深埋长距离隧洞极硬岩掘进施工是岩石力学与深地工程领域面临的世界性难题^[1-2]。秦岭深埋引水隧洞工程最具代表性^[3-4]，隧洞全长81.779 km，采用隧洞掘进机(tunneling boring machine, TBM)和钻爆法进行施工，其中，岭北钻爆法施工16.615 km、岭南钻爆法施工26.143 km、岭南TBM施工19.352 km、岭北TBM施工19.669 km，TBM施工由岭北和岭南双向掘进，如图 1所示。然而，引汉济渭工程秦岭输水隧洞掘进工程始终面临地质体“三高”特征^[5-6]，即高围岩强度、高石英含量和高地应力。据了解，岭南TBM标段自2015年2月试掘进以来，12个月工期时间内仅完成了1.9 km施工任务，月平均进尺不足170 m，严重制约隧洞工程进度。

TBM滚刀位置^[7]、开机参数^[8]和地质条件^[9]等因素直接影响着隧道掘进效率，优化滚刀位置设计、调整掘进参数和地质等大量的基础准备工作均需要在隧道掘进施工前完成。判断滚刀磨损生命周期成为TBM高效掘进的重要研究工作^[10-12]，秦银平等^[12]现场开展了TBM滚刀磨损跟踪试验，提出了滚刀磨损速率的理论预测模型。因此，在无法提高滚刀工期寿命的客观现实条件下，如何诱导掌子面岩体强度劣化成为TBM高效掘进的突破点。近些年来，诸多专家和工程师致力于探索热能破岩的有效方式，微波和等离子体等成为热能破岩领域最为前沿的课题^[13-16]。油气钻井领域在国内较早涉及微波和等离子体破岩技术，诸多成果主要采用电极钻头和电解液实现热能钻井技术；金属矿岩和矿物加工主要利用矿物微波效应的差异性进行破碎和分选；隧道TBM掘进方面主要以室内实验和数值计算为主，工业微波应用主要以点功率集成为主，点源式大功率微波发生器搭载技术未见相关报道。

为了解决引汉济渭深埋引水隧洞极硬岩TBM施工难的问题，本文在探讨微波、等离子体和火焰炬等热能破岩方式的基础上，结合超强水力割缝和超强劈裂破岩技术，提出了热能-水力-劈裂-机械耦合破岩技术，开展了微波破岩现场试验、等离子体破岩数值计算及相关搭载设计研究，并针对不同工况条件下应采用何种方式提出了建议。建议采用多种破岩方式^[17-33]，尽管不同辅助破岩技术应用具有局限性，但在考虑客观施工环境和工效比的前提下，多种辅助破岩方法仍然值得借鉴，这对保障陕西省引汉济渭引水隧洞极硬岩洞段TBM高效施工具有重要技术指导意义。

1 隧洞地质条件及掘进施工概况 1.1 深埋引水隧洞工程地质条件

引汉济渭深埋引水隧洞是我国首例穿越秦岭山脉的重大工程。追溯地质构造演化历史，北秦岭地处秦岭造山带的北部边缘，南缘为商丹缝合带(或商丹断裂带)，北侧为栾川断裂带^[34]，构造演化历史表明存在大规模岩浆活动、区域变质作用以及强烈构造变形。地质区域内构造发育，沿线地层岩性极为复杂，岭北区域岩性以变质岩、千枚岩(夹变砂岩)为主，局部区段以碳质千枚岩、角闪石英片岩等居多，属于中硬岩(普氏系数f=3~6)。岭南TBM施工区段主要为花岗岩和闪长岩；岭北TBM施工区段岩性变化丰富，主要为变砂岩、片岩、花岗岩和闪长岩等，整个隧洞工程区域内发育形成3条区域性大断层及其4条次一级断层，33条一般性断层(见图 1)。断层构造主要为压性或压扭性，走向与洞线大角度斜交，断层带内主要为碎裂岩、糜棱岩、断层角砾岩和断层泥砾(见图 2)，岩体较为破碎，透水性强。

