摘 要 對(duì)長(zhǎng)隧道中應(yīng)用隧道掘進(jìn)機(jī)的現(xiàn)狀、典型實(shí)例、問題以及發(fā)展趨勢(shì)作了論述。
關(guān)鍵詞 隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM） 現(xiàn)狀 典型實(shí)例 發(fā)展趨勢(shì)
1 概述
當(dāng)隧道（洞）長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí),用常規(guī)鉆爆法進(jìn)行隧道365JT施工將需要相當(dāng)長(zhǎng)的工期,隧道掘進(jìn)機(jī)法施工則適合長(zhǎng)隧道施工的需要。隧道掘進(jìn)機(jī)英文名稱是Tunnel Boring Machine,簡(jiǎn)稱TBM。
根據(jù)國(guó)外實(shí)踐證明：當(dāng)隧道長(zhǎng)度與直徑之比大于600時(shí),采用TBM進(jìn)行隧道施工是經(jīng)濟(jì)的。TBM最大的優(yōu)點(diǎn)是快速。其一般速率為常規(guī)鉆爆法的3～10倍。此外,采用TBM施工還有優(yōu)質(zhì)、安全、有利于環(huán)境保護(hù)和節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)。由于TBM提高了掘進(jìn)速率,工期大為縮短,因此在整體上是經(jīng)濟(jì)的。 TBM的缺點(diǎn)主要是對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性不如常規(guī)的鉆爆法；主機(jī)重量大：前期訂購(gòu)TBM費(fèi)用較多；要求施工人員365JT技術(shù)水平和管理水平高；對(duì)短隧道不能發(fā)揮其優(yōu)越性。由于科學(xué)技術(shù)的不斷迅猛進(jìn)步,現(xiàn)在TBM可以適應(yīng)較為復(fù)雜的地質(zhì)條件,從松散軟土到極堅(jiān)硬的巖石都可以應(yīng)用,使用范圍日益廣泛。TBM的365JT設(shè)計(jì)制造在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的綜合科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平,體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、新材料、自動(dòng)化、信息傳輸和多媒體等技術(shù)的綜合和密集水平。一門叫做“地質(zhì)機(jī)械電子學(xué)”的學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。它把機(jī)械原理、電子學(xué)原理和機(jī)器人原理應(yīng)用到巖土工程學(xué)中,包括所有巖土工程技術(shù)和TBM技術(shù)。未來(lái)的發(fā)展屬于自動(dòng)化隧道掘進(jìn)機(jī)。目前,人們已能在辦公室控制掘進(jìn)機(jī)操作一一法國(guó)的斯特拉堡工地證實(shí)了這一事實(shí)[1]。
掘進(jìn)機(jī)的針對(duì)性很強(qiáng),不同的地質(zhì)條件需要不同的掘進(jìn)機(jī),也就產(chǎn)生了不同的掘進(jìn)機(jī)；有的適用于軟土,又稱為盾構(gòu)機(jī)：有的適用于巖石。巖石掘進(jìn)機(jī)可分為開敞式、單護(hù)盾式和雙護(hù)盾式,并且已研制出能進(jìn)行斜井施工的,例如,已用于日本東京附近抽水蓄能電站壓力管道斜井的施工。軟土掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)機(jī)）初期為氣壓手掘式,現(xiàn)今主要為泥漿加壓式和土壓平衡式,并且已研制出能掘進(jìn)圓形連續(xù)多斷面隧道掘進(jìn)機(jī),已應(yīng)用于日本Hiroshima新運(yùn)輸線的Rijoh隧道：研制出垂直—水平連續(xù)隧道掘進(jìn)機(jī),已應(yīng)用于日本東京污水隧道工程；研制出橢園形隧道掘進(jìn)機(jī),已應(yīng)用于日本Nagoya的管道施工。此外,還研制出既能在巖石又能在軟土中掘進(jìn)的兩用混合型掘進(jìn)機(jī),已應(yīng)用于英吉利海峽隧道法國(guó)側(cè)隧道的施工、日本廣島污水隧道施工以及我國(guó)連接香港的九龍和新界的西鐵隧道施工。
世界上著名的巖石掘進(jìn)機(jī)制造廠商是美國(guó)的羅賓斯（Robbins）公司和賈瓦（arva）公司、德國(guó)的沃斯（Wirth）公司和德馬克（Demag）公司以及瑞典的阿拉斯·科普柯（Atlas·Copco）公司。而軟土掘進(jìn)機(jī)則以日本川崎重工業(yè)公司生產(chǎn)的最為著名。國(guó)外掘進(jìn)機(jī)直徑已達(dá)14.14m（用于日本東京灣跨海公路隧道）。
