造大国重器 守治黄初心

文/李银鸽 张行辉

（作者单位：黄河勘测规划设计研究院有限公司）

2019年6月18日上午，在中国工程咨询协会会长肖凤桐及百余名国内TBM工程技术领域专家、学者的共同期待和见证下，由黄河勘测规划设计研究院有限公司（以下简称黄河设计院）牵头，联合中铁工程装备集团有限公司（以下简称中铁装备）等单位自主研发而成的国内首台高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”正式下线。

在“龙岩号”发布现场的试机实验中，仅用3分钟左右，高压喷出的白色水柱就将一块极硬的花岗岩切出了一道道缝隙，最深达到11毫米，为TBM面对超硬岩石时高效作业提供了条件。

水如何成了破岩路上的“硬核担当”？企业如何成了攻关路上的“创新担当”？带着这些疑问，我们带您探访黄河设计院寻找答案。

转思路“以柔克刚” 解难题“双刀齐发”

“龙岩号”之所以备受瞩目，源于它是国内首台“水刀+滚刀”的“双刀破岩”TBM，在解决超硬岩石“破岩难、效率低”等问题方面具有重大突破，是我国装备制造领域的重大技术创新，具有完全自主知识产权，是中国制造向中国创造迈出的坚实步伐。

传统TBM是采用单纯滚刀切割破岩模式，通过滚刀挤压岩体、连续转动实现破岩，是一种“硬碰硬”的“压—剪”“剪—拉”破坏。

“‘硬碰硬’的亏我们在以往的项目中吃得太多了。一旦遇到完整性较好的坚硬岩石，滚刀贯入岩石就变得极为困难，滚刀转动数圈才能贯入岩石一毫米，掘进效率极低。而且刀具磨损严重，更换频繁，还直接影响TBM的使用寿命。”黄河设计院TBM项目技术秘书、兰州水源地项目EPC项目部副总经理杨风威说。

兰州水源地项目是兰州市委、市政府从根本上解决兰州用水安全问题的大型工程，于2015年8月开工，将刘家峡库区的优质水源通过一条地下有压输水隧洞向兰州输送。输水主隧洞最大埋深900米，最小埋深也在百米之上，平均达500米之深。承担着24千米输水主隧洞掘进任务的两台TBM是控制工期的关键工作面，也是该项目能否按既定工期目标完工的制约因素之一。

然而，TBM设备初一进场，开始试掘进期间，就被给了个“下马威”。前期掘进以花岗岩为主，围岩抗压强度较大，对刀具磨损极为严重，仅仅2千米的掘进距离，就用掉了将近500把滚刀。效率之低、成本之高，令人痛惜。每把滚刀价值3万元左右，有两三百斤重，需要几人合力才能顺利更换。施工隧洞内，因刀盘与岩石的摩擦生热，温度高达40摄氏度。施工人员光着膀子频繁地在高温中运送和安装沉重的滚刀，劳动强度大，危险程度高。

在现场考察的黄河设计院董事长张金良看到这种情景后，他对现场的设计人员说：“让工人干得这么辛苦，是我们设计人员的耻辱，一定要加快技术创新成果的转化，尽快解决硬岩掘进中刀片磨损严重、掘进效率低下等问题。”

鉴于当前高压水力切割技术的发展，“水滴石穿”变“水刀破岩”不再困难。2014年，张金良就提出了借助高压水力辅助破岩的设想，并带领团队着手破岩机理的研究。高压水力辅助破岩不再是“硬碰硬”，而是在遇到硬岩时，将高压水刀作为“先头部队”在完整的岩石上切缝，制造临空面，然后在滚刀作用下，使塑性区尽快形成，增加滚刀贯入度，实现快速岩体破碎，“以柔克刚”。同时，利用高压水流劈裂溅射作用，实现水力劈裂和滚刀联合破岩，解决超硬岩石“破岩难、效率低”等问题。这是对TBM传统破岩理念革命性的创新，具有里程碑式的意义。2016年，高压水力辅助破岩TBM刀盘获得国家实用新型专利。

