿山甲，古時謂之鯪鯉。引文雖辭藻寥寥，卻入木三分。鯪鯉無論特性還是掘進原理均與今日引漢濟渭工程輸水隧洞開挖所用之TBM設備有頗多相似，先賢神來之筆，不免令今人唏噓。
TBM，中文譯作“全斷面硬巖隧道掘進機”。據史料記載，1806年，法國人馬克布魯諾爾乘舟遠行，旅途聊賴，童心未泯，觀甲板一側，有蛀蟲自其出，受此所示，布魯諾爾遂得其法。此為西法掘進術之發端。然而據專家考證，布魯諾爾這一起源說，只是停留在想法和專利層面，世界上真正意義上的TBM機器是1846年由比利時工程師亨利毛瑟發明的。這臺機器龐大而復雜，體積超過一節火車頭，儼然就是凸輪、拉桿、活塞和彈簧的叢林。不論實用與否，它確實是工程技術人員思考的產物，但遺憾的是，毛瑟的機器并沒有經過實踐檢驗，不過它還是被公認為TBM鼻祖。
5年之后，美國人查理士威爾遜研制出TBM試用于花崗巖掘進，但是未獲成功。直到1881年，波蒙特開發出壓縮空氣式TBM，終于成功用于英吉利海峽隧道直徑2.1米的勘探導坑。1952年，美國羅賓斯公司研制出現代意義上第一臺軟巖TBM，1956年又成功研制出中硬巖TBM。從此，TBM進入快速發展時期。
陜西省引漢濟渭公司工程技術部副部長劉國平向筆者介紹，正在實施的引漢濟渭工程，考察引進了兩套TBM設備，這也是陜西水利工程的首次引進，用以完成秦嶺輸水隧洞中最為艱巨的高埋深、高地應力、高硬度、高涌水量、超長距離排氣送風的“四高一長”世界難題隧洞段掘進任務。
似鯉四足 能陸能水安之若素
TBM外形流線確與鯪鯉有些許相像，頭部鑲嵌著幾十把盤形滾刀的旋轉刀盤，看起來很像鯪鯉的利齒。更為巧合的是，TBM也有“四足”，引漢濟渭工程所用的兩臺TBM設備兩側都各有一組液壓撐靴，下方還有兩組后支撐，他們猶如TBM的四只腳，或支撐著自重，或為掘進提供反推力。
2016年仲夏，筆者隨同引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞嶺南三號支洞TBM項目部土木副總工文斌來到輸水隧洞開挖現場，近距離感受這臺凝聚人類智慧精華的龐然大物。此前也進過許多施工隧洞，但這次的感受卻非同尋常。洞內濕度之大、溫度之高難以想象。隨同進洞的攝影師有這樣一番描述，眼鏡片全是霧氣，剛剛擦拭干凈，卻發現相機的取景器也是霧氣騰騰。等把取景器擦干凈，眼鏡片上又蒙上了一層水霧。無奈只好大致估焦憑經驗盲拍，但還是一片混沌，原來鏡頭前裝著的UV鏡竟然也如同降霜一般一片白茫。手中的5DmarkIII相機突然死機，相機肩屏不時出現“無法連接電池信息”的字樣。防水和密封設計絕佳的5DmarkIII頻頻罷工足可見施工環境的惡劣。
在掘進現場，文斌大著嗓門近乎喊話般告訴筆者，這臺TBM掘進設備的絕緣防水等級達到防護安全最高級別，即IP67，這是目前工業電氣及布線行業的最高防護級別。掘進過程中，掌子面濕度超過80%并不時伴隨小體量涌水。即使如此，TBM還是完成了以往各種掘進設備從未完成過的任務。據文斌介紹，對TBM掘進的影響關鍵在于出渣，只要水量未導致皮帶傳送機癱瘓，TBM就仍可工作。若是大體量的常規涌水導致停工，TBM則可通過搶裝水泵、堆砌擋水墻、架設輸水管道等突擊應急抽排手段來控制涌水，保證TBM繼續掘進。
引漢濟渭秦嶺輸水隧洞嶺北五號支洞，是另一條運用TBM掘進法施工的隧洞。相較于嶺南三號支洞，洞內的積水更深，進洞的小型機車幾乎是在水中涌浪行進。到達TBM機器工作面時，只能踩著鋪設在槽鋼架臺上的鐵軌登上機器扶梯。這里水深已經及腰。
