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

自20 世紀50 年代以來，隨著隧道掘進機（tunnel boring machine，簡稱TBM）滾刀、軸承、導向和動力傳導系統(tǒng)等多項技術(shù)的發(fā)展，TBM的施工效率得到了大幅提高，截止到21 世紀初，國外的TBM 施工工程已達千余項［1-2］。從20 世紀60 年代至今，我國在TBM 的研發(fā)制造上實現(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］。目前我國的掘進機制造技術(shù)還與國外有一定的差距，存在著地質(zhì)適應能力差、掘進故障率高、掘進速度慢等問題。但是，隨著我國基建事業(yè)的蓬勃發(fā)展以及國家的重點投入，中國鐵建重工集團股份有限公司、北方重工集團有限公司、中鐵工程裝備集團有限公司等公司在掘進機制造方面不斷突破創(chuàng)新，TBM 在各種復雜地質(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TBM 完整極硬巖地質(zhì)條件下高效施工問題，首先對硬巖掘進面臨的問題及典型工程進行介紹，之后回顧了當前國內(nèi)外TBM 硬巖施工所采用的輔助破巖方法，重點介紹了水射流、微波、激光、等離子體和干冰粉氣動破巖等技術(shù)的原理應用及其優(yōu)缺點?？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度大于60 MPa 的巖石判定為堅硬巖［11］，巖體完整性劃分見表1［12］；王玉杰等基于TBM 施工巖體的堅硬程度和耐磨性提出了兩類超硬巖的劃分標準：第一類劃分標準以巖石強度為依據(jù)，當巖石單軸抗壓強度（uniaxial compressive strength，簡稱UCS）超過200 MPa 判定為超硬巖（H1），第二類劃分標準以巖石強度和摩擦性為依據(jù)，當UCS 超過150 MPa 且磨蝕性（Cerchar Abrasivity Index 簡稱CAI）超過4.0時判定為超硬巖（H2）［13］；ISRM 將巖石UCS 超過250 MPa 的巖石定義為超高強度巖石［14］，當塊狀巖石UCS 為200 MPa 時，可能存在難貫入問題，當節(jié)理間距超過1 m 即為完整巖體［15］。通常情況下TBM 適用的最佳掘進巖石強度介于30～150 MPa 之間［2］，當UCS 超過150 MPa且節(jié)理不發(fā)育時，滾刀會加劇磨損，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驗室建設(shè)等一系列硬巖和極硬巖工程的相繼開展，極硬巖隧道掘進也逐漸引起了國內(nèi)學者的關(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)于高強度巖體TBM 施工的問題總結(jié)歸納主要為以下幾點。

表2 TBM 硬巖和極硬巖開挖典型工程（不完全統(tǒng)計）［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，掘進速度慢

TBM 隧道開挖中，巖體強度對貫入度影響效果顯著，為了明確TBM 掘進速度與巖石強度的關(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—巖石單軸抗壓強度。通過上式可以看出巖體強度和貫入度呈反比例關(guān)系。

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

陜西引漢濟渭工程秦嶺引水隧洞嶺南TBM 標段于2015 年2 月開始試掘進，施工巖體抗壓強度介于96.7～242 MPa 間，大部分巖體抗壓強度超過160 MPa［7］，CAI 平均3.35［35］，致使在開工一年內(nèi)僅掘進1.9 km?，F(xiàn)場施工數(shù)據(jù)顯示，當巖石抗壓強度為120 MPa 時，平均掘進速度為2.4 m·h-1；當抗壓強度為160 MPa 時，掘進速度為1.2 m·h-1；而當抗壓強度超過200 MPa，掘進速度僅為0.6 m·h-1［7］。圖1 給出了我國不同隧道工程的掘進速度與圍巖強度關(guān)系，可以看出隨著巖石單軸抗壓強度的增加，掘進速度呈降低趨勢。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度最高達200 MPa 的地段［23，36］，最低掘進速度僅為0.36 m·h-1。

圖1 掘進速度與圍巖強度關(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度最高270 MPa，掘進速度介于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，巖石單軸抗壓強度介于180～200 MPa 之間，巖體完整節(jié)理不發(fā)育，掘進速度為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度最高達200 MPa，通過現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當巖石強度高于150 MPa時，掘進速度小于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，由于開挖巖體強度過高，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 刀具磨損嚴重，降低TBM 利用率