我國(guó)1966年生產(chǎn)出第一臺(tái)直徑3.4m的掘進(jìn)機(jī),在杭州人防工程中進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。70年代進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段,試制出SJ55、SJ58、SJ64、EJ30型掘進(jìn)機(jī)。80年代進(jìn)入實(shí)用性階段,研制出SJ58A、SJ58B、SJ40/45、EJ30/32、EJ50型掘進(jìn)機(jī),在河北引灤、福建龍門灘、青島引黃濟(jì)青、云南羊場(chǎng)煤礦、貴陽(yáng)煤礦、山西古交和懷仁煤礦等工程中使用。但是,我國(guó)掘進(jìn)機(jī)與國(guó)外掘進(jìn)機(jī)相比較,在技術(shù)性能和可靠性等方面還有相當(dāng)大的差距,需要加快掘進(jìn)機(jī)的整機(jī)研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn),迎頭趕上國(guó)際先進(jìn)水平。
自1978年我國(guó)實(shí)行改革開放以采,已有甘肅省引大入秦工程、山西省萬(wàn)家寨引黃工程和陜西省秦嶺鐵路隧道工程等項(xiàng)目引入國(guó)外大型TBM進(jìn)行隧道施工,取得了成功。其中山西省萬(wàn)家寨引黃工程創(chuàng)造最高日掘進(jìn)113m和最高月掘進(jìn)1650m以上的記錄。
隧道掘進(jìn)機(jī)除主機(jī)外,還必須配備配套系統(tǒng),稱為后配套系統(tǒng)。通常主機(jī)和配套系統(tǒng)總長(zhǎng)度達(dá)150m ～300m。配套系統(tǒng)包括運(yùn)碴、運(yùn)料系統(tǒng)、支護(hù)設(shè)備、激光導(dǎo)向系統(tǒng)、供電裝置、供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風(fēng)防塵系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)。用于水工隧洞的還有注漿系統(tǒng)等。TBM法與鉆爆法相比,其主要優(yōu)點(diǎn)是掘進(jìn)速度快,所以配套系統(tǒng)是滿足連續(xù)快速掘進(jìn)的關(guān)鍵因素,其運(yùn)輸布置、運(yùn)輸能力、供水、排水流量、通風(fēng)方式及風(fēng)壓、風(fēng)量以及噴錨、混凝土管片安裝、豆礫石噴射、回填灌漿的速度,必須與掘進(jìn)速度相匹配。
2 長(zhǎng)隧道應(yīng)用TBM的典型工程實(shí)例
2.1 英吉利海峽隧道
英吉利海峽隧道全長(zhǎng)49.2km,海下37km,共有三條平行的隧道,其中兩條單線鐵路隧道,內(nèi)徑7.6m,相距30m.,中間隧洞留作服務(wù)用,直徑為4.8m。每條主洞有一單線鐵路與一人行道。服務(wù)隧洞則用作通風(fēng)、維修及整體安全,而在施工期間則作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。
隧道線路非直線也非水平,是依19世紀(jì)時(shí)已標(biāo)定的藍(lán)色白堊層而定,此種巖層堅(jiān)實(shí)但不太硬,又不透水,是掘進(jìn)的理想地層。由古代沉積地層組成的英吉利海峽的地質(zhì)狀況十分穩(wěn)定,無(wú)斷層、無(wú)地震活動(dòng)跡象、無(wú)褶皺、又無(wú)使地質(zhì)情況復(fù)雜化的大斷層。然而在施工期間也有若干意外情況出現(xiàn)。隧道靠近藍(lán)色白堊層的平均下部三分之一層厚處。隧道的底坡不得大于1.1％,在海面下的最大深度為90m,即在海底下40m處。
英吉利海峽兩岸的地層也不對(duì)稱。英國(guó)一側(cè)海岸,地層褶皺平緩,白堊較完整。法國(guó)一側(cè)海岸,白堊層常有裂隙,加大了地層的透水性,有碰到不穩(wěn)定地層的危險(xiǎn)性。而且還穿過(guò)一層含水的灰色白堊層達(dá)藍(lán)色白堊層。故掘進(jìn)技術(shù)不同。法國(guó)一側(cè),隧道掘進(jìn)機(jī)可在含水層中工作,而英國(guó)一側(cè),隧道掘進(jìn)機(jī)是設(shè)計(jì)專用于干燥的地層。另一方面,挖掘長(zhǎng)度的分配也不一樣,英國(guó)海岸掘進(jìn)總長(zhǎng)為92.4km,而法國(guó)海岸僅57.6km,因那里的地層更難以工作。
隧道開挖會(huì)合處靠近法國(guó)海岸一邊,理論上是在法國(guó)一側(cè),洞門起19km處。實(shí)際上會(huì)合處離之稍遠(yuǎn),因法國(guó)人進(jìn)展得比預(yù)定的快。