1.2 深埋引水隧洞TBM施工进展

陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞项目于2015年2月28日开始试掘进，主要受高磨蚀极硬岩掘进、岩爆、突涌水和局部坍塌等不良地质影响，截至2019年7月6日，隧洞掘进历时1 589 d，TBM累计完成9 024.7 m，平均每月推进距离仅为170.5 m，推进距离最高月份可达483.7 m，平均掘进速度为1.17 m/h，单循环1.8 m所用时间92 min。图 3统计了2015年3月—2019年2月，TBM隧洞项目施工进度，每月进尺受突水、岩爆和极硬岩影响显著，统计分析工序影响因素所占时间比例，如表 1所示。已掘进洞段的岩石干燥单轴抗压强度最小为107 MPa，最大为275 MPa。

岭南TBM采用美国ROBBINS设计制造的敞开式MB266-395进行施工作业，开挖直径Φ为8 050 mm，整机长度达317 m、重量为1 400 t，其中主机长度为25 m，设备桥长度为55 m，后配套长度为237 m。由于围岩强度高，石英含量高(平均达74%)，超过常规花岗岩地段25%~30%，通过岩石磨蚀伺服试验仪测试得到花岗岩磨蚀性能指标(CAI)平均为0.335 mm ^[35]，CAI指标最高可达0.571 mm。图 4所示为岭南TBM施工隧洞、西康线秦岭隧道和中天山隧道施工过程中岩石UCS和每小时掘进进尺的关系统计，表明秦岭隧洞施工效率低、施工难度极大。隧洞掘进施工过程中，TBM刀盘刀具磨损严重，主要表现有：刀圈崩刃、断裂、偏磨，刀盘铲齿座变形，V形耐磨块、挡渣板和耐磨条磨损脱落等，如图 5所示。刀具更换频繁，检查刀盘和换刀时间占总施工时间的19.2% (见表 1)，延米消耗刀具达到0.7~0.8把/m。为了尽可能提高TBM掘进工效，分析已掘洞段开机参数，总结得出如表 2所列的一套相对高效且有利于硬岩洞段TBM掘进参数。

2 极硬岩TBM掘进及辅助破岩技术 2.1 微波辅助破岩技术及TBM搭载设计

微波辅助TBM破岩技术是机械-热能耦合破岩的典型代表，也是目前最为前沿的TBM高效掘进课题的技术热点。微波破岩原理是根据岩石内部矿物对微波介电反应差异性，诱导岩石裂纹产生及强度降低。为了探究微波辅助破岩技术在引汉济渭隧洞施工应用的可行性，现场采集岩样并开展了相关试验研究，图 6所示为采用2.45 GHz、6 kW微波设备对岭南掌子面岩样进行靶向照射，并对比了混凝土试验结果，研究表明：1) 薄片试验结果揭示了岭南段花岗岩含有12%斜长石、35%碱性长石、40%石英、2%白云母和8%黑云母，碳含量极性物质较少(见图 7)；2) 微波靶向辐射为6 kW、照射2 min后岩样靶向位置最高温度达37 ℃，表明升温速率较低、对微波不敏感、介电损耗偏低且微波弱化效果不显著，这仅说明目前岭南洞段位置极硬岩矿物成分不具有微波弱化效应，但考虑到岭北其他洞段岩性差异性，必然存在适宜使用微波辅助破岩的工程标段；3) 混凝土试件对微波反应强烈，微波靶向辐射6 kW、照射1 min后，靶向位置出现了固体颗粒流化现象，局部剥落出现剥坑，表面最高温度达330 ℃，这是由于混凝土试件内部含有对微波弱化效应敏感的极性含碳物质；4) 考虑增强岭南洞段围岩的微波弱化效应，建议在掌子面中心轴位置，采用水磨钻取孔φ=12 mm、孔深1 m，装填石墨粉等高碳含量极性物质，进行水泥等高强度封孔，然后再进行微波照射，从内部增强岩石的微波弱化效应，相关研究工作将进一步开展。