从设想到理论形成是一次质的飞跃，从理论创新到实践应用更是一场重大考验。

多大的水压能切多深的缝隙？多深的缝隙最利于滚刀工作？以及如何选取合适的水力喷射压力、喷射角度、喷嘴直径等一系列的技术参数，这都必须经过大量试验才能有结论。数千次的试验后，终于得出使滚刀工作效率达到最优的岩石缝隙深度。不过，这还不算结束。“水刀”与滚刀如何耦合？滚刀作业于一条缝隙上，还是两条缝隙之间？如何将水刀搭载到TBM上？喷嘴与滚刀的相对位置如何确定等一系列的问题仍需解决。

在得到福建省龙岩市万安溪引水工程业主的支持后，黄河设计院和中铁装备联合攻关，研究人员辗转于南京、北京、郑州三地，与南京大地水刀股份有限公司合作完成水刀破岩试验，与北京工业大学共同深入进行水刀与滚刀耦合破岩试验，经过长期努力，最终促使高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”成功下线。

张金良告诉笔者：“目前来看‘龙岩号’达到了我们的预期效果，‘水刀+滚刀’的‘双刀破岩’，滚刀法向力可降低30%～40%，不仅能降低刀具耗损，提高掘进速度，还能延长TBM使用寿命，降低项目建设成本，同时，高压水力耦合破岩TBM的应用将有效拓展TBM的使用范围和发展空间。”

陕西泾河东庄水利枢纽

高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”正式下线后，随即运往龙岩市万安溪引水工程现场，进行现场组装、调试和试掘进工作，开始服务于国家重大基础设施建设，为实现国家经济社会高质量发展和打造中国品牌贡献力量。

求创新“问题导向” 见成果“整体革新”

“设计院的技术创新遵循着‘问题导向、需求引领、应用至上’的理念，是针对问题的系列创新，而不是单一技术的技术创新。”谈到TBM相关创新时，张金良说。

TBM设备引进到我国工程界以来，在基础设施建设方面发挥了重要作用，特别是当前，国家“一带一路”、西部交通建设、大型跨流域调水、跨江越海、战略储能等工程规划，为我国深埋超长隧洞工程技术发展带来了前所未有的契机，为TBM提供了广阔的应用空间。

同时，超长距离、大埋深、复杂工程地质也给TBM设备及与之适应的隧道工程设计、施工带来了更多的科学难题和技术挑战，除了面对硬岩作业艰难外，还存在着设备寿命短、卡机脱困慢、隧道内无法长距离通风等一系列问题，严重影响TBM施工效率提升。

黄河设计院长期致力于深埋长隧洞调水工程的勘察、设计、研究和施工，在研究探索和工程实践中，强化科技创新驱动，组建了上百人的TBM超高效掘进成套装备及新型围护结构关键技术研究团队，针对当前TBM面临的关键“痛点”，从TBM破岩理念、卡机预防、快速脱困、围护结构设计和施工保障等方面进行革命性创新。

工程地质问题是导致深埋长隧洞灾害频发、施工效率低的主要原因之一。根据厄瓜多尔CCS水电站、兰州市水源地建设工程TBM实践经验，以龙岩万安溪引水工程、引黄济宁工程等为依托，黄河设计院从地质勘查、预测预报、掘进控制等方面着手，开展TBM高效掘进关键工程地质问题研究。

通过研究，黄河设计院提出一套有效适应于深埋长隧洞TBM施工的勘察体系和面向掘进效率的TBM地质适宜性评价方法，为TBM选型、设备配置提供依据。提出基于岩—机交互作用的围岩精细化分类方法，结合搭载TE－TBM地震反射波法和TBM聚焦电流法的一体化超前地质预报体系，实现前方地质状况自辨识及TBM掘进参数的动态控制，实现掘进智能化，预防卡机问题出现。

护盾式TBM在深埋长隧洞施工中遭遇软岩大变形、断层破碎带等不良地质条件，时常发生卡机事故，脱困处理短则数十天，长则数月，更有甚者将TBM拆机，更换钻爆法施工，造成巨大的经济损失和工期延误。

