完整極硬巖TBM施工輔助破巖方法研究現(xiàn)狀及展望

孫健，陳亮，2，馬洪素，2，鄭植

1 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029

2 國家原子能機(jī)構(gòu)高放廢物地質(zhì)處置創(chuàng)新中心，北京 100029

自20 世紀(jì)50 年代以來，隨著隧道掘進(jìn)機(jī)（tunnel boring machine，簡稱TBM）滾刀、軸承、導(dǎo)向和動(dòng)力傳導(dǎo)系統(tǒng)等多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，TBM的施工效率得到了大幅提高，截止到21 世紀(jì)初，國外的TBM 施工工程已達(dá)千余項(xiàng)［1-2］。從20 世紀(jì)60 年代至今，我國在TBM 的研發(fā)制造上實(shí)現(xiàn)了重大突破，從一開始的關(guān)鍵技術(shù)難以掌握，到如今具備了自主研發(fā)的能力［3-5］。目前我國的掘進(jìn)機(jī)制造技術(shù)還與國外有一定的差距，存在著地質(zhì)適應(yīng)能力差、掘進(jìn)故障率高、掘進(jìn)速度慢等問題。但是，隨著我國基建事業(yè)的蓬勃發(fā)展以及國家的重點(diǎn)投入，中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司、北方重工集團(tuán)有限公司、中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司等公司在掘進(jìn)機(jī)制造方面不斷突破創(chuàng)新，TBM 在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下施工也取得新突破新成就［6-8］。

近30 年以來，隨著TBM 施工的普及，遇到了各種復(fù)雜的工程問題［9-10］，如極硬巖、涌水、巖爆和大變形等，這些問題具有挑戰(zhàn)性，使得隧道施工難度加大。針對(duì)TBM 完整極硬巖地質(zhì)條件下高效施工問題，首先對(duì)硬巖掘進(jìn)面臨的問題及典型工程進(jìn)行介紹，之后回顧了當(dāng)前國內(nèi)外TBM 硬巖施工所采用的輔助破巖方法，重點(diǎn)介紹了水射流、微波、激光、等離子體和干冰粉氣動(dòng)破巖等技術(shù)的原理應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)?？蔀闃O硬巖TBM 輔助破巖研究提供參考。

1 極硬巖TBM 施工問題概述

關(guān)于TBM 施工中完整硬巖和極硬巖的界定，目前我國還未出具相關(guān)規(guī)范，只是將飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa 的巖石判定為堅(jiān)硬巖［11］，巖體完整性劃分見表1［12］；王玉杰等基于TBM 施工巖體的堅(jiān)硬程度和耐磨性提出了兩類超硬巖的劃分標(biāo)準(zhǔn)：第一類劃分標(biāo)準(zhǔn)以巖石強(qiáng)度為依據(jù)，當(dāng)巖石單軸抗壓強(qiáng)度（uniaxial compressive strength，簡稱UCS）超過200 MPa 判定為超硬巖（H1），第二類劃分標(biāo)準(zhǔn)以巖石強(qiáng)度和摩擦性為依據(jù)，當(dāng)UCS 超過150 MPa 且磨蝕性（Cerchar Abrasivity Index 簡稱CAI）超過4.0時(shí)判定為超硬巖（H2）［13］；ISRM 將巖石UCS 超過250 MPa 的巖石定義為超高強(qiáng)度巖石［14］，當(dāng)塊狀巖石UCS 為200 MPa 時(shí)，可能存在難貫入問題，當(dāng)節(jié)理間距超過1 m 即為完整巖體［15］。通常情況下TBM 適用的最佳掘進(jìn)巖石強(qiáng)度介于30～150 MPa 之間［2］，當(dāng)UCS 超過150 MPa且節(jié)理不發(fā)育時(shí)，滾刀會(huì)加劇磨損，且TBM 開挖速度將大幅降低。

表1 巖體完整程度劃分［12］Table 1 Classification of rock integrity[12]

隨著我國西康鐵路秦嶺隧道、引漢濟(jì)渭引水隧洞、云南那邦水電站引水隧洞、吉林引松引水隧洞和高放射性廢物處置地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等一系列硬巖和極硬巖工程的相繼開展，極硬巖隧道掘進(jìn)也逐漸引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注［16-18］，表2 列舉了國內(nèi)外典型的硬巖和極硬巖TBM 施工工程［19-30］。關(guān)于高強(qiáng)度巖體TBM 施工的問題總結(jié)歸納主要為以下幾點(diǎn)。

表2 TBM 硬巖和極硬巖開挖典型工程（不完全統(tǒng)計(jì)）［20，30］Table 2 Typical projects of hard rock and extremely hard rock excavation by TBM （incomplete statistics） [20，30]

1.1 貫入度低，掘進(jìn)速度慢

TBM 隧道開挖中，巖體強(qiáng)度對(duì)貫入度影響效果顯著，為了明確TBM 掘進(jìn)速度與巖石強(qiáng)度的關(guān)系，定義了現(xiàn)場貫入度指數(shù)［31-33］（Filed penetration index，簡稱FPI）：

式（1）中：Fn—單滾刀推力，kN；P—貫入度，刀盤旋轉(zhuǎn)一周切入巖體的深度，mm·r-1；C—不確定系數(shù)；σc—巖石單軸抗壓強(qiáng)度。通過上式可以看出巖體強(qiáng)度和貫入度呈反比例關(guān)系。

在TBM 設(shè)計(jì)施工中，其最大推力扭矩通常是由驅(qū)動(dòng)功率、滾刀尺寸及刀間距等多方面因素決定的。當(dāng)TBM 在低強(qiáng)度巖體中開挖時(shí)，即便推力較小也能達(dá)到較大的貫入度，但在極硬巖條件下，往往達(dá)到了推力極限也只能獲得很小的貫入度［34］。

