——记著名TBM专家、石家庄铁道大学教授杜立杰

本刊记者　薛海峰　范密欣

　　
　　全断面硬岩隧道掘进机（Hard Rock Tunnel Boring Machine-TBM）是机、电、液、光一体化的高技术大型工厂化隧道施工作业系统，具有掘进速度快、安全性高、利于环保、综合效益高等优点，近年来在我国工程应用迅猛增长。然而，我国TBM技术和人才储备相对滞后，掌握TBM施工技术的企业还比较少，还未能完全实现TBM自主设计制造。石家庄铁道大学教授杜立杰18年来一直坚持TBM理论研究与大量工程实践相结合，为国家重点工程保驾护航，并帮助缺乏TBM施工经历的企业进入蓬勃发展的TBM市场，成为了TBM技术领域的佼佼者。
　　
攻关秦岭隧道，成为“TBM黄埔军校人”
　　
　　上世纪90年代，铁道部决定在我国首次自主使用TBM法修建西康铁路秦岭隧道，1995年立项了一大批TBM科研课题，召集高等院校和科研施工单位进行研究，其中石家庄铁道大学承担了系列科技攻关项目，当时三十岁的杜立杰便成了秦岭隧道TBM科技攻关的一员。
　　秦岭隧道开挖直径8.8米，长18.46公里，是当时我国最长铁路隧道。其岩石极为坚硬，石英含量高，并有大量断层、涌水、岩爆等不良地质洞段。首次采用TBM施工，在TBM选型设计和施工技术上都存在许多未知的难题。为此杜立杰围绕TBM掘进参数、掘进技术和刀具国产化等关键技术进行攻关。
　　为了给企业提供有效的技术支持，受秦岭隧道工程指挥部委托，在校领导的组织下，杜立杰作为技术负责人和主译，与全校50多名各学科专业教师一起，顶着酷暑，夜以继日，在2个多月时间内，首次翻译了36卷、1500多万字的TBM技术资料，印制数十套，发往秦岭隧道现场，为现场TBM操作、维护和施工提供了强有力的技术支持。
　　由于相关单位高度重视，给予科研立项支撑，秦岭隧道1999年成功贯通。此后秦岭隧道系统地进行了技术总结，发表出版了一批论文和著作，并在2003年获得了重大工程类国家科技进步奖一等奖。与此同时，围绕秦岭隧道TBM课题研究和设计施工，培养了一批TBM技术骨干。这些科技成果和专业人才为后来我国其他TBM工程实施奠定了良好基础。为此，人们将杜立杰等参与过秦岭隧道TBM科研和施工的人员喻为“TBM黄埔军校人”。
　　
技术创新，建功在大伙房水库输水工程世界连续最长隧道
　　
　　2009年，国内外瞩目的宏大工程——辽宁大伙房水库输水工程胜利竣工通水。该工程主体输水隧洞直径8米，长85.3公里，采用3台开敞式TBM施工，是迄今世界上建成的最长连续隧道。如何使大直径超长隧洞TBM安全、高效、高精度掘进贯通，需要攻克许多技术难题。
　　早在2002年，杜立杰就受邀常驻工程单位，带领20多名技术人员，围绕大伙房水库输水工程TBM系统设计以及出渣通风等关键技术进行研究，主持与美国、德国、日本、澳大利亚等TBM制造商半年多的技术交流，并在工程投标、设备招标、TBM设计、组装调试等提供全过程、全方位的技术支持。在TBM施工攻坚战中，杜立杰驻扎现场2年多，春节也曾在现场度过，在洞内常常是一身泥水和油污，平时英俊潇洒的他俨然成了“民工”。
　　正是源于敢于吃苦、攻坚克难的精神和创新的技术方案，TBM掘进屡创佳绩。该工程在国内首次设计使用大功率、长距离（超过10公里）、可延伸、可控起动的连续皮带机出渣技术，首次使用大直径19英寸盘形滚刀，首次使用刀盘变频驱动技术，开发了TBM穿越不良地质洞段施工新技术。在零下30oC寒冬，取得8米直径TBM最高月进尺1111米；最高日进尺63.5米；连续6个月平均月进尺750米；最高月掘进作业利用率达到60.3%，创造了大直径TBM在国际上名列前茅的掘进记录。
