造大國重器 守治黃初心

文/李銀鴿 張行輝

（作者單位：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司）

2019年6月18日上午，在中國工程咨詢協(xié)會會長肖鳳桐及百余名國內(nèi)TBM工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的共同期待和見證下，由黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司（以下簡稱黃河設(shè)計院）牽頭，聯(lián)合中鐵工程裝備集團有限公司（以下簡稱中鐵裝備）等單位自主研發(fā)而成的國內(nèi)首臺高壓水力耦合破巖TBM“龍巖號”正式下線。

在“龍巖號”發(fā)布現(xiàn)場的試機實驗中，僅用3分鐘左右，高壓噴出的白色水柱就將一塊極硬的花崗巖切出了一道道縫隙，最深達到11毫米，為TBM面對超硬巖石時高效作業(yè)提供了條件。

水如何成了破巖路上的“硬核擔(dān)當”？企業(yè)如何成了攻關(guān)路上的“創(chuàng)新?lián)敗?？帶著這些疑問，我們帶您探訪黃河設(shè)計院尋找答案。

轉(zhuǎn)思路“以柔克剛” 解難題“雙刀齊發(fā)”

“龍巖號”之所以備受矚目，源于它是國內(nèi)首臺“水刀+滾刀”的“雙刀破巖”TBM，在解決超硬巖石“破巖難、效率低”等問題方面具有重大突破，是我國裝備制造領(lǐng)域的重大技術(shù)創(chuàng)新，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，是中國制造向中國創(chuàng)造邁出的堅實步伐。

傳統(tǒng)TBM是采用單純滾刀切割破巖模式，通過滾刀擠壓巖體、連續(xù)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)破巖，是一種“硬碰硬”的“壓—剪”“剪—拉”破壞。

“‘硬碰硬’的虧我們在以往的項目中吃得太多了。一旦遇到完整性較好的堅硬巖石，滾刀貫入巖石就變得極為困難，滾刀轉(zhuǎn)動數(shù)圈才能貫入巖石一毫米，掘進效率極低。而且刀具磨損嚴重，更換頻繁，還直接影響TBM的使用壽命?！秉S河設(shè)計院TBM項目技術(shù)秘書、蘭州水源地項目EPC項目部副總經(jīng)理楊風(fēng)威說。

蘭州水源地項目是蘭州市委、市政府從根本上解決蘭州用水安全問題的大型工程，于2015年8月開工，將劉家峽庫區(qū)的優(yōu)質(zhì)水源通過一條地下有壓輸水隧洞向蘭州輸送。輸水主隧洞最大埋深900米，最小埋深也在百米之上，平均達500米之深。承擔(dān)著24千米輸水主隧洞掘進任務(wù)的兩臺TBM是控制工期的關(guān)鍵工作面，也是該項目能否按既定工期目標完工的制約因素之一。

然而，TBM設(shè)備初一進場，開始試掘進期間，就被給了個“下馬威”。前期掘進以花崗巖為主，圍巖抗壓強度較大，對刀具磨損極為嚴重，僅僅2千米的掘進距離，就用掉了將近500把滾刀。效率之低、成本之高，令人痛惜。每把滾刀價值3萬元左右，有兩三百斤重，需要幾人合力才能順利更換。施工隧洞內(nèi)，因刀盤與巖石的摩擦生熱，溫度高達40攝氏度。施工人員光著膀子頻繁地在高溫中運送和安裝沉重的滾刀，勞動強度大，危險程度高。

在現(xiàn)場考察的黃河設(shè)計院董事長張金良看到這種情景后，他對現(xiàn)場的設(shè)計人員說：“讓工人干得這么辛苦，是我們設(shè)計人員的恥辱，一定要加快技術(shù)創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)化，盡快解決硬巖掘進中刀片磨損嚴重、掘進效率低下等問題?！?/p>