陜西引漢濟(jì)渭工程秦嶺引水隧洞嶺南TBM 標(biāo)段于2015 年2 月開始試掘進(jìn)，施工巖體抗壓強(qiáng)度介于96.7～242 MPa 間，大部分巖體抗壓強(qiáng)度超過160 MPa［7］，CAI 平均3.35［35］，致使在開工一年內(nèi)僅掘進(jìn)1.9 km。現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度為120 MPa 時(shí)，平均掘進(jìn)速度為2.4 m·h-1；當(dāng)抗壓強(qiáng)度為160 MPa 時(shí)，掘進(jìn)速度為1.2 m·h-1；而當(dāng)抗壓強(qiáng)度超過200 MPa，掘進(jìn)速度僅為0.6 m·h-1［7］。圖1 給出了我國不同隧道工程的掘進(jìn)速度與圍巖強(qiáng)度關(guān)系，可以看出隨著巖石單軸抗壓強(qiáng)度的增加，掘進(jìn)速度呈降低趨勢。西康線秦嶺鐵路隧道工程中，斷層裂隙帶多，但在巖體較為完整且單軸抗壓強(qiáng)度最高達(dá)200 MPa 的地段［23，36］，最低掘進(jìn)速度僅為0.36 m·h-1。

圖1 掘進(jìn)速度與圍巖強(qiáng)度關(guān)系［17］Fig. 1 Relationship between excavaction speed and rock strength［17］

在國外TBM 極硬巖開挖工程中，挪威的Floskefonn隧道巖石單軸抗壓強(qiáng)度最高270 MPa，掘進(jìn)速度介于0.5～2.5 m·h-1之間［21］；2015 年開工的Ulriken 隧道是挪威首次采用TBM 施工的鐵路隧道，巖石單軸抗壓強(qiáng)度介于180～200 MPa 之間，巖體完整節(jié)理不發(fā)育，掘進(jìn)速度為2.5 mm·rev-1［37-38］；土耳其的Beykoz 隧道介于2 550～2 600 m 區(qū)間段，由于石英巖巖脈的存在，巖石單軸抗壓強(qiáng)度介于110～225 MPa 之間，貫入度僅僅只有1 mm·rev-1［24］；土耳其的Tuzla-Akfirat 污水隧道開挖過程中巖石抗壓強(qiáng)度最高達(dá)200 MPa，通過現(xiàn)場掘進(jìn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖石強(qiáng)度高于150 MPa時(shí)，掘進(jìn)速度小于1.4 mm·rev-1［24］。

通過上述案例，可以看出在硬巖或極硬巖地段開挖時(shí)，由于開挖巖體強(qiáng)度過高，造成滾刀難貫入掌子面，破巖效率低下，從而影響施工速度。

1.2 刀具磨損嚴(yán)重，降低TBM 利用率

巖石強(qiáng)度和石英含量是造成滾刀磨損的重要因素［39-41］。TBM 在硬巖地層中施工，滾刀磨損消耗所帶來的費(fèi)用大約占施工成本1/3［35］，極硬巖地層中這一比例還會(huì)增加。除正常磨損外，常見的滾刀異常磨損形式如圖2所示。巖石的磨蝕性通常用磨蝕性指數(shù)CAI 表征，挪威的Cerchar 研究所研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CAI 值大于2.0 時(shí)，巖體的高耐磨性將會(huì)給TBM 掘進(jìn)造成嚴(yán)重影響［42］；此外典型的TBM 性能預(yù)測模型NUTU 模型和CSM 模型中也將這一指標(biāo)考慮在內(nèi)［43-45］。

圖2 TBM 滾刀磨損照片F(xiàn)ig. 2 Photo of TBM cutter wear

為了解決高磨損、低利用率這一問題，目前主要從兩個(gè)角度考慮［34-35，46］：（1）基于TBM 機(jī)械性能，建立滾刀磨損預(yù)測模型，掌握磨損規(guī)律，明確磨損機(jī)理，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)（刀盤推力、轉(zhuǎn)速等），改進(jìn)滾刀參數(shù)（刀體材質(zhì)、刀間距、滾刀尺寸和滾刀布置等）［47］；（2）基于開挖巖體物理力學(xué)性質(zhì)，增加巖體裂隙，降低巖體強(qiáng)度，例如引漢濟(jì)渭秦嶺引水隧洞中，利用熱能-機(jī)械能耦合作用，嘗試?yán)梦⒉?、等離子體和火焰炬等技術(shù)手段降低巖體強(qiáng)度，此外，還采用水射流、鉆孔劈裂等手段增加巖體裂隙，從而降低刀具損耗［17］。

云南那邦水電站引水隧洞以片麻巖為主，巖體抗壓強(qiáng)度較高，節(jié)理不發(fā)育，在極硬巖段開挖過程中，刀具損耗增加，伴隨出現(xiàn)滾刀偏磨、刀體損壞和刀盤磨損等問題，大大增加了換刀和設(shè)備維護(hù)時(shí)間，使TBM 利用率明顯下降［26］。

西康線秦嶺鐵路隧道北口段，片麻巖巖體完整抗壓強(qiáng)度較高，平均每把滾刀破巖37.3 m3［20］，當(dāng)開挖1 416 m 時(shí)，便已更換刀圈385 個(gè)；引漢濟(jì)渭引水隧洞由于強(qiáng)度過高，同樣出現(xiàn)滾刀偏磨、刀體軸承損壞等問題，在試掘段的2 000 m 區(qū)間內(nèi)，正滾刀的磨損速率平均值為0.188 mm·m-3，邊刀磨損速率平均值為0.496 mm·m-3［48］，由于滾刀較高的損耗，截至開工后48 個(gè)月，查刀換刀時(shí)間占掘進(jìn)總施工時(shí)間的19.2 %［17］。