巖石強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用大約占施工成本1/3［35］，極硬巖地層中這一比例還會增加。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CAI 值大于2.0 時，巖體的高耐磨性將會給TBM 掘進造成嚴重影響［42］；此外典型的TBM 性能預測模型NUTU 模型和CSM 模型中也將這一指標考慮在內(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，目前主要從兩個角度考慮［34-35，46］：（1）基于TBM 機械性能，建立滾刀磨損預測模型，掌握磨損規(guī)律，明確磨損機理，優(yōu)化掘進參數(shù)（刀盤推力、轉(zhuǎn)速等），改進滾刀參數(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性質(zhì)，增加巖體裂隙，降低巖體強度，例如引漢濟渭秦嶺引水隧洞中，利用熱能-機械能耦合作用，嘗試利用微波、等離子體和火焰炬等技術(shù)手段降低巖體強度，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)備維護時間，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度較高，平均每把滾刀破巖37.3 m3［20］，當開挖1 416 m 時，便已更換刀圈385 個；引漢濟渭引水隧洞由于強度過高，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 個月，查刀換刀時間占掘進總施工時間的19.2 %［17］。

當巖體磨蝕性指數(shù)CAI 值過高時，刀圈磨損不僅增加了施工的經(jīng)濟成本，此外需要經(jīng)常進行停機查刀，防止“零號病刀”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)動負載增加，壽命降低

當TBM 在極硬巖中挖掘時，即使以較低的貫入度進行開挖，其所需推力也已經(jīng)很大，設(shè)備振動劇烈，這就使刀盤、主軸承和主驅(qū)動等設(shè)備負載增加，且相對一般巖體，其掘進相同距離的轉(zhuǎn)動次數(shù)顯著增加，進而可能導致主軸承故障停機，降低掘進機使用壽命。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)濟損失高達數(shù)千萬元。

1.4 巖 爆

1991 年，Stacey 等［52］發(fā)現(xiàn)當?shù)貞_到巖石單軸抗壓強度的85 %時，便可能發(fā)生巖爆；此外，相較于鉆爆開挖，機械開挖更易導致巖爆。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爆頻率隨著巖體強度的增加而增加［53］。1994 年，Ortlepp等［54］根據(jù)機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變導致的巖爆，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，巖石碎片會攜帶巨大的能量對刀頭、刀盤和皮帶機等設(shè)備造成損壞，甚至可能會對工作人員造成危害［55-56］。

1969 年，美國愛達華州的Star 金礦開挖至地下2 310 m 時，刀具受力已遠超其承載能力，此時應力誘發(fā)了極其嚴重的巖爆［57-58］。在國內(nèi)，天生橋二級水電站引水隧洞埋深為400～760 m，現(xiàn)場測量地應力達21 MPa，巖爆應力系數(shù)為3，在灰?guī)r洞段開挖過程中發(fā)生了較多中弱等級的巖爆，局部地段發(fā)生強烈?guī)r爆；據(jù)現(xiàn)場施工統(tǒng)計，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)生極強巖爆，導致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，當前可以采用微震監(jiān)測和應變監(jiān)測等手段預測巖爆，通過鉆孔爆破、鉆孔泄壓和底板切槽等方法進行應力釋放，同時隧道開挖后及時支護以抵擋巖爆沖擊，通過以上手段可以在一定程度上降低巖爆的風險水平和強度［30，63］，例如在秦嶺隧道施工過程中，技術(shù)人員利用分級巖爆防護技術(shù)成功穿越10 km 巖爆洞段，并在第二掘進段中穿越了2 km 連續(xù)強巖爆洞段［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 的前進方向與計劃線路相切，掘進過程容易發(fā)生偏移［65］；由于巖石完整堅硬造成滾刀磨損加劇，一旦邊刀換刀不及時，便會發(fā)生開挖直徑偏小，致使出現(xiàn)護盾難以安裝等問題。

2 輔助破巖方法研究進展

當前巖體開挖的主要方式仍然是爆破開挖和機械開挖，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，但其機械化程度低，圍巖擾動大，開挖范圍難控制；之后機械破巖法得以快速發(fā)展，在隧道開挖、煤礦開采等領(lǐng)域成功應用，但機械破巖面對高強度巖體時貫入度低、刀具磨損程度高，大大降低了機械開挖的效率，增加了施工成本。對于上述兩種破巖方法的局限性，近幾十年出現(xiàn)了許多非機具破巖方法，用以部分代替或輔助機械進行巖體開挖，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)尚未得到大范圍應用，仍處在技術(shù)探索階段［66-69］。