隧道并不是單純的配有鐵軌的管道。隨著隧道掘進(jìn)的進(jìn)展,或在隧道完工后,各種網(wǎng)路的設(shè)施都支承在隧道的壁上。整個(gè)網(wǎng)路包括有信號(hào)電纜、700部電話、5000個(gè)擴(kuò)音器、4組光纖電纜以及消防水管和照明設(shè)施等。另外,還有輸送部分冰凍水流的大水管通過(guò)隧道用以降溫。設(shè)有技術(shù)裝備的地下房室則有專門的通風(fēng)與冷卻設(shè)施。.英吉利海峽海底隧道工地是20世紀(jì)最大的工地之一。1990年11月估計(jì)的工程最終投資為760.8億法郎；而集團(tuán)投資增至879億法郎,差額即用作備用金。僅僅此工程浩大的費(fèi)用說(shuō)明了它的規(guī)模。各工地隔英吉利海峽而分成兩攤,其方法及組織均有一定的特殊性,因在全斯曼徹聯(lián)合公司名下的各承包公司以其地理上的相近關(guān)系而組合在一起的。五家法國(guó)承包公司在法國(guó)一側(cè)工作,而五家英國(guó)承包公司則在英國(guó)一側(cè)工作。
整個(gè)工程工期7年,對(duì)如此規(guī)模的工程來(lái)說(shuō),工期是很短的。任何在施工中的拖延都會(huì)減少實(shí)際受益期限。此外,沉重的貸款上的財(cái)務(wù)費(fèi)用意味著每拖延一周,即約損失1億法郎,可以想象,每分鐘都是寶貴的。為贏得這場(chǎng)時(shí)間上的真正競(jìng)賽,有11臺(tái)隧道掘進(jìn)機(jī)同時(shí)開挖隧洞。隧道掘進(jìn)機(jī)上的各班組日夜輪班不停,每一工作面有五個(gè)班組。其中三組每組8小時(shí)輪換,第四組在休息,第五組在休假。
承包公司的成功與否取決于隧道掘進(jìn)機(jī)的良好運(yùn)轉(zhuǎn),掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)展速度就表示出工程的進(jìn)度。這是巨大又復(fù)雜的機(jī)械,直接以隧洞的全斷面尺寸開挖土石,機(jī)械過(guò)后留下的是已襯砌好的不透水的并裝備了相隨的各種網(wǎng)路的隧道。隧道掘進(jìn)機(jī)既用以開鑿隧洞,又用以排出挖方料,安放拱楔塊,在拱楔塊后灌漿,并置放以公里計(jì)的掛在隧洞壁上的電纜及各種管道。.隧道掘進(jìn)機(jī)的心臟部分——主機(jī),長(zhǎng)10 m～13m,重達(dá)1 200t,在切割頭的后面有一個(gè)挖方料的排出系統(tǒng)與一個(gè)安置拱楔塊的升降架。掘進(jìn)機(jī)由一個(gè)厚7cm的金屬外殼保護(hù)以臨時(shí)支撐土石層。一列長(zhǎng)250m,重約800t的技術(shù)列車（后配套系統(tǒng)）承擔(dān)一切后勤支援：排出挖方料,送交拱楔塊,通風(fēng)、供電,敷設(shè)電纜及供水、供電管并鋪設(shè)鐵軌。
考慮到地層的不同性質(zhì),各隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)不一。英國(guó)一側(cè)藍(lán)色白堊能挺立不塌,可在掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾外殼后面立即鋪設(shè)拱楔塊。法國(guó)一側(cè)海岸,地質(zhì)鉆探表明線路將遇到斷層,可能有滲水。由于開挖的隧道深達(dá)海面下90m,故應(yīng)面對(duì)9×105Pa的水壓力。隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)不透水的隔膜及高壓墊圈把旋轉(zhuǎn)頭與隧道的其它部位分隔開。由涂有專門油脂的金屬刷組成的一個(gè)止水圈可使掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾外殼在已安設(shè)的拱楔塊上滑動(dòng)。
隧道掘進(jìn)機(jī)之后配套系統(tǒng)隨掘進(jìn)機(jī)一起前進(jìn)并載著全部運(yùn)行設(shè)備。這是一個(gè)真正的流動(dòng)工廠。緊接護(hù)盾之后是操縱室,從操縱室工程師和技術(shù)員控制著前進(jìn)速度并經(jīng)攝像顯示機(jī)觀察掌子面。在車廂的下層,皮帶輸送帶載著挖方料全速輸送。接著是一系列的車廂,一節(jié)車廂用以攪拌灌漿材料；而后是變壓器車廂,將
20 000 V降為380V；一節(jié)操縱千斤頂?shù)囊簤合到y(tǒng)車廂；然后一節(jié)食堂與醫(yī)務(wù)室；一節(jié)水處理車廂；一節(jié)分料車廂,把挖方料分在兩列新的皮帶機(jī)上；一節(jié)載著20 000V電纜施放機(jī)的車廂,電纜隨開挖而固定在隧道的壁面上；一節(jié)車廂裝壓空機(jī)及滲水抽排接力站；一節(jié)車廂用以卸下水泥砂漿（供料列車可經(jīng)隧道掘進(jìn)機(jī)的支柱而到達(dá)此層）,一節(jié)是卸拱楔塊用,這些拱楔塊由專門的輸送機(jī)送至工作面；一節(jié)為通風(fēng)車廂（其后各車廂都有兩條輸送帶,把挖方料卸在下面滑行的供應(yīng)列車的翻斗內(nèi)）；一節(jié)車廂用以進(jìn)行裝修及補(bǔ)充灌漿；有兩節(jié)車廂裝有管道及電纜,隨進(jìn)展而固定于壁上；最后一節(jié)則用以安設(shè)懸掛電纜、清掃隧道底拱并敷設(shè)服務(wù)列車的鐵軌。列車后面有加利福尼亞型的道岔。