當(dāng)巖體磨蝕性指數(shù)CAI 值過高時(shí)，刀圈磨損不僅增加了施工的經(jīng)濟(jì)成本，此外需要經(jīng)常進(jìn)行停機(jī)查刀，防止“零號(hào)病刀”引發(fā)臨近滾刀的超荷過度磨損，頻繁的查刀換刀行為大大減緩了施工速度［49］。為了降低滾刀磨損消耗，可以利用更改滾刀布置［50］、調(diào)整滾刀參數(shù)［51］、優(yōu)化滾刀材質(zhì)和研發(fā)耐磨涂料等手段。

1.3 刀盤、主軸承和主驅(qū)動(dòng)負(fù)載增加，壽命降低

當(dāng)TBM 在極硬巖中挖掘時(shí)，即使以較低的貫入度進(jìn)行開挖，其所需推力也已經(jīng)很大，設(shè)備振動(dòng)劇烈，這就使刀盤、主軸承和主驅(qū)動(dòng)等設(shè)備負(fù)載增加，且相對(duì)一般巖體，其掘進(jìn)相同距離的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)顯著增加，進(jìn)而可能導(dǎo)致主軸承故障停機(jī)，降低掘進(jìn)機(jī)使用壽命。一旦主軸承等關(guān)鍵部件發(fā)生損壞，往往延誤半年甚至更久的工期，其造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千萬元。

1.4 巖 爆

1991 年，Stacey 等［52］發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貞?yīng)力達(dá)到巖石單軸抗壓強(qiáng)度的85 %時(shí)，便可能發(fā)生巖爆；此外，相較于鉆爆開挖，機(jī)械開挖更易導(dǎo)致巖爆。由于沒有節(jié)理裂隙的存在，完整極硬巖能量難以緩慢釋放更易發(fā)生巖爆，且?guī)r爆頻率隨著巖體強(qiáng)度的增加而增加［53］。1994 年，Ortlepp等［54］根據(jù)機(jī)理的不同將巖爆分為五類，其中隧道開挖過程中最為普遍的是應(yīng)變導(dǎo)致的巖爆，一般情況下，巖爆發(fā)生于開挖掌子面后面的0.5～3 倍開挖直徑范圍內(nèi)，但也有可能發(fā)生在掌子面。隨著巖爆的發(fā)生，巖石碎片會(huì)攜帶巨大的能量對(duì)刀頭、刀盤和皮帶機(jī)等設(shè)備造成損壞，甚至可能會(huì)對(duì)工作人員造成危害［55-56］。

1969 年，美國愛達(dá)華州的Star 金礦開挖至地下2 310 m 時(shí)，刀具受力已遠(yuǎn)超其承載能力，此時(shí)應(yīng)力誘發(fā)了極其嚴(yán)重的巖爆［57-58］。在國內(nèi)，天生橋二級(jí)水電站引水隧洞埋深為400～760 m，現(xiàn)場測量地應(yīng)力達(dá)21 MPa，巖爆應(yīng)力系數(shù)為3，在灰?guī)r洞段開挖過程中發(fā)生了較多中弱等級(jí)的巖爆，局部地段發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆；據(jù)現(xiàn)場施工統(tǒng)計(jì)，巖爆段長度占TBM 開挖段總長度的40 %，巖爆形式為片狀劈裂剝落，并伴隨爆裂聲［10，59］。秦嶺鐵路隧道最大埋深800 m，開挖過程中以破裂松弛型和彈射型的輕微-中等巖爆為主，占總巖爆比例93.6 %，巖爆段長度達(dá)1 894 m，主要發(fā)生在混合片麻巖和混合花崗巖等完整極硬巖段［60-61］。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞直徑為12.4 m，最大埋深2 525 m，施工過程中在小直徑排水洞（洞徑7.2 m）發(fā)生極強(qiáng)巖爆，導(dǎo)致TBM 被埋，7 名工作人員遇難；此外，大直徑隧洞施工過程中也遭遇多次強(qiáng)巖爆［10，62］，圖3 為錦屏隧洞開挖過程中的巖爆現(xiàn)象。引漢濟(jì)渭秦嶺隧道最大埋深2 012 m，施工過程中受極硬巖、巖爆和突水等問題影響，截止2019 年11 月，施工過程中遭遇巖爆795 次。除了上述工程外，新疆ABH 隧洞、秦嶺鐘南山公路隧道和二郎山隧道等工程同樣遭遇巖爆問題。

圖3 錦屏二級(jí)水電站施工過程中巖爆照片［62］Fig. 3 Photo of rockburst at Jinping secondary hydropower station［62］

隨著近些年來技術(shù)手段的發(fā)展，當(dāng)前可以采用微震監(jiān)測和應(yīng)變監(jiān)測等手段預(yù)測巖爆，通過鉆孔爆破、鉆孔泄壓和底板切槽等方法進(jìn)行應(yīng)力釋放，同時(shí)隧道開挖后及時(shí)支護(hù)以抵擋巖爆沖擊，通過以上手段可以在一定程度上降低巖爆的風(fēng)險(xiǎn)水平和強(qiáng)度［30，63］，例如在秦嶺隧道施工過程中，技術(shù)人員利用分級(jí)巖爆防護(hù)技術(shù)成功穿越10 km 巖爆洞段，并在第二掘進(jìn)段中穿越了2 km 連續(xù)強(qiáng)巖爆洞段［64］。

除上述常見問題外，TBM 在極硬巖段開挖過程中，推進(jìn)姿態(tài)難以控制，尤其是在曲線段或轉(zhuǎn)彎段，推力作用下TBM 的前進(jìn)方向與計(jì)劃線路相切，掘進(jìn)過程容易發(fā)生偏移［65］；由于巖石完整堅(jiān)硬造成滾刀磨損加劇，一旦邊刀換刀不及時(shí)，便會(huì)發(fā)生開挖直徑偏小，致使出現(xiàn)護(hù)盾難以安裝等問題。