鑒于當前高壓水力切割技術(shù)的發(fā)展，“水滴石穿”變“水刀破巖”不再困難。2014年，張金良就提出了借助高壓水力輔助破巖的設(shè)想，并帶領(lǐng)團隊著手破巖機理的研究。高壓水力輔助破巖不再是“硬碰硬”，而是在遇到硬巖時，將高壓水刀作為“先頭部隊”在完整的巖石上切縫，制造臨空面，然后在滾刀作用下，使塑性區(qū)盡快形成，增加滾刀貫入度，實現(xiàn)快速巖體破碎，“以柔克剛”。同時，利用高壓水流劈裂濺射作用，實現(xiàn)水力劈裂和滾刀聯(lián)合破巖，解決超硬巖石“破巖難、效率低”等問題。這是對TBM傳統(tǒng)破巖理念革命性的創(chuàng)新，具有里程碑式的意義。2016年，高壓水力輔助破巖TBM刀盤獲得國家實用新型專利。

從設(shè)想到理論形成是一次質(zhì)的飛躍，從理論創(chuàng)新到實踐應(yīng)用更是一場重大考驗。

多大的水壓能切多深的縫隙？多深的縫隙最利于滾刀工作？以及如何選取合適的水力噴射壓力、噴射角度、噴嘴直徑等一系列的技術(shù)參數(shù)，這都必須經(jīng)過大量試驗才能有結(jié)論。數(shù)千次的試驗后，終于得出使?jié)L刀工作效率達到最優(yōu)的巖石縫隙深度。不過，這還不算結(jié)束?！八丁迸c滾刀如何耦合？滾刀作業(yè)于一條縫隙上，還是兩條縫隙之間？如何將水刀搭載到TBM上？噴嘴與滾刀的相對位置如何確定等一系列的問題仍需解決。

在得到福建省龍巖市萬安溪引水工程業(yè)主的支持后，黃河設(shè)計院和中鐵裝備聯(lián)合攻關(guān)，研究人員輾轉(zhuǎn)于南京、北京、鄭州三地，與南京大地水刀股份有限公司合作完成水刀破巖試驗，與北京工業(yè)大學(xué)共同深入進行水刀與滾刀耦合破巖試驗，經(jīng)過長期努力，最終促使高壓水力耦合破巖TBM“龍巖號”成功下線。

張金良告訴筆者：“目前來看‘龍巖號’達到了我們的預(yù)期效果，‘水刀+滾刀’的‘雙刀破巖’，滾刀法向力可降低30%～40%，不僅能降低刀具耗損，提高掘進速度，還能延長TBM使用壽命，降低項目建設(shè)成本，同時，高壓水力耦合破巖TBM的應(yīng)用將有效拓展TBM的使用范圍和發(fā)展空間?！?/p>

陜西涇河?xùn)|莊水利樞紐

高壓水力耦合破巖TBM“龍巖號”正式下線后，隨即運往龍巖市萬安溪引水工程現(xiàn)場，進行現(xiàn)場組裝、調(diào)試和試掘進工作，開始服務(wù)于國家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，為實現(xiàn)國家經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展和打造中國品牌貢獻力量。

求創(chuàng)新“問題導(dǎo)向” 見成果“整體革新”

“設(shè)計院的技術(shù)創(chuàng)新遵循著‘問題導(dǎo)向、需求引領(lǐng)、應(yīng)用至上’的理念，是針對問題的系列創(chuàng)新，而不是單一技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新。”談到TBM相關(guān)創(chuàng)新時，張金良說。

TBM設(shè)備引進到我國工程界以來，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了重要作用，特別是當前，國家“一帶一路”、西部交通建設(shè)、大型跨流域調(diào)水、跨江越海、戰(zhàn)略儲能等工程規(guī)劃，為我國深埋超長隧洞工程技術(shù)發(fā)展帶來了前所未有的契機，為TBM提供了廣闊的應(yīng)用空間。

同時，超長距離、大埋深、復(fù)雜工程地質(zhì)也給TBM設(shè)備及與之適應(yīng)的隧道工程設(shè)計、施工帶來了更多的科學(xué)難題和技術(shù)挑戰(zhàn)，除了面對硬巖作業(yè)艱難外，還存在著設(shè)備壽命短、卡機脫困慢、隧道內(nèi)無法長距離通風(fēng)等一系列問題，嚴重影響TBM施工效率提升。