“涌水其實不算真正的困難，哪個隧洞不出現涌水？”即便如此，中鐵十八局隧道公司引漢濟渭項目部總工王建偉卻信心滿滿。王建偉稱，他們引進的德國海瑞克掘進機上有兩臺110千瓦的主泵，還有十幾臺輔助水泵枕戈以待，驅動機器最前端刀盤旋轉工作的電機防水性能優異，可以泡在水中作業。除此，項目部對于涌水災害的應急預案十分完備。就此工程來說，日涌水量只要控制在24000立方米以內，就不影響TBM掘進施工。
除了兵來將擋水來土掩的“工作態度”，TBM還具備未雨綢繆防患于未然的能力：TBM在設計之初，就配置了大量的輔助裝備，支持著能陸能水的性能參數和表現。譬如說超前鉆機，在特定條件下，可超前預報有水或不良地質。除此，防爆性能也是考量一臺TBM性能的重要參數。掘進時穿越煤層、煤線或者炭積巖，裂隙里如果有瓦斯氣體滲出，聚集到一定程度若與電機產生的火花相遇，則后果不堪設想。因此，TBM的電路設計和一般的民用電器標準完全不同，電機上所有線纜的接頭都采用防爆設置。
堅利如鐵 奮強突固竭力為之
TBM對設備的可靠性和壽命要求極高，被稱為工程機械的“航空母艦”和“掘進機之王”。TBM適用于山嶺隧道硬巖掘進，以代替傳統的鉆爆法。在相同的條件下，其掘進速度約為常規鉆爆法的4～10倍。
秦嶺輸水隧洞可以說是引漢濟渭工程中比較難啃的“硬骨頭”。其全長98.3公里的超長隧洞、2012米的最大埋深導致布設支洞困難；高指標的地應力引發堅硬巖石隨時性產生巖爆；預測最高地溫40℃，但當TBM開始工作時，設備可作業部分最高溫度瞬間就達到65℃；大體量的隧洞涌水也極大加劇了施工的難度。除此，通風、出渣等一系列技術難題，如同一個個“攔路虎”橫陳在眼前，綜合難度堪稱世界級。
在這里被提到最頻繁的詞是“硬巖”。在TBM掘進段中，穿越巖石以石英巖和花崗巖為主，其強度極大，好似鋼板一塊。如此之硬度，對刀具刀盤的磨損，可想而知。
文斌告訴筆者，在掘進過程中，TBM刀具磨損量巨大，每日最多更換刀具數量達到20多把，而10到15把的換刀量已成為常態。一把刀具的成本根據類型不同就高達3萬至6萬元。
換刀頻率的增加不僅帶來成本的壓力，也給項目工期帶來巨大壓力。三號支洞TBM操作主司機程廣濤描述，他所經歷過的同類項目——遼西引水工程中也同樣采用了TBM設備用來掘進，掘進過程中，一年更換的刀具數量僅為135把，而三號支洞一個星期的刀具更換數量就高達123把。單只刀具重達400余斤，換一把正常磨損的刀具需要40分鐘，如遇刀具出故障，更換一把的時間甚至長達兩小時。每天都有4名刀具工進行不停歇不間斷的更換。雪上加霜的是，巖爆區段超過TBM施工段的95%，致使TBM掘進過程中掌子面頻頻崩塌落石，當重達數噸的落石橫亙在TBM前面時，只能安排掘進班工人鉆入刀盤內，對孤石進行鉆孔爆破，然后分批將碎石運出洞外；高溫換刀早已讓工人們疲憊不堪，此時又常常出現連續換刀的情況。往往第一把刀剛裝上沒幾分鐘，還沒有開始掘進，瞬間又有夢魘般的巖爆、落石砸壞刀具，不得不再次停機整修換刀。
重重困難，直接導致TBM的表現不盡如人意。TBM三號支洞項目經理趙毅介紹，其掘進段總長度達到17.51公里。目前，TBM每天的利用率雖高達45%，但3小時最高進尺只有1.8米。雖然慢了點，但在這樣的施工條件下，已經是十分傲人的成績。羅賓斯公司在硬巖掘進技術方面領先世界，是世界工業最先進水平的代表。嶺南這臺產自美國羅賓斯公司的TBM主要適用于硬巖，再沒有比這個更先進的設備。倘若采用鉆爆法施工、倘若采用其他公司的設備，那么秦嶺輸水隧洞嶺南段將成為引漢濟渭工程的一條天塹，整個工程幾近是不可能完成的。
