TBM的中国掘进之旅

　　核心提示

　　2006年1月9日，北京人民大会堂，无数关切的目光聚焦这里。本世纪召开的第一次全国科技大会在北京隆重开幕---人们感叹着"又一个科技的春天在向我们招手"。

　　在全国科学技术大会上，石家庄铁道学院作为主研单位的"长大隧道全断面岩石掘进

　　从十年前正式接触全断面岩石掘进机开始，杜彦良的学术生涯以及随后的辉煌成就与之密切相关，而这个被简称为TBM的庞然大物所负载的创新故事无疑更引人注目。

　　1、TBM挑战世界最长隧道 辽宁输水隧洞，创月掘进世界惊人记录 两点之间直线最近。

　　可在中国铁路建设上，实现这个最简单的命题却走了近百年。

　　100多年前，詹天佑在为京张铁路选线时，不得不“拐弯抹角”———火车在青龙桥附近要通过“之”字形路线，“笨重”地“爬”上八达岭，以缩短穿岭隧道的长度。

　　新中国成立后的近半个世纪，修建穿越崇山峻岭的铁路、公路，大多选择九转十八弯的盘山路。

　　一百年后的今天，随着全断面岩石掘进机(TBM)在我国的应用，长大隧道修建能力的增强，铁路也终于可以“直来直去”了。

　　全断面岩石掘进机的技术应用无疑是中国隧道建设上的一次巨大革命，而杜彦良和他的科研团队正是这一革命历程的参与者、见证者，他们的科研之路也是TBM在我国的“掘进”轨迹。

　　“TBM就是一只巨大的钢铁穿山甲。”1月20日，正在建设的世界最长的输水隧洞———辽宁大伙房输水工程施工现场，担任TBM主司机的石家庄铁道学院毕业生曾绍毅边笑着对记者说，边神气地坐在驾驶室内，通过各种仪表反馈的数据，及时地调整着各种掘进参数。

　　曾绍毅所驾驶的这台敞开式掘进机，由主机和后配套系统两大部分组成。

　　主机就像一只巨大的爬行动物，它的头部装有一个开挖直径8米的旋转式刀盘，上面镶嵌着几十把锋利的盘形滚刀。巨大的液压撑靴好比粗壮有力的臂膀，工作的时候，它们会牢牢地撑住隧道四周的洞壁，使身体保持平衡。

　　记者看到，刀盘上用来替代钻头和炸药的滚刀，在巨大推进力的作用下，张开“铁嘴钢牙”挤压切入岩层，将坚硬的岩石咬得粉碎，发出隆隆的响声。石碴随着刀盘的旋转由刀盘上的铲碴斗自动拾起，经刀盘内的溜碴槽输送到装在主机上的皮带机上，再运到后配套系统处，同样经皮带机直接运出洞外。

　　掘进机的后配套系统在主机掘进时，可以同时进行运输石渣、喷锚支护、铺设仰拱和轨道等多项工序的立体连续并行作业。掘进机过后，隧道就初步成型了，“从这个意义上说，掘进机就像一台联合收割机。”大伙房工程的顾问、石家庄铁道学院的徐明新教授笑着对记者说。

　　正在谈话时，TBM突然停止了掘进。原来主机已经掘进1.8米，一个掘进行程结束。在曾绍毅的操作下，这只重达1100多吨的庞然大物开始换步。先放下后支撑腿以支撑主机躯体，再收回两个撑靴向前滑动1.8米后，又一次撑住洞壁。拖拉油缸同时将后配套系统也向前牵引1.8米，最后收起下部的支撑腿开始新的一轮掘进。

　　“与这里比起来，用传统钻爆法打眼、放炮就像是在挖地道。”曾经参加过钻爆法施工的工人宁春江笑着说，“这里就是一个先进的机械化工厂。”

　　当班的掘进一班的副班长马玉仁告诉记者，现在他的“掘进班”，规模比以前大幅“缩水”，“虽然人少了，劳动强度却没有增加，而且大部分都是从事技术工作。”

　　最令宁春江们高兴的是，TBM的使用使工作人员的人身安全更有保证。如在掘进中，当隧道内的瓦斯浓度达到一定程度时，报警系统自动启动———TBM就会铃声大作。如果施工人员不采取相应措施的话，它就索性“罢工”———停止掘进，而通风系统则加大马力工作。

　　1月21日7时15分，曾绍毅乘坐着“小火车”离开了工作了一夜的隧道。随着施工的迅速推进，乘坐小火车走出隧道的时间也越来越长，“今天用了将近16分钟，1月份可能会是一个好成绩。”曾绍毅用行进的时间推算着工作的进度。

　　而当他揉着有些疲倦的眼睛，到调度室交还安全帽时，他的设想被证实了，墙上挂着的施工进度一览表上，在月进度统计截止日期21日的位置上，调度员用红笔写了一个大大的“1111”。