導(dǎo)向問題是關(guān)鍵,因?yàn)椴粌H自英吉利海峽兩岸起挖通的隧洞應(yīng)精密會(huì)合,而且要遵循拱楔塊制造及安放要求的尺寸。隧道掘進(jìn)機(jī)的位置一直由計(jì)算機(jī)按每隔187m安設(shè)的測(cè)量標(biāo)志網(wǎng)計(jì)算。首先利用人造衛(wèi)星測(cè)定了10來(lái)個(gè)地面標(biāo)志點(diǎn)的位置。最后一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)上有激光裝置對(duì)準(zhǔn)隧道掘進(jìn)機(jī)上的固定目標(biāo),隨時(shí)向操作員指出掘進(jìn)機(jī)的位置是否與存儲(chǔ)于機(jī)上計(jì)算機(jī)內(nèi)的理論軌跡相符。程序計(jì)算出修正的軌跡,依此軌跡,決定出在襯砌環(huán)圈上千斤頂?shù)耐屏Α?/P>
在地下經(jīng)過(guò)約20km的進(jìn)尺后,所得的在會(huì)合點(diǎn)的理論精確度約25cm,即兩個(gè)開挖段之間的偏差為50cm。這正是服務(wù)隧洞在海下會(huì)合點(diǎn)的偏差。英國(guó)一側(cè)的服務(wù)隧洞在地下經(jīng)8km后出地.。面時(shí)僅有4mm的誤差。地下兩半截隧洞的會(huì)合以下法進(jìn)行：當(dāng)還剩下l00m待挖時(shí),即停機(jī)并打一探測(cè)孔以檢驗(yàn)是否在一條線上,然后以人工挖一人行孔以便兩側(cè)通訊。由于掘進(jìn)機(jī)的直徑大于已經(jīng)襯砌的隧洞,它們既不能后退又不能向前出去。法國(guó)一側(cè)的掘進(jìn)機(jī),回收其最大的部分而讓其鋼外殼留在隧洞的拱圈內(nèi),用氣焊槍割下能割的部分。英國(guó)一側(cè)的掘進(jìn)機(jī)在偏離前進(jìn)軸線的隧道側(cè)邊挖掘了它們自己的墳?zāi)?就地遺棄,埋在混凝土中。
最后幾米的隧洞以傳統(tǒng)的方法開挖,以便保留以十字鎬開挖的最大巖石面。這樣就可進(jìn)行象征隧道挖通的歷史性握手。歷史將記住,服務(wù)隧洞的探測(cè)孔是1990年10月30日20點(diǎn)25分打通的。
隧道內(nèi)部全部襯以稱之為拱楔塊的鋼筋混凝土的弧形板塊,用以防備土石的可能下落并確保含水段的防滲。總共有72萬(wàn)塊拱楔塊。拱楔塊的質(zhì)量保證建筑物的安全與壽命（120年）。法國(guó)一側(cè)有25萬(wàn)塊拱楔塊,英國(guó)一側(cè)有47萬(wàn)塊,鋪砌在隧洞內(nèi)部,其尺寸精度以毫米計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)襯砌是1.4m～1.6m長(zhǎng)的拱圈,法國(guó)一側(cè)由5塊拱楔塊及一塊拱頂鍵石組成,英國(guó)一側(cè)由6個(gè)拱楔塊加一拱頂鍵石組成。法國(guó)一側(cè)的拱楔塊有氯丁橡膠接縫以確保在10 t水壓下的防滲。拱楔塊由掘進(jìn)機(jī)上的機(jī)械就位后即以螺栓固定,以使接縫間壓緊。這些螺栓在洞壁與拱楔塊之間灌注的砂漿凝固后抽出。
怎樣處理運(yùn)出隧道的挖方料呢?這些挖方料的數(shù)量浩大：總共800×104m3,其中300×104m挖自法國(guó)一側(cè)。其余則挖自英國(guó)一側(cè)。各工地再次采用不同的解決措施。
法國(guó)一側(cè),自工作面挖出的挖方料視土層里含水量的大小而呈現(xiàn)稀或稠的粘糊糊的泥漿,從隧道掘進(jìn)機(jī)的螺旋輸送機(jī)或泥漿泵送出后,經(jīng)各輸送裝置倒入運(yùn)送挖方料的列車,然后送去桑加特365JT交通井。一列車有12節(jié)翻斗式車廂,一次翻轉(zhuǎn)6節(jié),把料傾倒在井底。挖方料在井底加水經(jīng)破碎機(jī)攪拌,破碎機(jī)由兩帶齒圓輥組成,以相反的方向旋轉(zhuǎn),然后又經(jīng)一鏈?zhǔn)狡扑闄C(jī)使之成為流態(tài)的均勻泥漿,其稠度近乎酸乳酪。臺(tái)巨大的混凝土泵式的泥漿泵把泥漿打進(jìn)一系列的管道中,揚(yáng)高130m,打到距離為2km的豐皮里翁處,在小土坡上建一真正的土壩,長(zhǎng)900m,高38m,泥漿打到這里并逐步地填滿此水庫(kù)。沉淀后的水再回收,過(guò)濾,然后注入海中,工程完工后,形成的新土山將予整治并裝點(diǎn)景色。
英國(guó)一側(cè),挖出的挖方料基本上是干的,排出隧道后即倒在莎士比亞·克利夫平臺(tái)處。來(lái)自工作面的裝料車廂側(cè)卸于沿鐵道布置的料斗內(nèi),挖方料由鏈?zhǔn)捷斔脱b置運(yùn)走,然后以每小時(shí)運(yùn)2400噸土料的巨大的輸送帶經(jīng)交通隧洞運(yùn)出地面。挖方料部分加濕以免灰塵飛揚(yáng)。然后由移動(dòng)式輸送裝置或卡車傾入五個(gè)以人工堤圍起的瀉湖內(nèi)。這些人工堤是隨工程的進(jìn)展而逐漸建成的,堤由兩排板樁中間填混凝土形成。挖出的土石料將在海中圍墾出一塊新的45hm2的平臺(tái)。結(jié)束時(shí),唯一留在工地現(xiàn)場(chǎng)的是通風(fēng)與維修設(shè)施。此種把挖方料運(yùn)至肯特附近的解決辦法被認(rèn)為是較妥的。