圣人語：“吾聞宥坐之器者，虛則欹，中則正，滿則覆。”這句話向我們講述了中庸的道理。可現實中，尤其是在工程建設領域，困難和現狀卻往往不“遵循”中庸的道理，困難都來的很極端。相對于嶺南隧洞開挖的“硬”，嶺北隧洞開挖最大的困難來自于“軟”。中鐵十八局隧道公司引漢濟渭項目部總工王建偉告訴筆者，其實TBM這類工程機械設備都是量身定制的，它對施工條件有著極為嚴格的要求，掘進條件最為合適的圍巖硬度應在60至100兆帕。世界上還沒有能夠做到軟硬“通吃”的TBM設備。拋開成本控制因素，這就是為什么三號支洞選擇美國羅賓斯公司設備而他們嶺北五號支洞選擇德國海瑞克設備的原因。
“家家都有難念的經！”王建偉苦笑道，圍巖硬有圍巖硬的哀傷，圍巖軟有圍巖軟的憂愁。他們的五號支洞，有1380米的三類圍巖，這些圍巖主要由千枚巖、變砂巖、碎裂巖、斷層泥礫構成。倘若不是學土木工程或地質類專業，對這些巖石名稱或許并無所聞。在嶺北五號支洞內，筆者在皮帶傳送機上隨手抓起一把石渣，竟是些炭渣狀的碎小顆粒，松散而糟雜。這與嶺南三號支洞那一片片規整堅實的反光晶體——石英巖的確大不相同。在王建偉辦公室里，我們看到的一段視頻也許能更直觀的反映圍巖狀況。那是5月31日的一段記錄：五號支洞在掘進過程中，掌子面出現大面積塌方，石渣如流沙一般，從一處細小孔洞涌出，瞬間這一細小孔洞就被擴大數倍，此前如同沙漏計時一般的流沙此時則變成了一場沙暴，混雜著裂隙涌水，最終像泥石流一般奔涌。“太可怕了，簡直一塌糊涂。”王建偉告訴筆者，如此軟的圍巖，幸好采用TBM掘進，若采取人工鉆爆，坍塌部分沒有實體支撐，那對于他的工友們則是一場滅頂之災。最要命的是，這種軟巖塌方幾乎不成體系不成結構，此前掘進時就有細小石渣甚至從刀盤與隧洞間隙流出，因此，他們對一個孔洞變成不規則的塌方面習以為常。筆者此前在掌子面查看，印證了王建偉所說。塌方部位下落的砂石像剎車盤一樣，幾近將TBM刀盤抱死，不留任何縫隙。掌子面上，重新開挖的用以搶救TBM設備的輔洞盡頭，巖石裂縫滿滿，沒有噴漿的巖體上，竟被細小涌水沖出一道道深淺不一的溝壑。
絕有氣力 穿山而行無以代之
TBM設備就像一只猛獸一樣，只有好的牙齒而沒有力氣是不行的。三號支洞的這臺TBM設備，在動力方面，液壓推進最大力量達到340bar(壓強單位：巴爾、巴)，換算這個數據，相當于350公斤的壓力作用于一平方厘米。不僅推進壓力大，這臺機器的平均扭矩為1000千牛米，也是十分驚人的。通俗點說，大概相當于近七千輛轎車產生的扭矩。能夠產生如此大的能量，其耗電量之大可想而知。嶺南這臺TBM僅一個月的平均用電量可滿足五萬多戶城市家庭一個月的用電需求。
興陜之要，其樞在水。從古至今，秦人治水之腳步從未停歇。對自然的改造和利用，使得這片土地充滿生機。引漢濟渭工程作為陜西省的“南水北調”工程，其綜合難度堪稱世界第一，不由讓人感嘆引漢濟渭建設者實施水資源戰略的浩然氣概與聰明才智。
面對施工過程中的種種困難，中鐵十八局引漢濟渭嶺北TBM項目部始終勇于破難，敢于擔當。當前，圍巖偏軟破碎便是超越涌水災害的最大難題。為了防止塌方，他們采取加大拱架密度的方案，圍巖硬度高的隧洞每隔1.8米安設一具，而他們每隔90厘米就要用拱架加固。雖然TBM機器上帶有錨桿和噴錨兩套獨立支護設施，但無窮無盡的軟體圍巖一旦出現塌方，一切高科技裝備都顯得如此無助，只得靠人工作業輔助才能完成施工。
“我和我的很多同事都曾是一名軍人，面對困難我們從不抱怨，不叫苦不叫累，要有擔當精神，勇于承擔責任，有困難必須自己克服！”鐵道兵出身的中鐵十八局隧道公司引漢濟渭項目工區書記崔宗偉一口河南方言，樸實而又堅定。
引漢濟渭這項工程需要鑿通巍巍秦嶺，把滔滔漢江水引入水資源嚴重短缺的渭河中來，從而實現前人夢寐以求的長江水系與黃河水系之聯通。其秦嶺輸水隧洞便是這一巨作的紐帶。在數億萬年的秦嶺底部開鑿兩千多米埋深的隧洞，造一條長河，就像是打開一個從未開放過的史前世界，其高古而靜謐，幽遠而神秘。