综上所述，有必要考虑在TBM刀盘位置搭载微波设备，本文结合岭南和岭北TBM掌子面作业环境，初步设计了型号为SAIREM GMP G460 K-2 450 MHz微波设备搭载TBM刀盘的现场设计方案(如图 8所示)，在5处刀槽位置安装5 cm×10 cm尺寸的直型波导，同时设计刀盘中心转轴波导(可考虑变径)，并采用波导旋转关节实现微波源与中心轴变径波导的连接，微波源置于旋转关节后方，采用防尘密封、恒温干燥和隔震的保护柜存放微波电源和发生器，然后通过电脑终端控制微波源信号输出，主机水冷系统采用内循环，这里需要考虑的是波导损耗问题，建议采用镀银材料波导减少损耗。同时，微波设备搭载后应考虑在适宜岩性洞段作为单个工序进行独立作业，即先进行微波照射，后开启TBM滚刀破岩。

2.2 等离子体辅助破岩技术及TBM工艺优化

高压电脉冲对岩石的物化作用机制主要分为6种类型，包括电子运动、电力学、电弧、热能、电化学和内部放电，其中电子运动是改变岩石矿物内在晶格结构的主因，电力学作用能够产生千兆级应力，而热能作用诱导岩石高温熔化，通常采用如图 9所示的高压电脉冲放电电路对岩石进行破碎，其内在不同机制和效果如表 3所列。超高压电脉冲发生装置才能够产生热力学破岩效果，采用COMSOL数值仿真岩石受电力和热能的响应效果，计算参数如表 4所列，计算岩体模型尺寸为15 m×4 m，如图 10所示模拟等离子体流动电场如图 11所示，高密度电场2.5×10⁵ V/m对花岗岩产生热能最大温度3×10⁴ K(见图 12)，最大电力学作用1.2×10¹⁴ Pa(见图 13)。因此，高压电脉冲产生等离子体破岩的内在机制主要是热能作用和电力学作用，实现等离子体破岩在隧洞工程的应用，客观考虑现有TBM隧洞施工技术的可行性，以刀盘滚刀作为等离子体电极，研发热能-机械耦合破岩的TBM搭载高压电脉冲装置新技术。

2.3 火焰炬辅助破岩技术及TBM工艺优化

数控火焰切割技术主要用于钢结构切割制作板材，切割气体常用乙炔、丙烷和液化气等。石材料强度与钢材强度力学性能具有差异性，但热熔性较为相似。标准大气压条件下碳钢的熔点通常在1 300~ 1 400 ℃，干燥花岗岩热熔温度是1 215~1 260 ℃，花岗岩含水状态下熔点显著降低，kPa级压力作用下熔点降低至650 ℃，图 14a所示为热熔态花岗岩。采用旋转式火焰炬对掌子面岩体进行加热，如图 14b所示火焰炬加热设计方案，假设热熔引起岩石损伤因子为D_T，热熔态岩石强度与初始强度的关系如式(1)和(2)所示：

$ \begin{gathered} D_{\mathrm{T}}=1-\frac{E_{\mathrm{T}}}{E_{0}}, \end{gathered} $

(1)

$ \sigma_{\mathrm{T}}=\sigma_{0}\left(1-D_{\mathrm{T}}\right) . $

(2)

其中：E₀为岩石初始弹性模量，MPa；E_T为岩石热熔态弹性模量，MPa。那么岩石热损伤因子D_T趋于1，也就是说岩石热熔态强度σ_T远小于初始强度D_T，采用火焰炬切割技术能够有效诱导岩石强度劣化，这里需要考虑的是掌子面岩体火焰炬切割和加热过程中热场屏蔽的问题。引汉济渭隧洞工程岭南和岭北掌子面温度大于40 ℃，日掘进最小进尺3 m/d，TBM剩余洞段遇到极硬岩高磨损，且持续性每日进尺小于1.0 m/d的工况，可考虑在人工降温和热屏蔽前提下，采用火焰炬切割技术辅助TBM设备破岩，能够辅助提高TBM破岩效率。