針對上文提及的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，除了對掘進機性能進行改進外，另一個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性能［30，70］，且裂隙間距、裂隙數(shù)量等對滾刀碎巖難易程度影響顯著［71-73］，因此，基于增加巖體內(nèi)部缺陷進而降低巖體完整性和強度的目的，提出的新型破巖方法可以在完整硬巖地質(zhì)條件下進行巖體破碎，提高后續(xù)TBM 的掘進效率。

2.1 水射流法輔助破巖

20 世紀60 年代，水射流技術(shù)開始被應用于采石場巖體切割。由于機械破巖在硬巖段的開挖困難，因此從20 世紀70 年代初開始水射流技術(shù)逐漸被應用到礦山、隧道開挖以及石油鉆探等領(lǐng)域，輔助機械設(shè)備進行破巖切割［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、數(shù)值模擬和現(xiàn)場掘進試驗三種方式。室內(nèi)試驗方面，F(xiàn)enn 等［82］在254 MPa 的蘇長巖上進行5～40 MPa 的水射流輔助破巖，試驗形式如圖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 %的滾動力和推力。Ciccu 等［83］在卡利亞里實驗室對火山巖（單軸抗壓強度44 MPa）進行150 MPa 磨料水射流輔助機械破巖試驗，試驗結(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］對高壓水射流切割后的巖體試樣進行了室內(nèi)貫入試驗，研究了水射流切縫間距和切縫深度對滾刀受力以及巖體破壞機制的影響，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；當切縫深度不超過18.4 mm 時，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］進行了磨料水射流輔助與無輔助滾刀破巖試驗，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 水射流切縫貫入實驗比能變化［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驗采用PFC3D 進行數(shù)值模擬，揭示了水力切縫滾刀破巖機制，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 對全尺度滾刀-水射流耦合破巖進行了數(shù)值模擬，分別針對共軌破巖和錯軌破巖建立了數(shù)值模型，研究結(jié)果表明：高移速水射流共軌破巖中，水射流預切縫對滾刀貫入荷載影響并不明顯，而預切縫的存在限制了密實核的形成和裂隙的貫通；高移速水射流錯軌破巖中，水射流預切縫深度較淺，對滾刀破巖的輔助作用并不明顯。

現(xiàn)場試驗方面，Wang 等［88］通過水射流輔助TBM 現(xiàn)場掘進實驗測得，當現(xiàn)場掘進段的花崗巖強度介于159～262 MPa 之間，通過345 MPa的高壓水輔助破巖使得掘進效率提升40 %～48 %。2019 年，我國首臺集成高壓水射流系統(tǒng)的TBM“龍巖號”成功落地，并被應用到福建萬安溪引水工程中，其配備有8 臺高壓泵，最高水壓可達280 MPa，如圖7 所示。張金良等［89］依托現(xiàn)場施工平臺，進行了一系列水射流破巖試驗研究，現(xiàn)場試驗結(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?shù)侗P轉(zhuǎn)速過快時，導致噴嘴移動線速度過大，切縫深度較淺，輔助破巖效果并不明顯，當水壓保持270 MPa，刀頭轉(zhuǎn)速為6 r·min-1時，此時破巖效率最高。此外，在引漢濟渭工程極硬巖地質(zhì)段開挖過程中，現(xiàn)場進行了高壓水射流系統(tǒng)的安裝與試驗，同時自主研發(fā)了螺旋步進式孔內(nèi)高壓水射流破巖裝置［17］，如圖8 所示，但相關(guān)文獻中并未對現(xiàn)場應用情況進行過多敘述。

圖7 “龍巖號”掘進機Fig.7 “LongYan” TBM

圖8 螺旋步進式孔內(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，仍未得到廣泛應用，歸結(jié)其現(xiàn)存問題，主要有以下幾點［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

微波輔助機械破巖技術(shù)是指利用微波對巖體加熱，增加內(nèi)部缺陷，降低巖體強度，后續(xù)配合機械開挖，以減小刀具的磨損，提高掘進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，當前我國工業(yè)和民用上主要應用915 和2 450 MHz 兩種頻率的微波［92］。微波作用原理為：當巖石置于電磁場環(huán)境中，巖體內(nèi)部的電介質(zhì)分子由雜亂無章的運動轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蚺帕?，這一現(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運動，在高頻且極快速的運動中巖體內(nèi)部分子產(chǎn)生類似摩擦生熱，進而導致巖體溫度升高，水分蒸發(fā)，礦物分解膨脹，巖體內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，裂隙擴展并產(chǎn)生新裂隙，最終導致巖體強度下降［93］。