陜西省引漢濟渭工程公司副總經理董鵬向筆者介紹，引漢濟渭工程這條近100公里的隧洞，要打穿它需要中國乃至世界最先進的技術。中國人第一次從底部洞穿了世界十大主要山脈之一的秦嶺，這是人類的首次嘗試。輸水工程不像是修建鐵路和公路那樣可以翻山越嶺，水向低處流的自然規律要求輸水線路必須是從高向低，嚴格的按坡比定向流淌。引漢水入關中，秦嶺是引漢濟渭工程最大的屏障。引漢濟渭工程所選洞線盡管是在特定高程上穿越秦嶺的最短走線，但其長度依然位列我國在建和擬建隧道工程的前茅。特別是穿越秦嶺嶺脊段的最大埋深達到2012米，比現已建成的西康鐵路隧道埋深增加約500米。兩端對打的主洞最長施工段達到41公里，且施工斜支洞建設條件復雜，傾斜度最大的四號斜井支洞單向長度就達5.8公里，這些指標在國內已有工程中是首屈一指的。這樣的長度和埋深帶來的是一系列施工技術難題和建設管理的高難度。其整體工程無論是建設規模、施工條件還是技術難度，都將被國際工程界所矚目。當傳統的鉆爆施工法已不能滿足施工要求時，只能引進目前世界隧洞施工最先進的裝備來打通秦嶺天然屏障。TBM是目前國際、國內最具優勢的巖石隧洞施工設備，具有快速、安全、優質、高效、有利于環境保護和勞動力保護等優點，可保證工程順利實施，創造價值。
引漢濟渭秦嶺輸水隧洞主要采用的TBM施工法，無疑也要迎接許多創紀錄的挑戰。但建設者們從不畏懼挑戰，全體引漢濟渭人將迎難而上，共同見證和創造這一工程史上的奇跡。
“不畏將來不念過往，士不可以不弘毅，任重而道遠！”采訪結束時董鵬如是說。
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TBM在我國的發展和在水利工程上的應用
20世紀60年代中期,我國成立了攻關小組，研究并發展掘進機技術，這期間國內共研制了50多臺TBM。但種種原因，致使國產掘進機的可靠性與技術性能與國外掘進機有相當大的差距，掘進機的應用未能在國內得到推廣。80年代中期，我國的引水工程、鐵路隧道工程開始引進國外TBM。國外TBM承包商將TBM施工技術也引入了中國，推動了我國TBM技術的應用和發展。2014年12月27日，擁有自主知識產權的國產首臺大直徑全斷面硬巖隧道掘進機(敞開式TBM)，在湖南長沙中國鐵建重工集團總裝車間順利下線。它的成功研制打破了國外的長期壟斷，填補了我國大直徑全斷面硬巖隧道掘進機的空白。
在應用領域，1985年，我國從美國引進了羅賓斯公司的兩臺二手TBM設備，用于廣西天生橋水電站引水隧道建設，這是我國第一條采用TBM施工的隧洞。1991年，甘肅省引大(大通河)入秦(秦王川)工程，當屬TBM在我國的成功應用典范,充分發揮出高效益、高質量、高速度的特點。1997年，西康鐵路秦嶺隧道工程由鐵道部從德國威爾特公司引進兩臺直徑8.8米開敞式TBM自主施工，隧道全長18.46公里，巖石為堅硬的混合花崗巖和混合片麻巖，抗壓強度為105-325Mpa，屬于國際上TBM工程中十分罕見的極硬巖石條件，在此條件下仍創造了最高月進尺531米的紀錄。2003年遼寧大伙房水庫輸水隧洞長85.3公里，其中60.3公里采用TBM施工，是當年亞洲最長的輸水隧洞。2008年錦屏二級水電站引水隧道采用三臺TBM施工。三臺TBM累計掘進18公里左右，創造了12.4米大直徑TBM最高月進尺683米的世界紀錄。2013年西藏旁多水利樞紐灌溉輸水洞是國內TBM首次在高原高海拔地區長隧洞施工中的應用。今年3月，蘭州水源地工程項目應用TBM開工掘進。陜西省引漢濟渭工程以8.16米開挖直徑和41公里掘進長度及2012米高埋深的綜合指標，拔得國內應用TBM施工難度的頭籌。