　　在科研和工程实践中，杜立杰还完成大量TBM掘进数据的采集记录和分析；总结一整套TBM选型及系统集成设计理论；创建了应对现场复杂问题快速反应的TBM施工组织管理体系；成功探索出一条“校企合作”、无TBM经验施工队伍从“空白”走向“成熟”的成长之路。
　　大伙房水库输水工程的成功，对促进我国长大隧洞采用TBM施工起到了巨大示范效应。在隧道贯通庆典仪式上，省水利厅和施工单位领导动情地说：“在这里要特别向石家庄铁道大学的教授表示感谢，没有你们的支持，我们今天不会取得这样好的成绩。”
　　
迎难而上，助力首次边陲、高海拔小直径开敞式TBM工程
　　
　　2008年，我国首次采取小直径开敞式TBM施工的那邦水电站引水隧洞工程开工建设。该工程位于云南西部边陲中缅边界，开挖直径为4.5米，全长10公里，由于工程地处生态环境保护区，必须采取TBM法施工。
　　然而，云南地区围岩形成年代较晚，地质条件十分复杂，此前只有双护盾TBM施工失败的教训，还未有TBM成功贯通的案例。并且该工程开挖直径小，布置空间有限，围岩为抗压强度高达220MPa以上的极硬岩，同时遭遇多段极软大变形的围岩泥化蚀变带、断层、涌水等严重不良地质洞段，给TBM设计和施工都带来很大技术难题。为此，施工单位慕名特邀杜立杰主持“复杂地质小直径开敞式TBM设计施工关键技术”的攻关项目，同时主持工程全过程的TBM选型设计、监制、组装、招投标、技术商务谈判和施工技术研发。
　　杜立杰驻扎边陲大山深处2年多，常常在半夜被电话召到洞内处理TBM故障和施工技术难题。为确保安全，在80多吨TBM核心部件经6公里盘山便道运抵现场艰难行进中，杜立杰从早至晚历经10个小时爬山跟随运输车，被大雨全身淋透。在暴雨连绵的热带雨林气候下，采取特殊技术措施，创造了38天完成TBM及后配套组装调试的快速组装记录。
　　在TBM设计施工关键技术攻关中，通过对TBM及其后配套系统的创新设计，研制TBM施工配套新装备，开发应用TBM通过软弱蚀变带围岩施工新技术，解决了极硬、极软围岩等复杂地质条件下小直径开敞式TBM施工技术难题，确保了TBM安全高效地贯通隧洞，赢得了国外TBM专家的敬佩，获得国家专利6项，为企业创造了数千万元的直接经济效益，首次为我国小直径开敞式TBM设计施工积累了技术经验和成果。
　　有了那邦水电站工程成功经验的铺路。2013年6月10日，随着西藏自治区政府领导的一声指令，西藏旁多水利枢纽工程高海拔小直径开敞式TBM也成功进入始发掘进。
　　西藏旁多水利枢纽工程是迄今西藏最大的水利水电开发项目。该项目输水隧洞直径4米，长16.8公里，海拔超过4100米，是我国西藏高寒高海拔地区首次使用TBM施工，是世界最高海拔TBM施工工程。
　　又是一座难以翻越的高山，杜立杰并没有望而却步，作为受邀TBM技术专家，他针对高寒高海拔TBM应用的特殊性，在TBM系统集成设计以及出渣、运输、通风等配套装置系统设计上给出了优化的技术方案，从TBM招投标、合同谈判、设计制造、组装调试、施工技术等进行了全方位的技术支持；在TBM现场组装和试掘进期间，在高寒缺氧的恶劣环境下，他3个多月驻扎海拔4100多米的工程现场，每天胸闷气短、消化不良、难以入眠，体重下降20多斤。“苦心人，天不负”，TBM成功进入掘进阶段，这将为我国乃至世界高寒高海拔地区应用TBM提供新的经验和技术成果，为其他高海拔水利水电、交通、国防等隧洞工程起到示范作用。