英吉利海峽海底隧道主要由三條長(zhǎng)50km的平行隧道組成,但它還包括有大量的地下建筑物,這些是真正的大型建筑物,例如用以安裝隧道掘進(jìn)機(jī)的專門的大廳。有兩個(gè)大廳或稱為錯(cuò)車室,長(zhǎng)200m,寬20m,這樣大尺寸的地下建筑從未在此條件下開挖過(guò)。這些大廳用以列車錯(cuò)車,以及5個(gè)地下泵站連同緩沖蓄水池以確保隧道的持續(xù)排水。
隧道掘進(jìn)機(jī)的安裝在巨大的地下大廳里進(jìn)行。法國(guó)一側(cè)的安裝大廳就在桑加特交通井下開挖的,以便吊入大尺寸的部件。大廳長(zhǎng)500m,直徑為隧道掘進(jìn)機(jī)直徑的一倍半以便在掘進(jìn)開始前進(jìn)行檢驗(yàn)。
英國(guó)一側(cè)的安裝大廳在莎士比亞·克利夫地下綜合體內(nèi)。高20m的大廳取名為“大教堂”,是依奧地利的靈活、快速的新方法（即新奧法）開挖的。
拱楔塊28天強(qiáng)度達(dá)到55MPa,這是高質(zhì)量混凝土通常強(qiáng)度的兩倍。混凝土生產(chǎn)管理都由計(jì)算機(jī)控制。
根據(jù)拱楔塊在隧道中所在的位置而一塊一塊地鑒定。拱楔塊出廠由計(jì)算機(jī)控制的吊車進(jìn)行,并在工廠旁是按組成整圈所需的6或8塊拱楔塊分類放在托架上,儲(chǔ)放10天至一個(gè)月。
1986年選用隧道的論點(diǎn)之一就是其固有的安全性。實(shí)際上,鐵路是最安全的長(zhǎng)距離運(yùn)輸手段。在單股道的隧洞內(nèi)運(yùn)行的列車無(wú)正面碰車的風(fēng)險(xiǎn)。脫軌時(shí),隧道可保持列車在其運(yùn)行的軌線上以防其傾覆。鐵軌則經(jīng)常以超聲測(cè)試檢驗(yàn)。每隔375m與主隧道相連通的服務(wù)隧洞同時(shí)是一個(gè)地下庇護(hù)所及急救的通道。需要時(shí),列車可經(jīng)每隔1／3隧道長(zhǎng)度處的轉(zhuǎn)車大廳由一條隧道轉(zhuǎn)到另一條隧道去。但平時(shí),兩條隧道是完全隔開的。穿梭列車也是很安全的。有兩個(gè)牽引車頭,但只要一個(gè)牽引車頭就可牽引列車。當(dāng)控制失靈時(shí),有一系統(tǒng)可使列車自動(dòng)緩緩?fù)＼嚒？刂浦行囊詿o(wú)線電與各列車聯(lián)絡(luò)管理全部列車的運(yùn)行。電源由英吉利海峽兩岸共同供電,變壓器設(shè)在專門的隧洞內(nèi),洞用防水門關(guān)閉,有其各自的檢測(cè)系統(tǒng)與防火系統(tǒng),供電電纜相互隔開,電纜有外裹層不致冒煙。
值得引起特別注意的是列車的高速運(yùn)行,次數(shù)頻繁,隧道較長(zhǎng)并且在洞內(nèi)同時(shí)有兩萬(wàn)人在場(chǎng)。為防運(yùn)載汽車的穿梭列車突發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn),考慮到汽車油箱內(nèi)的汽油,火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)可能是很嚴(yán)重的,故采取了各種措施：首先,禁止在車廂內(nèi)啟動(dòng)馬達(dá)與抽煙,在穿梭列車?yán)锏娜藛T都應(yīng)保持警惕,每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)有火焰、煙霧、一氧化碳、碳?xì)浠衔锏奶綔y(cè)器,這些探測(cè)器與駕駛室內(nèi)的計(jì)算機(jī)連接口設(shè)有好幾種手動(dòng)及自動(dòng)的滅火系統(tǒng)。有一普通類型的滅火器可在幾秒鐘內(nèi)在燃燒著的汽油上噴上一層泡沫使其窒息。若乘客處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)即使用另一種滅火器,噴出煙霧可有效地防御有毒火焰。若滅火器數(shù)量不夠,則防火門把乘客與火陷隔開至少可抵御半小時(shí)以上。
不銹鋼結(jié)構(gòu)的車廂也防火,可使其運(yùn)行直至總站,進(jìn)入專門裝備的處理股道上去。當(dāng)不可能把火車開出隧道或洞內(nèi)有大火時(shí),乘客們將引入服務(wù)隧洞,這是失火時(shí)的好庇護(hù)所,因其空氣始終處于超壓狀態(tài),乘客自服務(wù)隧洞乘服務(wù)車或去其它隧洞乘救護(hù)列車出洞。強(qiáng)力通風(fēng)可排出鐵路隧洞內(nèi)的廢氣。