2 輔助破巖方法研究進(jìn)展

當(dāng)前巖體開挖的主要方式仍然是爆破開挖和機(jī)械開挖，二者技術(shù)較為成熟，在隧道煤礦等工程中得到廣泛應(yīng)用，占據(jù)了很高的比例。最早出現(xiàn)的鉆孔裝藥爆破法雖然具有破巖效率高、施工簡單的優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械化程度低，圍巖擾動(dòng)大，開挖范圍難控制；之后機(jī)械破巖法得以快速發(fā)展，在隧道開挖、煤礦開采等領(lǐng)域成功應(yīng)用，但機(jī)械破巖面對(duì)高強(qiáng)度巖體時(shí)貫入度低、刀具磨損程度高，大大降低了機(jī)械開挖的效率，增加了施工成本。對(duì)于上述兩種破巖方法的局限性，近幾十年出現(xiàn)了許多非機(jī)具破巖方法，用以部分代替或輔助機(jī)械進(jìn)行巖體開挖，包括水射流法、紅外線法、微波法和電子束法等，常見破巖方法如圖4 所示。受制于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等原因，目前大部分新型破巖技術(shù)尚未得到大范圍應(yīng)用，仍處在技術(shù)探索階段［66-69］。

針對(duì)上文提及的TBM 在硬巖、極硬巖開挖過程中的滾刀高磨損、開挖效率低的問題，除了對(duì)掘進(jìn)機(jī)性能進(jìn)行改進(jìn)外，另一個(gè)角度就是改變巖體的本身性質(zhì)。由于巖石內(nèi)部的裂隙、節(jié)理和微裂紋等影響著巖體的物理力學(xué)性能［30，70］，且裂隙間距、裂隙數(shù)量等對(duì)滾刀碎巖難易程度影響顯著［71-73］，因此，基于增加巖體內(nèi)部缺陷進(jìn)而降低巖體完整性和強(qiáng)度的目的，提出的新型破巖方法可以在完整硬巖地質(zhì)條件下進(jìn)行巖體破碎，提高后續(xù)TBM 的掘進(jìn)效率。

2.1 水射流法輔助破巖

20 世紀(jì)60 年代，水射流技術(shù)開始被應(yīng)用于采石場巖體切割。由于機(jī)械破巖在硬巖段的開挖困難，因此從20 世紀(jì)70 年代初開始水射流技術(shù)逐漸被應(yīng)用到礦山、隧道開挖以及石油鉆探等領(lǐng)域，輔助機(jī)械設(shè)備進(jìn)行破巖切割［74-76］。

區(qū)別于傳統(tǒng)的TBM 滾刀破巖，高壓水射流輔助破巖原理如圖5 所示。高壓水射流輔助破巖主要通過兩種方式破壞巖石［20，77］： 1）機(jī)械輔助水射流破巖，通過高壓噴嘴射出的水在掌子面切槽，增加滾刀破巖的臨空面［78］（圖5a），已有研究表明，通過合理布置臨空面可以使?jié)L刀破巖產(chǎn)生的裂隙更易擴(kuò)展到臨空面，形成巖石碎片，因此可以有效降低破巖荷載并提升破巖效率［79-80］；2）水射流輔助機(jī)械破巖，通過水的脹裂作用和沖蝕作用，將臨近刀尖的受壓區(qū)去除，并在巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，使巖體強(qiáng)度降低，讓滾刀產(chǎn)生的裂隙快速貫通形成巖體碎片（圖5b）［81］。

圖5 高壓水射流破巖原理［20］Fig. 5 Principle of high pressure water jet rock breaking［20］

關(guān)于水射流輔助TBM 破巖的研究主要通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)三種方式。室內(nèi)試驗(yàn)方面，F(xiàn)enn 等［82］在254 MPa 的蘇長巖上進(jìn)行5～40 MPa 的水射流輔助破巖，試驗(yàn)形式如圖5b 所示，研究結(jié)果表明：水射流輔助能夠降低后續(xù)滾刀40 %的滾動(dòng)力和推力。Ciccu 等［83］在卡利亞里實(shí)驗(yàn)室對(duì)火山巖（單軸抗壓強(qiáng)度44 MPa）進(jìn)行150 MPa 磨料水射流輔助機(jī)械破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：相同滾刀推力情況下，水射流輔助作用下的滾刀貫入度大約是無輔助破巖滾刀貫入度的2 倍，破巖體積為3.8 倍。Cheng 等［84］對(duì)高壓水射流切割后的巖體試樣進(jìn)行了室內(nèi)貫入試驗(yàn)，研究了水射流切縫間距和切縫深度對(duì)滾刀受力以及巖體破壞機(jī)制的影響，研究結(jié)果表明：滾刀貫入力隨著切縫深度的增加而緩慢降低，隨著切縫間距的增加而略微增加；當(dāng)切縫深度不超過18.4 mm 時(shí)，滾刀破巖的比能隨著切縫深度的增加而顯著降低，如圖6 所示。張金良等［77，85］進(jìn)行了磨料水射流輔助與無輔助滾刀破巖試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：保持滾刀貫入度不變，利用磨料水射流輔助可以降低滾刀破巖垂直推力39 %、滾動(dòng)力25 %，且水射流輔助破巖的效率為常規(guī)滾刀破巖效率的1～2 倍。

圖6 水射流切縫貫入實(shí)驗(yàn)比能變化［84］Fig. 6 Variation of specific energy with water jet kerf penetration experiment［84］

數(shù)值模擬方面，程建龍等［86］基于水力切縫巖石滾刀貫入實(shí)驗(yàn)采用PFC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了水力切縫滾刀破巖機(jī)制，無論是完整巖還是切縫巖，其滾刀貫入曲線可分為：壓密階段、恒剛度貫入階段、剛度退化階段和峰后破裂階段；對(duì)于切縫巖石，切縫越深，貫入剛度越低，貫入力越小，隨著切縫間距的不斷增加，相鄰滾刀間的巖脊并不能貫通發(fā)生貫通破壞，破壞模式由相鄰切縫間的傾斜破壞轉(zhuǎn)變到兩側(cè)切縫向中間巖脊傾斜破壞。賀飛等［87］采用PFC2D 對(duì)全尺度滾刀-水射流耦合破巖進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別針對(duì)共軌破巖和錯(cuò)軌破巖建立了數(shù)值模型，研究結(jié)果表明：高移速水射流共軌破巖中，水射流預(yù)切縫對(duì)滾刀貫入荷載影響并不明顯，而預(yù)切縫的存在限制了密實(shí)核的形成和裂隙的貫通；高移速水射流錯(cuò)軌破巖中，水射流預(yù)切縫深度較淺，對(duì)滾刀破巖的輔助作用并不明顯。