黃河設(shè)計院長期致力于深埋長隧洞調(diào)水工程的勘察、設(shè)計、研究和施工，在研究探索和工程實踐中，強化科技創(chuàng)新驅(qū)動，組建了上百人的TBM超高效掘進成套裝備及新型圍護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究團隊，針對當前TBM面臨的關(guān)鍵“痛點”，從TBM破巖理念、卡機預(yù)防、快速脫困、圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工保障等方面進行革命性創(chuàng)新。

工程地質(zhì)問題是導(dǎo)致深埋長隧洞災(zāi)害頻發(fā)、施工效率低的主要原因之一。根據(jù)厄瓜多爾CCS水電站、蘭州市水源地建設(shè)工程TBM實踐經(jīng)驗，以龍巖萬安溪引水工程、引黃濟寧工程等為依托，黃河設(shè)計院從地質(zhì)勘查、預(yù)測預(yù)報、掘進控制等方面著手，開展TBM高效掘進關(guān)鍵工程地質(zhì)問題研究。

通過研究，黃河設(shè)計院提出一套有效適應(yīng)于深埋長隧洞TBM施工的勘察體系和面向掘進效率的TBM地質(zhì)適宜性評價方法，為TBM選型、設(shè)備配置提供依據(jù)。提出基于巖—機交互作用的圍巖精細化分類方法，結(jié)合搭載TE－TBM地震反射波法和TBM聚焦電流法的一體化超前地質(zhì)預(yù)報體系，實現(xiàn)前方地質(zhì)狀況自辨識及TBM掘進參數(shù)的動態(tài)控制，實現(xiàn)掘進智能化，預(yù)防卡機問題出現(xiàn)。

護盾式TBM在深埋長隧洞施工中遭遇軟巖大變形、斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件，時常發(fā)生卡機事故，脫困處理短則數(shù)十天，長則數(shù)月，更有甚者將TBM拆機，更換鉆爆法施工，造成巨大的經(jīng)濟損失和工期延誤。

黃河設(shè)計院通過分析護盾式TBM在掘進過程中遇到的各種卡機及脫困案例，創(chuàng)造性提出了具有圍巖收斂變形監(jiān)測系統(tǒng)的護盾TBM和用于隧洞掘進機的雙層護盾結(jié)構(gòu)，并獲得國家專利授權(quán)。當圍巖收斂變形速率超過預(yù)警值，監(jiān)測系統(tǒng)自動報警，啟用TBM刀盤擴挖模式，增大開挖斷面，快速通過；當圍巖快速收斂，擠壓護盾，可利用TBM護盾“伸縮變形”功能，減小盾體直徑，快速通過；當圍巖出現(xiàn)快速收斂大變形，壓緊護盾，且超過TBM自身脫困能力時，可解除內(nèi)外層盾體和內(nèi)外圈刀盤連接，將外層盾體棄置于卡機位置穩(wěn)定圍巖，內(nèi)層盾體收縮，TBM后退，留出人工處理空間，待不良地質(zhì)段處理完成后，TBM向前滑行，復(fù)位刀盤并安裝新的外層盾體，恢復(fù)正常掘進，實現(xiàn)“金蟬脫殼”、快速脫困。

同時，黃河設(shè)計院還針對目前TBM隧洞圍護結(jié)構(gòu)存在的問題，提出一整套滿足不同功能要求、適應(yīng)不同水文地質(zhì)條件、輕量化、施工高效的新型圍護結(jié)構(gòu)體系；針對豆礫石回填灌漿存在的問題，自主研發(fā)適用于高效TBM掘進的新型高性能回填砂漿，取代傳統(tǒng)的豆礫石回填灌漿材料，并獲得國家專利授權(quán)；針對超長距離隧洞TBM施工通風(fēng)存在的問題，通過空壓機設(shè)備性能、管道阻力損失、溫升、末端出風(fēng)口減壓、減速設(shè)備及自動控制等方面的研究，創(chuàng)造性提出TBM超長距離施工通風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)，采用空壓機和高壓風(fēng)管，實現(xiàn)小直徑風(fēng)管超長距離通風(fēng)，全面提升TBM掘進效率和結(jié)構(gòu)安全，為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)創(chuàng)造國之重器。