進(jìn)行了60來(lái)次撤離測(cè)試與防火試驗(yàn)以測(cè)定乘客的反應(yīng)能力、探測(cè)系統(tǒng)及設(shè)備的耐火程度。乘客們被置于與原型自然尺寸一樣大的模型列車中,以便擬定數(shù)字模型予定出撤離出車廂的時(shí)間。依乘客年齡不同與有否煙霧,撤離時(shí)間自1分鐘至3分20秒不等。列車故障時(shí)外側(cè)有燈光照亮各車廂。不能排除炸彈襲擊。必須要很大的裝藥量并嵌入隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)才能炸塌隧道。但在穿梭列車上放置一個(gè)小炸藥包就足以毀壞一節(jié)車廂,造成脫軌,并由之引起火災(zāi)。對(duì)此種災(zāi)難也采取了專門的預(yù)防措施,某些措施是用以探測(cè)炸藥,其它一些措施則是秘密的。
英吉利海峽隧道工程是人類在工程技術(shù)領(lǐng)域中一項(xiàng)杰出的創(chuàng)舉。這條歐洲隧道已于1994年年底正式運(yùn)行,成為世界上最重要的運(yùn)輸系統(tǒng)之一,為建立一個(gè)無(wú)國(guó)境的歐洲,為促進(jìn)人類交往和經(jīng)濟(jì)文化交流,會(huì)作出不可磨滅的貢獻(xiàn)。
2.2 日本東京灣跨海公路隧道工程
日本東京灣跨海公路西端連接產(chǎn)業(yè)區(qū)域的神奈川縣川崎市,東端連接自然田園區(qū)域的葉縣木更津市,全長(zhǎng)15.1km。該工程于1966年4月開始進(jìn)行環(huán)境及地質(zhì)調(diào)查,1989年5月正式開工,1997年12月竣工并投入營(yíng)運(yùn),與周圍的海岸高速公路、外環(huán)公路等形成公路網(wǎng),大幅度改善了首都圈的交通狀態(tài)。
該公路在方案比選階段曾有3個(gè)大的方案：①大跨徑吊橋案、②橋梁與沉埋隧道結(jié)合方案、③橋梁與盾構(gòu)隧道結(jié)合方案。由于吊橋塔高及架設(shè)施工設(shè)備的高度對(duì)航空管制空中域有負(fù)面影響,故未采納①方案,②方案存在對(duì)船舶航行、漁業(yè)、環(huán)境等的不良影響等,因而也未被采納。加之盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)在日本已相當(dāng)發(fā)達(dá),故決定按③方案實(shí)施。該工程主要由人工島、盾構(gòu)隧道及橋梁三部分構(gòu)成,均在海岸上及海底內(nèi)實(shí)施,因此工程技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜,是綜合技術(shù)的產(chǎn)物。
該公路設(shè)計(jì)車速80km／h,4車道×3.5m（隨著交通量的增加,將來(lái)可拓展為6車道）。隧道長(zhǎng)9.5km,橋梁長(zhǎng)4.4km,為了沉放盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)并作為施工基地,在大約隧道中部設(shè)置直徑195m的人工島（隧道施工完成后作為營(yíng)運(yùn)通風(fēng)豎井）,并在隧道兩端設(shè)置人島或通風(fēng)豎井（其中一端為橋隧結(jié)合部）。全線預(yù)測(cè)交通量：投入使用時(shí)間約3.3萬(wàn)輛／日,20年后約6.4萬(wàn)輛／日。總建設(shè)費(fèi)用1 004 823億日元（約10 000億元人民幣）。
隧道為雙管道盾構(gòu)隧道,外徑約為14m,隧道一次襯砌環(huán)由11塊管片用螺栓聯(lián)結(jié)而成,每塊管片厚0.65m,寬1.5m,長(zhǎng)約4m,二次襯砌厚0.35m,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
在平均水深27.5m海底開挖隧道,結(jié)構(gòu)要承受海水壓600kPa（最大）的壓力。為了防止海水透漏進(jìn)入隧道,在管片之間,一次襯砌與二次襯砌之間、管片背面注漿、聯(lián)結(jié)螺栓防腐以及管片結(jié)構(gòu)材料等方面采用了若干措施,取得好的效果。
在管片周邊粘貼遇水膨脹性止水帶,該止水材料要求具有耐水壓性和耐久性。在管片聯(lián)結(jié)螺栓周圍安設(shè)充填式防水墊圈。在（管片背面）注漿孔內(nèi)設(shè)置緩膨脹性止水環(huán),在其孔口處充填止水材料。為了防止海水進(jìn)入隧道內(nèi),同時(shí)考慮減少一次襯砌與二次襯砌之間的約束力,防止二次襯砌開裂,故在一次襯砌與二次襯砌之間鋪設(shè)防水層。該防水層采用聚乙烯烴塑料板（EVA）,板厚0.8mm,或聚乙烯一瀝青板（ECB）,其板厚1.0mm,并與厚3mm的無(wú)紡布疊合采川,防水板與無(wú)紡布呈網(wǎng)格狀粘結(jié)（廠制）。二次襯砌不另設(shè)止水帶。