現(xiàn)場試驗(yàn)方面，Wang 等［88］通過水射流輔助TBM 現(xiàn)場掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)測得，當(dāng)現(xiàn)場掘進(jìn)段的花崗巖強(qiáng)度介于159～262 MPa 之間，通過345 MPa的高壓水輔助破巖使得掘進(jìn)效率提升40 %～48 %。2019 年，我國首臺(tái)集成高壓水射流系統(tǒng)的TBM“龍巖號(hào)”成功落地，并被應(yīng)用到福建萬安溪引水工程中，其配備有8 臺(tái)高壓泵，最高水壓可達(dá)280 MPa，如圖7 所示。張金良等［89］依托現(xiàn)場施工平臺(tái)，進(jìn)行了一系列水射流破巖試驗(yàn)研究，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明：270 MPa 水壓射流輔助作用下，TBM 的貫入度提高64 %，隨著水壓的提高，貫入度增加，現(xiàn)場貫入度指數(shù)FPI 降低；此外，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速過快時(shí)，導(dǎo)致噴嘴移動(dòng)線速度過大，切縫深度較淺，輔助破巖效果并不明顯，當(dāng)水壓保持270 MPa，刀頭轉(zhuǎn)速為6 r·min-1時(shí)，此時(shí)破巖效率最高。此外，在引漢濟(jì)渭工程極硬巖地質(zhì)段開挖過程中，現(xiàn)場進(jìn)行了高壓水射流系統(tǒng)的安裝與試驗(yàn)，同時(shí)自主研發(fā)了螺旋步進(jìn)式孔內(nèi)高壓水射流破巖裝置［17］，如圖8 所示，但相關(guān)文獻(xiàn)中并未對(duì)現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行過多敘述。

圖7 “龍巖號(hào)”掘進(jìn)機(jī)Fig.7 “LongYan” TBM

圖8 螺旋步進(jìn)式孔內(nèi)高壓水射流破巖裝置［17］Fig.8 Spiral stepping type in-hole high-pressure water jet rock breaking device［17］

通過國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究，可以得知高壓水射流輔助TBM 破巖具有可行性，能夠有效提高破巖效率，降低滾刀磨損和滾刀溫度，此外還具有降塵的優(yōu)勢。但目前高壓水射流技術(shù)并未成熟，仍未得到廣泛應(yīng)用，歸結(jié)其現(xiàn)存問題，主要有以下幾點(diǎn)［90］：

1）設(shè)備質(zhì)量問題：高壓水射流系統(tǒng)所用材料的耐久性問題、噴嘴堵塞問題以及高壓配件的密封問題；

2）參數(shù)設(shè)置問題：如何合理布置噴嘴、控制水壓參數(shù)、以及設(shè)定與水射流系統(tǒng)相匹配的刀盤轉(zhuǎn)速參數(shù)等；

3）磨料和水的成本問題以及廢水的后處理問題。

2.2 微波法輔助破巖

微波輔助機(jī)械破巖技術(shù)是指利用微波對(duì)巖體加熱，增加內(nèi)部缺陷，降低巖體強(qiáng)度，后續(xù)配合機(jī)械開挖，以減小刀具的磨損，提高掘進(jìn)效率的綜合型破巖方法［91］。微波是一種波長介于1～100 mm 之間、頻率介于300～30 000 MHz之間的電磁波，當(dāng)前我國工業(yè)和民用上主要應(yīng)用915 和2 450 MHz 兩種頻率的微波［92］。微波作用原理為：當(dāng)巖石置于電磁場環(huán)境中，巖體內(nèi)部的電介質(zhì)分子由雜亂無章的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蚺帕校@一現(xiàn)象也稱為極化現(xiàn)象；之后電介質(zhì)分子隨著交變電磁場的高頻變化重復(fù)運(yùn)動(dòng)，在高頻且極快速的運(yùn)動(dòng)中巖體內(nèi)部分子產(chǎn)生類似摩擦生熱，進(jìn)而導(dǎo)致巖體溫度升高，水分蒸發(fā)，礦物分解膨脹，巖體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，裂隙擴(kuò)展并產(chǎn)生新裂隙，最終導(dǎo)致巖體強(qiáng)度下降［93］。

微波加熱具有即時(shí)性特性。當(dāng)微波照射巖石時(shí)，巖石能迅速加熱，而當(dāng)停止微波照射后，加熱迅速停止，微波加熱不具有延時(shí)性，因此實(shí)際工程中，微波輔助破巖如何與機(jī)械破巖相互配合也是需要重點(diǎn)考慮的問題［94］。

微波加熱具有穿透性?；谖⒉訜嵩?，微波能夠直接讓整個(gè)物體同時(shí)加熱，達(dá)到內(nèi)外溫度均勻，省去傳統(tǒng)加熱的熱傳導(dǎo)時(shí)間，避免能量損耗。微波加熱的穿透深度D一般通過式（2）計(jì)算［91］：

式（2）中：λ—微波波長，cm；ε′—材料介電常數(shù)；ε″—材料介電損耗因子。當(dāng)利用2 450 MHz 對(duì)巖石進(jìn)行微波加熱，微波波長為12.2 cm 時(shí)，通過式（2）可以得出穿透深度D取值幾厘米至幾十厘米。