2.4 超高压水射流破岩技术及TBM搭载设计

超高压水射流技术是将水加压至250~400 MPa后，通过内孔径约0.15~0.35 mm喷嘴形成流速大于800 m/s的喷射流，工业应用方面主要用于金属表面除漆除锈，土木工程应用于钢筋混凝土结构分离，采矿工程应用于煤巷掘进和工作面辅助割煤。隧道施工领域方面，已实现在TBM直径为3.8 m的刀盘搭载高压水力耦合破岩装置，有效地提高了滚刀在掌子面岩体的贯入度。陕西省引汉济渭隧洞工程采用美国ROBBINS敞开式TBM(MB266-395)施工，现场测量单把刀槽位置空隙大小20 cm×16 cm，具备高压水射流喷嘴安装与防护条件，设计安装高压水射流喷嘴在刀盘不同位置共6处，平面旋转形成如图 15所示的轨线。同时，为了考虑高压水射流对极硬岩掌子面的破岩效果，采用水磨钻机对掌子面中心取直径120 mm和孔深1 m钻孔，自主设计研发螺旋步进式孔内高压水射流破岩装置，通过螺纹空心丝杆连接增压泵，将丝杆滑座固定于掌子面中心钻孔位置，通过旋转螺纹丝杆控制水射流喷嘴在孔内进行螺旋式割缝，超高压水射流破岩方式分为平面旋转割缝和孔内螺旋式割缝(见图 15)。

2.5 钻孔超强劈裂破岩技术及TBM工艺优化

岩石抗拉强度远远小于其抗压强度，鉴于这一特点，考虑从掌子面岩体进行超高拉应力进行劈裂。TBM掌子面刀盘设有进人入口，在掌子面岩石强度大于300 MPa工况下，可选择采用水磨钻机或者冲击电锤在岩壁底端施工起裂孔10个，孔深1.2 m，孔径20~120 mm均可，如图 16所示。同时设计施工孔径115~120 mm的劈裂孔，使用能够产生超高拉应力的液压劈裂棒，按照台阶法分段劈裂掌子面岩体，由于超强劈裂棒实际能够产生拉应力，大小约为3.0×10⁴ kN，按照台阶高度为2 m进行施工，为了便于配合TBM刀盘空间和方便施工，选用体积尺寸较小的110型液压劈裂棒，通过改装TBM液压系统实现驱动控制，液压劈裂棒的主要性能参数如表 5所列。钻孔超强劈裂破岩方法同样适用于掌子面岩石强度超过400 MPa和刀盘磨损量较大的极硬岩洞段，将超强劈裂破岩方法引入辅助TBM连续破岩工艺，实现极硬岩条件下隧洞TBM高效施工掘进。

3 结论

引汉济渭深埋引水隧洞工程极硬岩TBM掘进施工难度极大，为了解决极硬岩和高石英含量围岩条件下TBM刀盘磨损严重、换刀频繁和掘进效率低的问题，基于TBM掘进施工前提下，提出了微波、等离子体、火焰炬、超高压水射流和钻孔超强劈裂共5种辅助破岩方法，开展了相关数值模拟、现场试验和搭载设计，并针对引汉济渭工程深埋引水隧洞极硬岩掘进施工难题和多种辅助破岩技术进行了对比(如表 6所示)，并取得了如下结论：

1) 秦岭深埋引水隧洞岭南TBM掌子面岩石强度目前大于300 MPa，平均每日进尺小于3 m，现场试验花岗岩的微波效应不明显，主要与花岗岩中黑色极性矿物粒径小、含量少有关，可考虑在花岗岩中钻孔放入石墨等极性材料，待进一步开展有关微波试验研究。此外，本文提出了TBM刀盘搭载微波设备的设计方案，能够有效解决微波发生器的震动防护问题。

2) 等离子体破岩内在机制主要是电力学和热能作用，数值计算表明高密度电场2.5×10⁵ V/m作用下花岗岩热能场温度可达3×10⁴ K，劈裂力大小为1.2×10¹⁴ Pa，等离子体破岩效果显著，但等离子体辅助破岩工艺需要依赖500 kV以上高压电和极性电极，搭载和改装设计方案亟待突破。

3) 提出了螺旋式和平面式超高压水射流破岩方法，增大TBM掌子面滚刀的贯入度，实现了钻孔水力割缝对岩体内部结构的改造作用。钻孔超强劈裂破岩方法是在钻孔内部产生超强拉应力劈裂岩石，此方法适用于掌子面岩石强度大于400 MPa、掌子面每日进尺小于1 m的工况。