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

微波加熱具有穿透性?；谖⒉訜嵩?，微波能夠直接讓整個物體同時加熱，達到內(nèi)外溫度均勻，省去傳統(tǒng)加熱的熱傳導時間，避免能量損耗。微波加熱的穿透深度D一般通過式（2）計算［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。當利用2 450 MHz 對巖石進行微波加熱，微波波長為12.2 cm 時，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。微波加熱只對介電材料作用，因此材料種類的不同對微波加熱的敏感度也不同。通常根據(jù)材料對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，對微波的敏感性也不同，因此微波照射時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—電場強度。

關(guān)于微波輔助機械破巖的應用，俄羅斯學者Gushchin 等［96-97］研發(fā)了一種電-熱-機械的掘進機，該掘進機在純機械、電熱模式和電熱機組合模式下進行掘進速度對比，結(jié)果表明：在純機械模式下，只開挖工作面的40 %，掘進速度為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；在電熱機組合模式下，掘進速度介于0.7～0.8 m·h-1之間，能耗介于60～75 kW·h·m-3之間，粉塵量相較于純機械模式降低20 %～30 %。在我國的引漢濟渭工程中，劉曉麗等［17］進行了現(xiàn)場采樣，并開展了相關(guān)試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)嶺南洞段巖石對微波加熱并不敏感，可以采用中心鉆孔將極性物質(zhì)裝入孔內(nèi)，進而提升掌子面整體對微波的熱敏感性；此外，還設(shè)計了配備有微波設(shè)備的TBM 刀盤，如圖9 所示。盧高明［98］在白鶴灘水電站進行了現(xiàn)場3、5 和10 kW 的微波試驗，通過現(xiàn)場試驗觀察，當采用3 kW 微波功率長時間照射孔壁后，孔壁發(fā)生局部熔化，顏色被輻射成黃褐色；當采用10 kW 功率時，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］對玄武巖進行微波加熱，加熱后試件進行全尺寸線性切割試驗，研究結(jié)果表明：巖石試樣溫度隨著微波照射的時間而增加，且微波照射時間越長，滾刀破巖效果越明顯，滾刀垂直力和滾動力隨著照射時間線性降低，破巖比能隨曝光時間呈指數(shù)減小，見圖10。

圖9 TBM 三維微波系統(tǒng)搭載設(shè)計［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、加熱時間和加熱范圍等參數(shù)易于控制，但未來大范圍應用于輔助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，以及微波功率需進一步提升，現(xiàn)場能量損失問題；

2）與現(xiàn)場實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）對微波輻射弱化巖石的影響規(guī)律及機理研究；

4）地應力等環(huán)境因素對微波輔助破巖的影響研究；

5）照射路徑、時間和范圍等因素對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渣清除［100-102］。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）兩因素為變量對激光輔助破巖進行室內(nèi)滾刀侵入試驗研究，試驗結(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］對花崗巖試件進行了不同激光照射參數(shù)下的破巖試驗，試驗結(jié)果表明：激光照射后巖石試樣的抗壓強度最大下降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］對經(jīng)過不同時間和不同功率激光照射后的巖石試樣進行直接拉伸試驗，試驗結(jié)果表明：高能激光束能顯著降低巖石的抗拉強度，且激光功率比照射時間對巖石的損傷影響更為顯著；此外，基于四維晶格彈簧模型（4DLSM）對單滾刀破巖進行了數(shù)值模擬，如圖12a所示，并針對已建立的數(shù)值模型，提出了一種激光輔助TBM掘進的新概念（圖12b），可以根據(jù)已完成的單滾刀數(shù)值模擬研究對整體TBM 掘進效率進行預測。Zhang等［109］為了實現(xiàn)激光輔助滾刀破巖的數(shù)值模擬研究，將整個過程分為兩步：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測激光破巖損傷，激光破巖模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比，如圖13所示；第2步在HyperMesh中重新建立第一步已經(jīng)預測完損傷裂隙的巖樣模型，并導入到ANSYS/LS-DYNA 進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 試驗與模擬結(jié)果對照圖［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可控、高效率低能耗和環(huán)保等特點，但在TBM 隧道開挖工程中應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、照射方式和照射時間等參數(shù)；