微波加熱具有選擇性。微波加熱只對(duì)介電材料作用，因此材料種類的不同對(duì)微波加熱的敏感度也不同。通常根據(jù)材料對(duì)微波敏感性的不同將材料分為：吸收材料、部分吸收材料、反射材料和透射材料四類。巖石的礦物組成成分不同，對(duì)微波的敏感性也不同，因此微波照射時(shí)巖石各部分溫度不同，關(guān)于電磁場中單位體積電介質(zhì)消耗的微波能量P為［95］：

式（3）中：f—微波頻率；ε0—真空介電常數(shù)（8.85×10-12F·m-1）；E—電場強(qiáng)度。

關(guān)于微波輔助機(jī)械破巖的應(yīng)用，俄羅斯學(xué)者Gushchin 等［96-97］研發(fā)了一種電-熱-機(jī)械的掘進(jìn)機(jī)，該掘進(jìn)機(jī)在純機(jī)械、電熱模式和電熱機(jī)組合模式下進(jìn)行掘進(jìn)速度對(duì)比，結(jié)果表明：在純機(jī)械模式下，只開挖工作面的40 %，掘進(jìn)速度為0.2 m·s-1，能耗在290 kW·h·m-3，并且伴有大量粉塵；在電熱模式下，全斷面開挖掘進(jìn)速度為0.15 m·h-1，能耗在160 kW·h·m-3，粉塵量減少；在電熱機(jī)組合模式下，掘進(jìn)速度介于0.7～0.8 m·h-1之間，能耗介于60～75 kW·h·m-3之間，粉塵量相較于純機(jī)械模式降低20 %～30 %。在我國的引漢濟(jì)渭工程中，劉曉麗等［17］進(jìn)行了現(xiàn)場采樣，并開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)嶺南洞段巖石對(duì)微波加熱并不敏感，可以采用中心鉆孔將極性物質(zhì)裝入孔內(nèi)，進(jìn)而提升掌子面整體對(duì)微波的熱敏感性；此外，還設(shè)計(jì)了配備有微波設(shè)備的TBM 刀盤，如圖9 所示。盧高明［98］在白鶴灘水電站進(jìn)行了現(xiàn)場3、5 和10 kW 的微波試驗(yàn)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)觀察，當(dāng)采用3 kW 微波功率長時(shí)間照射孔壁后，孔壁發(fā)生局部熔化，顏色被輻射成黃褐色；當(dāng)采用10 kW 功率時(shí)，孔壁出現(xiàn)了明顯的掉塊劈裂和新裂隙，波速明顯降低。Lu 等［99］對(duì)玄武巖進(jìn)行微波加熱，加熱后試件進(jìn)行全尺寸線性切割試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：巖石試樣溫度隨著微波照射的時(shí)間而增加，且微波照射時(shí)間越長，滾刀破巖效果越明顯，滾刀垂直力和滾動(dòng)力隨著照射時(shí)間線性降低，破巖比能隨曝光時(shí)間呈指數(shù)減小，見圖10。

圖9 TBM 三維微波系統(tǒng)搭載設(shè)計(jì)［17］Fig. 9 TBM 3D microwave system piggyback design［17］

圖10 微波輔助破巖效率變化［99］Fig. 10 Microwave-assisted rock breaking efficiency changes［99］

此外，微波輔助破巖還具安全環(huán)保的優(yōu)勢，加熱路徑、加熱時(shí)間和加熱范圍等參數(shù)易于控制，但未來大范圍應(yīng)用于輔助TBM 破巖還有以下問題需要考慮：

1）設(shè)備問題：設(shè)備的耐久性，以及微波功率需進(jìn)一步提升，現(xiàn)場能量損失問題；

2）與現(xiàn)場實(shí)際工作條件相符合的微波單側(cè)照射研究需要開展；

3）巖石自身因素（裂隙、礦物成分和粒組等）對(duì)微波輻射弱化巖石的影響規(guī)律及機(jī)理研究；

4）地應(yīng)力等環(huán)境因素對(duì)微波輔助破巖的影響研究；

5）照射路徑、時(shí)間和范圍等因素對(duì)輔助破巖的影響研究。

2.3 激光法輔助破巖

激光破巖技術(shù)是一種非機(jī)械接觸式破巖法，利用高能激光作用在巖石表面，巖石局部受激光照射產(chǎn)生熱爆裂并弱化、碎化、熔化和汽化，之后通過高速輔助氣流將殘?jiān)宄?00-102］。激光破巖后巖石主要從固態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)，通過研究發(fā)現(xiàn)：相較于巖石受熱熔化和受熱汽化，巖石受熱破碎后的破巖效率最佳，比能最小［103］。

激光破巖技術(shù)開始于20 世紀(jì)60 年代，先后被用于巖石切割和鉆井破巖［104-105］，而關(guān)于激光法輔助TBM 破巖工程目前尚未有典型案例，仍處于試驗(yàn)研究階段。張魁等［106］以孔孔距（激光孔之間的間距）和刀孔距（滾刀與激光孔排之間的間距）兩因素為變量對(duì)激光輔助破巖進(jìn)行室內(nèi)滾刀侵入試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：激光照射使得巖石侵入難度系數(shù)降低，滾刀側(cè)面衍生出更多的張拉裂紋，破巖塊度和體積均增加，比能耗明顯降低，如圖11所示。王義江等［107］對(duì)花崗巖試件進(jìn)行了不同激光照射參數(shù)下的破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：激光照射后巖石試樣的抗壓強(qiáng)度最大下降69 %，巖樣內(nèi)部組分、礦物膠結(jié)和微觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生顯著變化，生成新裂隙，微波輔助破巖技術(shù)能夠提高硬巖隧道的掘進(jìn)速度。