　　1111米———中国TBM月掘进最好成绩，也是令世界惊叹的罕见记录，而这一成绩正是体现了石家庄铁道学院与辽宁省水利水电工程局校企结合的典范。

　　2、TBM挑战极硬岩 10分钟穿越秦岭

　　作为我国引进TBM的主要发起人之一，曾任中国铁路工程总公司副总工程师的刘春至今还记得1994年，他第一次在美国见到TBM时的感受，“我一进入隧道就彻底蒙了，TBM主机加上后配套长达200多米，人跟它比太渺小了，就像进了铁扇公主的肚子，搞不清东南西北！”在当年，刘春的感受并不是个案，课题组的成员没有几个见过这个庞然大物。

　　而等待这些TBM的国内首批“吃螃蟹”者的初次任务就是一块硬骨头———秦岭隧道。

　　秦岭隧道长18.45公里，长度居当时国内铁路隧道之首。征服秦岭决不是—件寻常的工程。秦岭历来被地质专家们称为“地质博物馆”，这个地区地形、地质构造条件十分复杂。“秦岭有些岩石抗压强度达到了325兆帕，已经接近了钢铁的硬度，可以作磨刀石。”杜彦良告诉记者。而秦岭隧道能否顺利贯通，对整个西康铁路最终何时建成起关键作用。

　　1996年10月，中国从德国维尔特公司引进两台直径8.8米的TBM全断面掘进机。机器买回来了，如何使这台庞然大物安全高速地运转起来？“请外方专家来指导，不仅技术指导费用高达400万美元，而且我们什么也学不到。”面对第一长隧、复杂地质、洋机器和工期压力，杜彦良和他课题组的同事们深感责任重大。

　　作为国内首次TBM全套技术资料翻译工作的主译，1997年的夏天在石家庄铁道学院杜立杰教授的记忆中很炎热。为了让国内的同行们尽快了解TBM的各种技术，石家庄铁道学院组织了多个学科、几十位老师开始了庞大的资料编译工作。

　　“我们仅仅用两个月时间就完成了37卷，约2千万字的编译和制作任务。”杜立杰颇有些自豪。记者近日在刘春家里的书橱中，又见到了这套丛书，刘春告诉记者，现在国内许多搞TBM的人，都是通过这套丛书开始了解全断面岩石掘进机的。

　　1997年12月，在课题组和施工单位的紧密配合下，TBM顺利地安装调试完成，终于让这个“大洋马”乖乖地钻进隧道。开始了我国首次自主TBM施工工程的新阶段。

　　在项目组的支持下，作为施工单位的铁道部隧道局和十八局在TBM施工中屡创纪录，继十八局创下月掘进509米的纪录后，隧道局连续以510米和528米刷新全国纪录。听到这个惊人的速度，维尔特公司总裁罗特斯先生专门打来电话祝贺，他说秦岭这样的岩石，TBM月掘进突破500米的速度，在欧洲也是不多见的，“实践证明，你们中国人完全有能力管好用好TBM”。

　　1999年8月，西康铁路秦岭隧道提前5年顺利完工。秦岭隧道的建成，使火车穿越秦岭的时间，从宝成铁路的10小时减少到西康铁路的10分钟。

　　3、TBM挑战长距离软弱围岩 桃花铺隧道和磨沟岭隧道，“豆腐渣”中抢进度

　　1月9日，由于到人民大会堂出席全国科学技术大会，杜彦良与刘春、杜立杰、徐明新等这些课题组的老朋友，得以在北京见面。

　　“硬碰硬不容易，硬碰软更困难。”回忆十余年的科研之路，几人一致认为桃花铺、磨沟岭隧道是整个课题的难中之难。

　　秦岭隧道的建成，在掘进机技术上，标志着我国虽然起步很晚却拥有了较高的起点。而在桃花铺隧道、磨沟岭隧道，根据实际情况，坚持采用敞开式掘进机施工，改变了国际上认为这样类型的掘进机只适用于硬岩，不适用于软弱围岩的观点，使我国在大型掘进机施工的一些领域处于了世界领先水平。

　　1999年秦岭隧道完工，为了使从德国维尔特公司引进的两台价值高达3亿多元的TBM充分发挥其作用，于是开凿西安至南京铁路磨沟岭隧道和桃花铺隧道的重任又落在了这两台岩石掘进机的“肩”上。

　　西康铁路秦岭隧道施工引进的TBM是专为硬岩掘进设计的敞开式掘进机。

　　“在国际上，软岩超过20%就要使用双护盾掘进机，而磨沟岭和桃花铺软岩超过了50%。”杜彦良告诉记者，在软弱围岩中掘进，极易产生塌方。大量的塌方会影响掘进机的通过性能而无法正常掘进。“一旦发生严重塌方，不仅将掘进机埋在隧道中，而且很可能造成整条线路的报废，国外以及我国台湾铁路建设中都曾出现过这种情况。”

　　在桃花铺隧道，由于围岩承载力不足，不能给TBM撑靴提供正常的支撑力，重达4000多吨的机械如老牛掉进了泥塘，有劲使不出来。科技人员经过反复试验，对撑靴压力的技术参数进行调整，成功实现了正常掘进，探索出了一整套机械在不良地质情况下的施工技术。德国专家称，中国在使用世界最先进的隧道施工设备中，采取的塌方处理方案是最富有成效的，最大限度地发挥了掘进机的效能。