該隧道在海底要承受巨大的水壓力,因此作為隧道單元的管片要求具有很高的強(qiáng)度和密實(shí)性,管片采用高爐礦渣水泥,礦渣摻入率為50％,從而降低了透水系數(shù),有效控制了混凝土溫度開裂,提高了管片的耐久性（長(zhǎng)期強(qiáng)度）。對(duì)于加礦渣后（冬季）早期脫模強(qiáng)度較低和干燥收縮裂紋較多兩個(gè)缺點(diǎn),工程上采取了加熱,旨料,用溫水拌和混凝土,并采取水中養(yǎng)生7日以上,加濕保養(yǎng)管片等措施,取得較好效果（早期強(qiáng)度要求1500MPa）。
隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)存在若干金屬件,以及海水下混凝土均應(yīng)考慮防腐蝕問題。在海底土層中,金屬件的腐蝕速度估計(jì)為0.03mm每年,考慮結(jié)構(gòu)100年的耐用期,則鋼材的防腐厚度為3mm,管片混凝土表面增加5cm（外側(cè)）或4cm（內(nèi)側(cè)）的防腐層,二次襯砌也考慮4cm的防腐層。螺栓表面采取鍍鋅鉻或氟化乙烯樹脂油漆。
東京灣是一個(gè)多地震地區(qū),隧道主要在軟弱粘土地層（沖積層）中通過(guò),又多處與豎升等鉛垂方向結(jié)構(gòu)物相聯(lián)結(jié),抗震性能要求極高。
該隧道進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)。隧道橫截方向用響應(yīng)位移法和地震響應(yīng)法分別進(jìn)行了校核,表明橫向聯(lián)結(jié)螺栓已滿足抗震要求。隧道軸向是抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn),用動(dòng)態(tài)解析法進(jìn)行了校核,決定在軸向采用了高強(qiáng)且具有一定柔性的長(zhǎng)螺栓（長(zhǎng)62cm）聯(lián)結(jié)管片。
在結(jié)構(gòu)解析中,未考慮二次襯砌,它的作用僅是增加隧道自重,并保護(hù)一次襯砌,因此二次襯砌只考慮自重荷載利水壓荷載即可。抗震設(shè)計(jì)所考慮的地層條件分別為地質(zhì)構(gòu)成、地層容重、地層的剛性及衰減系數(shù)。
為了能承受海水壓力等荷載,必須提高隧道橫截方向的剛度。為此,將每環(huán)等分為11管片,即加入了最后插入安裝的拱頂K管片的尺寸,并采取從前進(jìn)方向插入安裝的辦法,使得管片呈等分狀,從而提高了盾構(gòu)環(huán)圈的剛度。
該海底隧道長(zhǎng)約9.5km,其安全設(shè)施及營(yíng)運(yùn)通風(fēng)非常重要。安全設(shè)施分為二類：①公路利用者自行使用的（緊急電話、手動(dòng)報(bào)警裝置、滅火器、消火栓、避難誘導(dǎo)標(biāo)志、避難口）；②向公路利用者通報(bào)或警告用的（隧道入口及洞內(nèi)情報(bào)板、信號(hào)燈、有線廣播、無(wú)線廣播）：③公路管理者使用的（火災(zāi)檢測(cè)器、ITV攝像器、通風(fēng)（排煙）設(shè)備、路面板下部空間通風(fēng)設(shè)備、給水栓、送水口、滅火器、消火栓、水泡沫噴淋裝置、管理用升降口、管理人員通道、電梯、救援用直升飛機(jī)機(jī)場(chǎng)、船舶靠岸設(shè)施等）。
該隧道很重要的一個(gè)特點(diǎn)是將管理人員通道及公路利用者避難通道設(shè)于隧道路面板下部空間,避難通道入口設(shè)于隧道左側(cè)檢修道處,按每300m間距設(shè)置。該入口設(shè)有滑道,即人員一旦進(jìn)入避.難口,很快可乘滑道到達(dá)隧道下部空間（安全檢查區(qū)域）。另在該入口附近還設(shè)有由下部管理通道上到路面的管理用升降口,以用于緊急情況時(shí)滅火、救援活動(dòng)的通道,還可用于隧道保養(yǎng)維修。
該隧道內(nèi)設(shè)有降煙霧用的水噴淋裝置,按5m間距設(shè)置噴嘴,50m為一個(gè)水噴霧區(qū)段,可在二個(gè)區(qū)段同時(shí)放水。為提高控制火災(zāi)效果,采用水性泡沫滅火藥劑（3％型）與水混合的水噴霧。該噴霧裝置在消防隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)前可有效控制火災(zāi)的漫延。
當(dāng)交通事故或火災(zāi)發(fā)生時(shí),救援人員或救援車輛從受災(zāi)車輛后面到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)較為困難,這時(shí)可從非火災(zāi)段隧道通過(guò)川崎人工島的車道連接通道到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。另外,還可以浮島、木更津兩洞口利用管理通道（下部空間）到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),從而有效進(jìn)行滅火、救援活動(dòng)。