　　
科研与工程相互依托，走“实践-理论-实践”的学术路线
　　
　　做事一向认真负责的杜立杰，擅长技术与商务、设计与施工、设备与工程等整体把握，注重理论分析与实践经验紧密结合，广受工程单位的好评。在18年的历程中，他受邀参与了我国80%以上硬岩TBM项目的科技攻关或技术支持。
　　经过不同特点顶级工程的不断实践，杜立杰收获颇丰。针对我国长期以来存在课题申报和研究严重脱离实际、科技成果转化率低等弊端，他不图虚名，不急功近利，瞄准国家科研政策导向和巨大的市场需求，以重大工程为依托，默默研究积累，在实际工程中寻找科学问题和技术难题，摆脱数学模拟和物理模拟与实际情况巨大差异的弊病，将每个不同地质、不同直径、不同类型的实际TBM工程作为1：1测试现场，直接从现场大量获取数据进行建模，攻克现场技术难题，总结提出理论方法，将理论成果再回归指导其他工程实践，走出了从实践到理论、再从理论到实践的科研路线。
　　杜立杰还将重大工程科技攻关和国家立项课题相结合，主持了铁道部纵向重大科研项目“长大隧道TBM施工技术和配套装备研究”，承担了有关硬岩TBM国产化研制的国家“863”项目，以及TBM与岩石相互作用基础研究的国家“973”项目等。企业的横向课题与国家的纵向课题相互促进，使得他同时具备了现场测试、数据获取和深化理论研究的有利条件。
　　在这条愈加宽广的科研和工程实践相结合的大道上，杜立杰是迄今历经TBM重大工程规划立项咨询评审，主持硬岩TBM科研、TBM施工方案、TBM选型设计、TBM工程投标书编制、技术商务谈判、多年驻TBM现场技术攻关……TBM工程关键环节全过程的高校唯一教授。同时，杜立杰还为我国TBM施工企业培训授课，讲授内容涉及TBM原理、设计、施工等各个方面，培养了TBM领域一大批年轻工程师和研究生。因他授课内容广泛，结合实际案例，生动精彩，而广受欢迎，被誉为“中国TBM首席讲师”。
　　杜立杰是我国仅有的几位长期驻扎TBM工程现场第一线从事科研的教授之一，在国内外TBM工程领域同行中享有很高的声誉和知名度。他2002年获得河北省科技进步奖一等奖，2005年获得国家科技进步奖二等奖，2011年出版了“十一五”国家重点规划出版图书有关TBM设计施工系列专著，在国内TBM领域的研究独具特色和优势。
　　然而，累累的硕果，并没有牵制住杜立杰前行的脚步。“而今辽宁、吉林、山西、新疆等重大TBM工程仍闪现着杜立杰奔波忙碌的身影……
　　　　
专家简介
　　杜立杰，石家庄铁道大学教授，留美学者，石家庄铁道大学TBM研究室主任，国家重大工程评估咨询专家。他长期从事TBM领域的科研和工程实践，坚持“实践-理论-实践”的学术路线，被众多企业聘请为TBM技术咨询专家、TBM投招标专家、TBM对外技术商务首席谈判专家；他多年来常驻TBM施工现场，为西康铁路秦岭隧道、辽宁大伙房水库输水工程、辽西北供水工程、云南那邦水电站工程、锦屏二级水电站工程、西藏旁多水利枢纽工程等我国重大工程TBM选型设计、监制、组装、步进、始发、施工、维护保养与监测诊断、投招标、技术商务谈判、培训等进行了全程、全方位的科技攻关和技术支持；他主持了铁道部有关TBM施工技术重大科研项目，参加了TBM基础研究和国产化研制的国家“973”、“863”课题，获得2005年国家科技进步奖二等奖和国家级教学成果奖一等奖。