圖11 激光輔助破巖變化曲線圖［106］Fig. 11 Laser-assisted rock breaking curve［106］

數(shù)值模擬研究方面，Rui等［108］對(duì)經(jīng)過不同時(shí)間和不同功率激光照射后的巖石試樣進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：高能激光束能顯著降低巖石的抗拉強(qiáng)度，且激光功率比照射時(shí)間對(duì)巖石的損傷影響更為顯著；此外，基于四維晶格彈簧模型（4DLSM）對(duì)單滾刀破巖進(jìn)行了數(shù)值模擬，如圖12a所示，并針對(duì)已建立的數(shù)值模型，提出了一種激光輔助TBM掘進(jìn)的新概念（圖12b），可以根據(jù)已完成的單滾刀數(shù)值模擬研究對(duì)整體TBM 掘進(jìn)效率進(jìn)行預(yù)測。Zhang等［109］為了實(shí)現(xiàn)激光輔助滾刀破巖的數(shù)值模擬研究，將整個(gè)過程分為兩步：第1步在ANSYS中建立激光破巖的有限元模型，并基于生死單元法模擬預(yù)測激光破巖損傷，激光破巖模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖13所示；第2步在HyperMesh中重新建立第一步已經(jīng)預(yù)測完損傷裂隙的巖樣模型，并導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行了激光輔助破巖模擬研究，模擬結(jié)果表明：滾刀一側(cè)激光孔的存在降低了滾刀破巖時(shí)的橫向約束，增加了破巖量。

圖12 激光輔助TBM 破巖［108］Fig. 12 Laser-assisted TBM rock breaking［108］

圖13 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)照?qǐng)D［109］Fig. 13 Comparison of test and simulation results［109］

相較于傳統(tǒng)破巖方法，激光輔助破巖具有精準(zhǔn)可控、高效率低能耗和環(huán)保等特點(diǎn)，但在TBM 隧道開挖工程中應(yīng)用還需解決如下問題［69，110］：

1）根據(jù)不同巖性確定不同激光類型、照射方式和照射時(shí)間等參數(shù)；

2）激光的安全使用問題，激光工作時(shí)，巖體表面溫度高達(dá)幾千度，如何實(shí)現(xiàn)TBM 和開挖掌子面降溫將是一個(gè)挑戰(zhàn)；

3）激光器耐久性，傳輸?shù)葐栴}，地下工作環(huán)境惡劣，激光器需要具有抵抗粉塵、潮濕工況的能力。

2.4 等離子體輔助破巖

等離子體破巖也稱高壓脈沖放電破巖，其破巖原理為利用脈沖放電產(chǎn)生的沖擊波、射流或等離子通道內(nèi)的力學(xué)效應(yīng)對(duì)巖石進(jìn)行破碎［111］，按破碎形式可分為液電破碎和電破碎兩類。如圖14a 所示，液電破巖主要是利用在液體中的電極放電所產(chǎn)生的沖擊波、氣泡潰滅和壓力波等機(jī)械力對(duì)巖石進(jìn)行破碎，該情況下放電通道在液體介質(zhì)中，電極并未與巖石發(fā)生接觸；如圖14b所示，進(jìn)行電破巖時(shí)，將電極與巖石表面接觸，等離子通道存在于巖石內(nèi)部，放電過程中會(huì)在通道內(nèi)進(jìn)行加熱，等離子通道受熱膨脹，產(chǎn)生應(yīng)力波，最終導(dǎo)致巖石破碎［112］。除上述兩種情況外，還存在一種情況，即為電極與巖石接觸，但放電通道位于巖石表面的固液交界面，并不能利用通道加熱破碎巖石，屬于液電破碎的一種。

圖14 等離子體破巖分類［67］Fig. 14 Plasma rock breaking classification［67］

關(guān)于等離子通道是否穿過巖石內(nèi)部，主要與液體介質(zhì)和巖石的性質(zhì)、高壓電脈沖上升時(shí)間有關(guān)。如圖15 例所示，當(dāng)脈沖電壓上升時(shí)間小于500 ns 時(shí)，被擊穿的先后順序是空氣、固體和水，因此該情況等離子通道存在于固體內(nèi)部；而當(dāng)脈沖電壓上升時(shí)間大于500 ns 時(shí)，此時(shí)水先于固體被擊穿，放電通道存在于固液界面，為液電破碎。在實(shí)際工程中，為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，一般優(yōu)先考慮電破碎方法［112］。

圖15 介質(zhì)擊穿場強(qiáng)-脈沖電壓上升時(shí)間關(guān)系圖［113］Fig. 15 The relationship between the breakdown strength of the electric field and the rise time of the pulse voltage of each phase medium［113］

等離子體破巖作為一種綠色無污染的破巖技術(shù)被應(yīng)用于選礦［114］、巖體開挖［115］、鉆井［67，116］、污垢清理和醫(yī)療等領(lǐng)域，具有破巖速度快、能量可控、無污染和無飛石等優(yōu)勢，但等離子體破巖耗能較大，高壓作業(yè)安全防護(hù)問題顯著。陳世和等［117］首次在國內(nèi)核工業(yè)礦山硬巖巷道掘進(jìn)中應(yīng)用了等離子體技術(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，等離子破巖更適用于硬度f≥6 的巖石；巖石的礦物成分組成對(duì)等離子體破巖影響效果也較為明顯，例如，當(dāng)巖石中含有較多的鈉、鐵鎂礦、方解石和云母等礦物質(zhì)時(shí)，破巖效率較低。

不同于礦產(chǎn)開采，TBM 全斷面隧道掘進(jìn)中等離子體輔助破巖的主要作用為切割作用，通過較低的能耗對(duì)硬巖段進(jìn)行人造裂隙，降低巖體完整性和強(qiáng)度，進(jìn)而提高TBM 掘進(jìn)效率。未來等離子體輔助TBM 破巖技術(shù)還面臨以下問題［67，111］：

1）使用條件有限，受制于巖體硬度、巖石礦物組分，需在特定地質(zhì)條件下進(jìn)行使用；

2）破碎機(jī)理尚未統(tǒng)一，破巖影響參數(shù)尚不明確，需進(jìn)一步明確放電參數(shù)（放電電壓、脈沖數(shù)和放電頻率）、電極形狀、電極角度和圍壓等因素對(duì)破巖效率的影響；