　　在磨沟岭和桃花铺隧道建设中，课题组不仅消化创新了TBM的掘进技术，而且在TBM刀具等零部件国产化上，也取得了可喜的成绩。

　　在桃花铺隧道建设中，掘进机遭遇塌方后，开动TBM一冲，一股黑烟后，八个离合器24片摩擦片就瞬间报废，而从外商那里购买，一片要价就高达1万元。

　　为此，石家庄铁道学院孙宝臣教授开始搞摩擦片国产化的研究，经与一家科研所合作攻关，他们制造的摩擦片不仅造价只有1500元，而且很多性能都优于国外的产品。

　　“我们继续留在这里就是中国人的耻辱。”杜立杰告诉记者，这是一位外国专家在离开桃花铺施工现场前对他说的，他一直记得这句话。

　　1月18日，记者正在辽宁大伙房输水工程施工现场采访杜立杰，国外制造商代表前来和担任顾问的他沟通，指出最近出现故障的皮带机滚子轴承属于日常维护不当，不在包修范围。

　　“并非一定是我们的使用问题。”杜立杰当即向这位外方代表列举了出现引起目前问题的3种可能情况，显然对方对此颇为服气，表示可以帮助和总部沟通。

　　就在2005年年底，中铁隧道集团在印度取得了一个用TBM在印度开凿长大隧道的项目，这标志着中国的TBM技术已经得到了世界的认可。

　　□本报记者樊江涛[发自石家庄、辽宁]

　　新闻背景

　　全断面岩石掘进机史话

　　它是隧道中的“联合收割机”，所过之处，掘进、出渣运输、喷锚衬砌、铺底等诸多工序一气呵成；它将沿用了几百年打眼、放炮的隧道施工变成了工厂车间化的生产，改变了人海战术、钢钎大锤和风枪打眼以及机械台车的传统掘进方式。

　　虽然登陆互联网上的隧道建设论坛，“钻爆法和掘进机孰优？”偶尔还是会成为网友们争论的话题，但是石家庄铁道学院副院长杜彦良教授却坚信我国岩石掘进机的春天已经来临。

　　在全国科学技术大会上，石家庄铁道学院作为主研单位的“长大隧道全断面岩石掘进机掘进技术研究与应用”项目，获得国家科学技术进步奖二等奖。“这不仅标志着我国TBM掘进技术逐步走向成熟，而且也标志着国人对TBM从怀疑到接受的巨大转变。”杜彦良这样总结这次得奖的意义。

　　从上个世纪九十年代初对TBM一无所知到如今喜获国家科技进步二等奖，我国引进TBM的主要发起人之一、曾任中国铁路工程总公司副总工程师的刘春兴奋之情自不必说。

　　“TBM技术在我国从无到有的创新之路，是从秦岭隧道，到桃花铺隧道、磨沟岭隧道，再到如今的大伙房输水工程，围绕具体工程的一个个技术难题不断攻关的过程。”谈到十几年的科研之路，刘春这样概括，“当然更是从学习，到消化吸收，再到自主创新，一步一个脚印踏踏实实走出来的。”

　　文/本报记者 樊江涛

　　现场

　　TBM的“保健医生”

　　“机器得了‘病’和人一样，也要尽早治疗，以免病入膏肓，所以平时的保健检查很有必要。”1月18日，正在建设的辽宁大伙房输水工程中，从事TBM故障诊断的石家庄铁道学院的徐明新教授告诉记者，“在‘保健’方面0.5‰至1‰的投入，就能得到8%的回报。”

　　每天，徐明新都要背着TBM的“体温表”———红外线测温仪和TBM的“听诊器”———机械故障听诊器，随时检查岩石掘进机的“身体”是否有什么不适。

　　红外线测温仪可以发现某个机器部件在运行状态下，温度升高出现异常状态。由于磨擦生热，机器的发烧通常是由于润滑出现了问题，于是徐明新会开出打黄油，以改善润滑状态的药方。

　　“机器也会得咳嗽。”徐明新笑着对记者说，机器的咳嗽是指齿轮啮合时出现异常声音。用机械故障听诊器将嘈杂的声音过滤后，就能很清楚地听到齿轮啮合的声音，从而给“咳嗽”确诊。

　　当然，测体温和听诊是比较简单地检查，如有必要，徐明新还会给机器作复杂的化验，比如说———“验血”。

　　所谓“验血”，就是抽取一定量的机器用油，将这些油做成“病理切片”，通过检验它的成分，从而判断机器存在哪些方面的病症。

　　如含有小沙砾，那有可能就是密封出了问题，如治疗不及时，它很可能造成轴承的磨损;如果出现纤维，则可能是清理时，棉布的纤维落入了设备中，这些纤维很可能堵塞机器上的小孔，所以以后清理时就要注意了……

　　文/本报记者 樊江涛