________________ 一条在深处穿越海峡的大型海底公路隧道、一条穿越复杂山脉地形的铁路隧道，一条在湖底极端高压下建设的引水隧道：机械化隧道掘进正攀登上以前看似不可企及的高度。与承建单位、项目业主的诚挚合作有益于使我们的机械技术不断创新突破。隧道建设领域的进步其中也归功于对深海潜水的成功借鉴。

"这不可能！"——在其反面得以证实之前，这句话总是无可反驳。而恰恰对于工程行业而言：界限是激励和促进，绝非限制。更大、更快、更深、更远——同时要更加安全。这就是机械化隧道掘进的格言。

________________ 名副其实的工程技术挑战首先在于深度。在极端压力的地质条件下，地层、通过裂隙渗透过来的海水或者河水以及其他一些异常情况都会影响隧道掘进进程。在地质条件极为苛刻的隧道掘进项目中如何取得成功，可从米德湖底引水隧道案例中看出端倪。

这一美利坚合众国最大的水库就像一枚闪亮的蓝色钻石，坐落于拉斯维加斯东南约50公里，内华达州与亚利桑那州交界之处的沙漠中心。1935年完工的胡佛水坝在这里拦蓄科罗拉多河：长达170千米，最深处达150米。最大库容达350亿立方米，达到了难以想象的程度--这些水可供德国所有家庭大约使用10年。

然而，米德湖的水量早已不复当年。1998年以来，受气候变化以及史上最严重干旱的影响，它的水位不断下降。期间，米德湖的水位达到历史最低：仅为海拔332米。这意味着，米德湖的水位比两个现有取水点仅高出几米——从而威胁到水的供给。

________________ 必须新建第三个引水口。计划中的"3号引水口（Intake No.3）"位于湖面下方约70米，距岸边约3公里。从湖底垂直向上突出15米的引水结构从一个浮动驳船降入预先挖掘的基坑中。接下来，在水下以导管灌注混凝土浇注地基，以固定整个结构。

________________ 由于掘进位置的深度，机器在大部分掘进段需承受最高达15巴的巨大水压（水下深度每增加10米压力上升1巴）：这在机械隧道掘进领域前所未有。此前的该纪录为11巴，同样是由海瑞克隧道掘进机创立，其用于掘进2013年竣工的瑞典哥德堡和马尔默之间的哈兰扎森铁路隧道。

苛刻的地质和水文条件为承建商Salini-Impregilo联营公司带来真正挑战。掘进过程不得不因为部件更换而多次中止。米德湖底的研磨性岩石使滚刀和刀盘部件受到磨损。同样，轴承密封也严重受高压影响，需要翻新。

________________ 早在项目开始很久之前，各个参与方就已提出正确的问题：隧道掘进机该如何设计，才能持续承受如此高、直至当时都无法驾驭的压力？一种方法是增加钢结构以及采用更厚的盾体。可是无论如何，在15巴的水压下，每平方厘米的盾体需承受15千克的负荷——当总长为16米、直径逾7米之时，就汇成了巨大的压力。另一种方法则是在主轴承和盾尾等处安装坚固的密封件。此外，在极端压力条件之下，还需保障仍能执行换刀等常规作业和计划外的维护作业。

根据所收集到的信息，承建商Salini-Impregilo联营公司决定使用一台海瑞克多模式隧道掘进机。在良好、稳定的地层中，盾构机采用所谓的敞开模式工作。在该模式中，采用机械方式从工作区运走由刀盘滚刀破碎成手掌大小的小块岩石。这方法既快捷又有效。机器效率很高：每分钟可掘进4至5厘米。有时周进尺甚至达到100多米。

________________ 然而大约只有40%的隧道段能够使用敞开模式快速掘进——而非计划中的70%：由于地质断层区和掌子面上的涌水，不得不采用封闭的泥水平衡模式完成大部分路段的掘进，在该项目中封闭式作业的耗时和磨损度都相对较高。在泥水平衡模式中，带压的液体介质——通常为膨润土悬浮液——用于支撑掌子面。膨润土悬浮液混合开挖出来的物料从工作仓泵到泥水环路中。在这种方式下，可即使很小的压力波动也可以得到准确控制。

从敞开式到封闭式的切换必须快速进行，因为一旦有水进入，将会在高压作用下大量涌入。负责米德湖工程的隧道掘进机，必须能够在120秒内瞬间完成密封。这通过在螺旋输送机后端关闭卸料闸封闭开挖仓实现。

________________  封闭、安全、便捷？恰恰相反！因为即便隧道掘进机在安全的泥水平衡模式下掘进，刀盘和刀具也需要定期进行检查和维护。不同监控系统通过传感器实时检测并记录所有重要的掘进参数。这些数据将作为隧道掘进机操作手判断何时需要进仓的决定性依据。数据分析只是第一步。紧接着，滚刀、齿刀和铲刀的实际更换作业是费力又耗时的人手作业。

________________  在高压下掘进时，可进入式的刀盘幅臂被证实是有效可靠的。1998年使用混合式盾构机建设德国汉堡第四易北河隧道时，这一设计在4.5巴的作业条件下首次得到成功应用。当隧道掘进机直径为10米或以上时，刀盘幅臂可采取可进入式的空箱结构。工作人员可在大气压下进入幅臂，从刀盘后方区域相对容易地更换已磨损或有损化的刀具。过去二十年间，海瑞克不断发展该方案，使其适用于明显更高的压力。

________________ 因空间限制，直径小于10米的隧道掘进机无法设计成可进入式的刀盘幅臂——如在米德湖项目中。不可能实现常压换刀。此种情况下，仅能在“安全区”执行换刀或保养作业，可从“安全区”安全地进入开挖仓。然而，在隧道沿线遇到这样一个天然的稳定区域实属幸运的意外。通常可遇而不可求。

因而，这就是需要所有项目合作伙伴的专业经验和直觉的时候了：是冒险继续前进一段，抱有不久后便能到达安全区域的一线希望？还是刀具已磨损到不得不马上加以处理？安全区也可人工建成，譬如借助隧道掘进机的钻机预先进行围岩超前注浆加固改善土层，或者从地面开挖实现。然而，该过程耗时耗费巨大，且不一定始终可行。

________________ 在最坏的情况下，只能采用备选方案：潜水员进入隧道掘进机压力区作业。同样，在建设德国汉堡第四易北河隧道时，这种方法也首次得到采用。当时必须重新焊接铲刀支座，并更换铲刀。任务持续六周——在最高达4.5巴的压力条件下，也就是潜水员尚能借助“正常”压缩空气进入的最高压力区域。

当深为如米德湖，最高压力达到15巴时，这种方法就不再适用。此时，人们需要借鉴深海潜水的经验。而饱和潜水便是释放魔法的“咒语”。该方法的原理是，高压下人体器官的气体吸收会在某一时刻达到临界（饱和）状态——从而减压时间也有自然、明确的界限。

________________  在米德湖项目中，施工现场和设备都为最高达15巴的饱和潜水作业做好了充足的准备。为此工程师们设计并实现了一条无缝衔接的带压运输路径。这条路径从潜水员有时生活数周的始发井区域内的（加压）居住舱通向隧道掘进机前盾区域的压力闸。

使用时，穿梭舱需穿过机器的整个后配套区域进行运输。为此必须进行专业的设计考量，以便在中心区域为穿梭工具留足的空间。只有这样，专业饱和潜水员才能快速、尤其是绝对安全地进入开挖仓。而正常操作时，这些装置只允许对掘进产生极其细微的影响。