3）隧道施工條件惡劣，同水射流、微波等技術(shù)相同，對(duì)設(shè)備耐久性和安全性要求較高；此外需要進(jìn)一步研制低波阻抗脈沖傳輸線，提升能量傳輸效率。

2.5 干冰粉氣動(dòng)破巖

19 世紀(jì)60 年代初期，人們便利用液態(tài)CO2相變體積急劇膨脹的特性（氣體體積約為液體體積的60 倍），將其應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)；相較于常規(guī)爆破破巖，液態(tài)CO2破巖更具有安全性和適用性，但液態(tài)CO2不易運(yùn)輸儲(chǔ)存，且膨脹管材料只能在尾部泄放［118］。針對(duì)液態(tài)CO2存在的問題，Hu 等［119-122］提出了一種干冰粉氣動(dòng)破巖技術(shù)，相較于液態(tài)CO2氣動(dòng)破巖，干冰粉氣動(dòng)破巖操作簡單、材料安全，而且破巖振動(dòng)較小、無污染。

干冰粉氣動(dòng)破巖采用干冰粉作為膨脹致裂劑，自主研發(fā)的CO2聚能劑作為發(fā)熱藥物。進(jìn)行破巖時(shí)，將干冰粉裝入高壓一次性致裂器中［123］，致裂器裝置如圖16 所示，當(dāng)封孔完畢后，將起爆線接通電源，聚能劑開始釋放大量的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致干冰粉汽化，致裂器壓力瞬時(shí)提高，并從外殼預(yù)制薄弱處發(fā)生破裂，氣體噴出，實(shí)現(xiàn)定向破巖。圖16 中加熱棒可以根據(jù)現(xiàn)場情況提前進(jìn)行干冰粉液化處理。

Hu 等［118-119，124］對(duì)于新提出的干冰粉氣動(dòng)壓裂新技術(shù)進(jìn)行了混凝土壓裂實(shí)驗(yàn)，探究了干冰粉與CO2聚能劑質(zhì)量比對(duì)混凝土壓裂效果的影響，并基于尖點(diǎn)突變理論建立了碎塊尺寸和應(yīng)變率的關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)證，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一致性。駱峻偉等［123］將該技術(shù)應(yīng)用于地鐵車站深基坑硬巖工程中，施工結(jié)果表明：該技術(shù)破巖振動(dòng)極小，且無拋擲現(xiàn)象，但破巖塊度較大，需進(jìn)行二次破碎。葉武等［125］將干冰粉氣動(dòng)破巖與機(jī)械破巖進(jìn)行施工對(duì)比分析，現(xiàn)場結(jié)果表明：干冰粉氣動(dòng)破巖噪聲振動(dòng)更小，破巖效率為機(jī)械破巖的4 倍，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用與機(jī)械破巖持平，但同樣問題是破巖塊度較大，需進(jìn)行二次破碎。

綜上所述，當(dāng)前干冰粉氣動(dòng)破巖技術(shù)仍處于發(fā)展階段，一般被用于地表破巖，且破碎塊度較大。未來在地下硬巖隧道施工中，可以通過該技術(shù)對(duì)TBM 隧道掌子面進(jìn)行預(yù)裂破巖，提高硬巖隧道的掘進(jìn)效率。

2.6 各種輔助破巖方法對(duì)比分析

表3 列舉了包括上述TBM 輔助破巖方法在內(nèi)的不同破巖方法，并簡單介紹了各方法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

表3 常見破巖方法比較Table 3 Comparison of common rock breaking methods

3 結(jié)論及展望

通過對(duì)近幾十年來的破巖方法進(jìn)行了梳理，針對(duì)不同的TBM 輔助破巖方法進(jìn)行了分析、對(duì)比和展望，得出以下結(jié)論：

1）TBM 在完整極硬巖中開挖通常會(huì)出現(xiàn)掘進(jìn)速度慢、滾刀磨損高、部件易過載疲勞損傷以及巖爆等問題；

2）水射流破巖技術(shù)配合TBM 能夠有效提高開挖效率，但設(shè)備穩(wěn)定性、水射流參數(shù)設(shè)定和磨料等問題需進(jìn)一步解決；微波輔助破巖技術(shù)主要是利用熱能對(duì)巖石進(jìn)行破碎，但目前該技術(shù)尚未完全成熟，而且受巖石礦物成分含量限制，如果硬巖段巖石對(duì)微波敏感性不高，則微波破巖效率將大幅下降；利用激光輔助TBM破巖主要是對(duì)完整硬巖進(jìn)行切割，生成新裂隙降低巖體完整性和巖體強(qiáng)度，但激光破巖參數(shù)還需進(jìn)一步研究，此外掌子面降溫、惡劣環(huán)境激光器穩(wěn)定工作等問題也需考慮；等離子體破巖技術(shù)主要是運(yùn)用電破碎對(duì)巖石進(jìn)行破碎，對(duì)巖體性質(zhì)和硬度有較高要求，使用條件受限；新發(fā)展的干冰粉氣動(dòng)破巖技術(shù)目前并未應(yīng)用到隧道工程中，但其開挖擾動(dòng)小、操作簡單，未來可以考慮使用此方法進(jìn)行硬巖掌子面預(yù)裂；

3）本文對(duì)鉆爆法、超聲波法等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了輔助TBM 破巖探討，各項(xiàng)技術(shù)都有各自的優(yōu)勢和不足，綜合而言，TBM 搭載高壓水射流系統(tǒng)、微波系統(tǒng)和激光系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較高自動(dòng)化的硬巖隧道開挖，發(fā)展前景較好，但技術(shù)水平需進(jìn)一步提高；而鉆爆法、鉆孔劈裂法和干冰粉氣動(dòng)破巖等方法技術(shù)較為成熟，但機(jī)械化程度較低，需進(jìn)行人工操作，當(dāng)前階段使用此類方法更為可靠有效。