2）激光的安全使用問題，激光工作時，巖體表面溫度高達幾千度，如何實現(xiàn)TBM 和開挖掌子面降溫將是一個挑戰(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)的力學效應對巖石進行破碎［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械力對巖石進行破碎，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，進行電破巖時，將電極與巖石表面接觸，等離子通道存在于巖石內(nèi)部，放電過程中會在通道內(nèi)進行加熱，等離子通道受熱膨脹，產(chǎn)生應力波，最終導致巖石破碎［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)、高壓電脈沖上升時間有關(guān)。如圖15 例所示，當脈沖電壓上升時間小于500 ns 時，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；而當脈沖電壓上升時間大于500 ns 時，此時水先于固體被擊穿，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-脈沖電壓上升時間關(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)礦山硬巖巷道掘進中應用了等離子體技術(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場實踐發(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等離子體破巖影響效果也較為明顯，例如，當巖石中含有較多的鈉、鐵鎂礦、方解石和云母等礦物質(zhì)時，破巖效率較低。

不同于礦產(chǎn)開采，TBM 全斷面隧道掘進中等離子體輔助破巖的主要作用為切割作用，通過較低的能耗對硬巖段進行人造裂隙，降低巖體完整性和強度，進而提高TBM 掘進效率。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)條件下進行使用；

2）破碎機理尚未統(tǒng)一，破巖影響參數(shù)尚不明確，需進一步明確放電參數(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，對設(shè)備耐久性和安全性要求較高；此外需要進一步研制低波阻抗脈沖傳輸線，提升能量傳輸效率。

2.5 干冰粉氣動破巖

19 世紀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不易運輸儲存，且膨脹管材料只能在尾部泄放［118］。針對液態(tài)CO2存在的問題，Hu 等［119-122］提出了一種干冰粉氣動破巖技術(shù)，相較于液態(tài)CO2氣動破巖，干冰粉氣動破巖操作簡單、材料安全，而且破巖振動較小、無污染。

干冰粉氣動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。進行破巖時，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，進而導致干冰粉汽化，致裂器壓力瞬時提高，并從外殼預制薄弱處發(fā)生破裂，氣體噴出，實現(xiàn)定向破巖。圖16 中加熱棒可以根據(jù)現(xiàn)場情況提前進行干冰粉液化處理。

Hu 等［118-119，124］對于新提出的干冰粉氣動壓裂新技術(shù)進行了混凝土壓裂實驗，探究了干冰粉與CO2聚能劑質(zhì)量比對混凝土壓裂效果的影響，并基于尖點突變理論建立了碎塊尺寸和應變率的關(guān)系，經(jīng)驗證，理論計算值與實驗結(jié)果具有一致性。駱峻偉等［123］將該技術(shù)應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)破巖振動極小，且無拋擲現(xiàn)象，但破巖塊度較大，需進行二次破碎。葉武等［125］將干冰粉氣動破巖與機械破巖進行施工對比分析，現(xiàn)場結(jié)果表明：干冰粉氣動破巖噪聲振動更小，破巖效率為機械破巖的4 倍，經(jīng)濟費用與機械破巖持平，但同樣問題是破巖塊度較大，需進行二次破碎。

綜上所述，當前干冰粉氣動破巖技術(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TBM 隧道掌子面進行預裂破巖，提高硬巖隧道的掘進效率。

2.6 各種輔助破巖方法對比分析

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。

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

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

1）TBM 在完整極硬巖中開挖通常會出現(xiàn)掘進速度慢、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一步解決；微波輔助破巖技術(shù)主要是利用熱能對巖石進行破碎，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破巖主要是對完整硬巖進行切割，生成新裂隙降低巖體完整性和巖體強度，但激光破巖參數(shù)還需進一步研究，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)主要是運用電破碎對巖石進行破碎，對巖體性質(zhì)和硬度有較高要求，使用條件受限；新發(fā)展的干冰粉氣動破巖技術(shù)目前并未應用到隧道工程中，但其開挖擾動小、操作簡單，未來可以考慮使用此方法進行硬巖掌子面預裂；

3）本文對鉆爆法、超聲波法等多項技術(shù)進行了輔助TBM 破巖探討，各項技術(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)能實現(xiàn)較高自動化的硬巖隧道開挖，發(fā)展前景較好，但技術(shù)水平需進一步提高；而鉆爆法、鉆孔劈裂法和干冰粉氣動破巖等方法技術(shù)較為成熟，但機械化程度較低，需進行人工操作，當前階段使用此類方法更為可靠有效。