練本領(lǐng)“引領(lǐng)行業(yè)” 守初心“服務(wù)治黃”

這一系列的技術(shù)研究與創(chuàng)新并不是近些年才開始的。在問到黃河設(shè)計院做TBM超高效掘進成套裝備及新型圍護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究的緣起時，每個采訪對象都提到一個所有黃河人都知道的工程——南水北調(diào)西線工程。

黃河是資源型缺水河流，缺水將成為黃河流域和相關(guān)地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的制約因素，實施南水北調(diào)西線工程是解決缺水的根本途徑。

古賢水利樞紐

凱樂塔水電站

調(diào)水工程區(qū)位于青藏高原東南部，地質(zhì)條件比較復(fù)雜。該區(qū)地層主要為三疊系，多為陡傾巖層，褶皺非常強烈，活動斷裂較為發(fā)育，以北西向斷裂為主，大多具有明顯的分段活動特征，區(qū)內(nèi)多年凍土和季節(jié)凍土發(fā)育。必須采用長距離隧洞進行輸水，在當前的工程技術(shù)手段中，TBM是最優(yōu)選擇。

20世紀70年代，國外出現(xiàn)TBM設(shè)備后，黃河設(shè)計院就一直在關(guān)注TBM技術(shù)的進展情況，并在南水北調(diào)西線工程的論證中采用了TBM技術(shù)。但是，TBM自身的局限性非常明顯，做好卡機預(yù)防、快速脫困、圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工保障是將TBM應(yīng)用到西線工程的必然要求。超高效TBM成套裝備及新型圍護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用為實現(xiàn)長距離調(diào)水工程打下了堅實的工程技術(shù)基礎(chǔ)。

“這也是我們在繁重的生產(chǎn)任務(wù)中，也要抽出人力、物力和大量資金來做好TBM技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的初心和目的。”張金良說。

作為一家工程設(shè)計、工程勘察、工程咨詢的綜合甲級企業(yè)，黃河設(shè)計院既要為自身長遠發(fā)展考慮，也要承擔(dān)起相應(yīng)的行業(yè)引領(lǐng)責(zé)任，更要為黃河治理和開發(fā)服務(wù)，這是黃河設(shè)計院的使命和安身立命的根本。

“目前我們有上百億的存量合同，起碼五年內(nèi)的生存是沒有問題的?！?張金良說，“但是，一家企業(yè)除了生存還要發(fā)展，不創(chuàng)新、不進步必然會被市場拋棄?！?019年，黃河設(shè)計院在全年工作會議上特別強調(diào)了“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”這一理念。

“習(xí)近平總書記曾說，創(chuàng)新從來都是九死一生，但必須有‘亦余心之所善兮，雖九死其猶未悔’的豪情。作為黃河企業(yè)，我們要敢于承擔(dān)，有膽量去探索，踏踏實實去做，用技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，支撐黃河治理與開發(fā)。”張金良說。

在超高效TBM成套裝備及新型圍護結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究為南水北調(diào)西線工程提供支撐以外，黃河設(shè)計院還針對黃河下游治理問題進行了一整套技術(shù)創(chuàng)新，提出了新時期黃河下游生態(tài)廊道建設(shè)方略；通過系統(tǒng)地研究高、超高、特高含沙量河流水沙運動規(guī)律，構(gòu)建了整套水庫泥沙設(shè)計技術(shù)，促進了古賢、東莊、馬蓮河水利樞紐工程論證和建設(shè)。

黃河設(shè)計院將在實戰(zhàn)中不斷革新技術(shù)，為維護黃河健康生命，促進流域人水和諧，為建設(shè)水資源空間均衡、生態(tài)環(huán)境優(yōu)美的美麗中國貢獻力量。