黄河设计院通过分析护盾式TBM在掘进过程中遇到的各种卡机及脱困案例，创造性提出了具有围岩收敛变形监测系统的护盾TBM和用于隧洞掘进机的双层护盾结构，并获得国家专利授权。当围岩收敛变形速率超过预警值，监测系统自动报警，启用TBM刀盘扩挖模式，增大开挖断面，快速通过；当围岩快速收敛，挤压护盾，可利用TBM护盾“伸缩变形”功能，减小盾体直径，快速通过；当围岩出现快速收敛大变形，压紧护盾，且超过TBM自身脱困能力时，可解除内外层盾体和内外圈刀盘连接，将外层盾体弃置于卡机位置稳定围岩，内层盾体收缩，TBM后退，留出人工处理空间，待不良地质段处理完成后，TBM向前滑行，复位刀盘并安装新的外层盾体，恢复正常掘进，实现“金蝉脱壳”、快速脱困。

同时，黄河设计院还针对目前TBM隧洞围护结构存在的问题，提出一整套满足不同功能要求、适应不同水文地质条件、轻量化、施工高效的新型围护结构体系；针对豆砾石回填灌浆存在的问题，自主研发适用于高效TBM掘进的新型高性能回填砂浆，取代传统的豆砾石回填灌浆材料，并获得国家专利授权；针对超长距离隧洞TBM施工通风存在的问题，通过空压机设备性能、管道阻力损失、温升、末端出风口减压、减速设备及自动控制等方面的研究，创造性提出TBM超长距离施工通风关键技术，采用空压机和高压风管，实现小直径风管超长距离通风，全面提升TBM掘进效率和结构安全，为国家基础设施建设创造国之重器。

练本领“引领行业” 守初心“服务治黄”

这一系列的技术研究与创新并不是近些年才开始的。在问到黄河设计院做TBM超高效掘进成套装备及新型围护结构关键技术研究的缘起时，每个采访对象都提到一个所有黄河人都知道的工程——南水北调西线工程。

黄河是资源型缺水河流，缺水将成为黄河流域和相关地区经济社会可持续发展的制约因素，实施南水北调西线工程是解决缺水的根本途径。

古贤水利枢纽

凯乐塔水电站

调水工程区位于青藏高原东南部，地质条件比较复杂。该区地层主要为三叠系，多为陡倾岩层，褶皱非常强烈，活动断裂较为发育，以北西向断裂为主，大多具有明显的分段活动特征，区内多年冻土和季节冻土发育。必须采用长距离隧洞进行输水，在当前的工程技术手段中，TBM是最优选择。

20世纪70年代，国外出现TBM设备后，黄河设计院就一直在关注TBM技术的进展情况，并在南水北调西线工程的论证中采用了TBM技术。但是，TBM自身的局限性非常明显，做好卡机预防、快速脱困、围护结构设计和施工保障是将TBM应用到西线工程的必然要求。超高效TBM成套装备及新型围护结构关键技术的研究和应用为实现长距离调水工程打下了坚实的工程技术基础。

“这也是我们在繁重的生产任务中，也要抽出人力、物力和大量资金来做好TBM技术创新应用的初心和目的。”张金良说。

作为一家工程设计、工程勘察、工程咨询的综合甲级企业，黄河设计院既要为自身长远发展考虑，也要承担起相应的行业引领责任，更要为黄河治理和开发服务，这是黄河设计院的使命和安身立命的根本。

“目前我们有上百亿的存量合同，起码五年内的生存是没有问题的。” 张金良说，“但是，一家企业除了生存还要发展，不创新、不进步必然会被市场抛弃。”2019年，黄河设计院在全年工作会议上特别强调了“创新驱动发展”这一理念。

“***总书记曾说，创新从来都是九死一生，但必须有‘亦余心之所善兮，虽九死其犹未悔’的豪情。作为黄河企业，我们要敢于承担，有胆量去探索，踏踏实实去做，用技术创新引领行业发展，支撑黄河治理与开发。”张金良说。

在超高效TBM成套装备及新型围护结构关键技术研究为南水北调西线工程提供支撑以外，黄河设计院还针对黄河下游治理问题进行了一整套技术创新，提出了新时期黄河下游生态廊道建设方略；通过系统地研究高、超高、特高含沙量河流水沙运动规律，构建了整套水库泥沙设计技术，促进了古贤、东庄、马莲河水利枢纽工程论证和建设。

黄河设计院将在实战中不断革新技术，为维护黄河健康生命，促进流域人水和谐，为建设水资源空间均衡、生态环境优美的美丽中国贡献力量。