該隧道按每150m間距設(shè)置監(jiān)視攝像器,可監(jiān)視洞內(nèi)任何位置的情況,與報(bào)警設(shè)施、滅火設(shè)施及避難設(shè)施等構(gòu)成一個(gè)整體。東京灣海底隧道洞內(nèi)情況,在日本道路公團(tuán)東京第二管理局的交通管制室和設(shè)施控制室實(shí)行24小時(shí)不間斷監(jiān)控。當(dāng)火災(zāi)檢測(cè)器檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí),要選擇火災(zāi)聯(lián)動(dòng)方式,即自動(dòng)切換到將滅火水泵、照明設(shè)備、排煙設(shè)備、下部空間通風(fēng)設(shè)施、緊急報(bào)警裝置等相聯(lián)動(dòng)的狀態(tài)；另外,當(dāng)用緊急.電話報(bào)告或ITV攝像器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí),同樣地由設(shè)施控制室切換到聯(lián)動(dòng)狀態(tài)。東京灣海底隧道的安全設(shè)施及其通風(fēng)系統(tǒng)非常先進(jìn)、齊全,造價(jià)當(dāng)然也高昂,這是以“優(yōu)先考慮人的生命”為設(shè)計(jì)思想形成的。
在川崎人工島（隧道中央部）、木更津人工島（橋隧結(jié)合部）、浮島（接岸部）三個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)出發(fā)基地建成,并運(yùn)來(lái)盾構(gòu)機(jī)等施工機(jī)械之后,即可進(jìn)行隧道掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)共分8個(gè)工區(qū),即8個(gè)掘進(jìn)面。總的工序是兩端（木更津島和浮島）先于中央（川崎島）掘進(jìn)。
該隧道全部采用泥水加壓式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī),分別由日立造船、川崎重工、三菱重工、三井造船、小松、石川島重工、日立建機(jī)等制造。掘進(jìn)機(jī)外徑14.14m,主機(jī)長(zhǎng)13.5m；板厚：前倉(cāng)和中倉(cāng)為70mm,尾倉(cāng)為80mm或40mm,盾構(gòu)掘進(jìn)千斤頂48只,推進(jìn)速度45mm／min。
該盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在以下5個(gè)方面具有特點(diǎn)：
a. 管片的輸送、提升、安裝等工序采用全自動(dòng)成套系統(tǒng)。
b. 為防止高壓水進(jìn)入機(jī)械倉(cāng)內(nèi),在盾構(gòu)機(jī)后倉(cāng)尾部擋板外設(shè)置了4段密封帚（層）及緊急止水裝置。密封帚由彈簧鋼、鋼絲刷、不銹鋼制鋼網(wǎng)構(gòu)成,為了防銹,前二者采用氟化乙烯樹脂涂層,每段密封帚長(zhǎng)0.25m（最外側(cè)為0.3m）。
緊急止水裝置設(shè)在（自掘進(jìn)面后）第2和第3密封帚之間的位置。為提高止水性,在各密封帚之間注入潤(rùn)滑脂（黃油）,采用黃油注入泵連續(xù)或非連續(xù)地注入。
c. 為防止管片變形,設(shè)置了上下擴(kuò)張式真圓保持裝置。
d. 為探測(cè)掘進(jìn)面前方有否障礙物以及監(jiān)視掘進(jìn)面情況,設(shè)置了地下雷達(dá)探測(cè)裝置。
e. 為了便于與對(duì)方掘進(jìn)機(jī)對(duì)接,設(shè)置了探查鉆孔裝置和凍結(jié)管等裝置。整個(gè)掘進(jìn)作業(yè)全面納入計(jì)算機(jī)管理,主要由三個(gè)大的系統(tǒng)來(lái)承擔(dān),即①盾構(gòu)掘進(jìn)綜合管理系統(tǒng)：②掘進(jìn)方向自動(dòng)控制系統(tǒng)；③掘進(jìn)面前方探查與控制系統(tǒng)。另外,為保證隧道平縱線形的正確性,在洞外測(cè)量、豎井導(dǎo)入測(cè)量、洞內(nèi)測(cè)量、掘進(jìn)控制測(cè)量等方面均采用了先進(jìn)技術(shù)。
盾構(gòu)機(jī)從隧道兩側(cè)掘進(jìn),對(duì)接的精度非常重要。當(dāng)初從機(jī)械誤差及測(cè)量誤差考慮,預(yù)計(jì)對(duì)接時(shí)錯(cuò)位誤差為200mm,但在兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)相對(duì)面距離為50m處時(shí)錯(cuò)位誤差為180mm,經(jīng)過(guò)調(diào)整,對(duì)接時(shí)僅為5mm。
對(duì)接鉆探采用了無(wú)線電放射性同位素（R1）技術(shù)（猶如醫(yī)生的聽診器）。對(duì)接工程順序?yàn)椋?/P>
a. 先期到達(dá)預(yù)定位置的盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn),撤除盾構(gòu)機(jī)封隔墻后方部分設(shè)備,安裝探測(cè)鉆頭。
b. 后期到達(dá)的盾構(gòu)機(jī)在相距50m處停住,先到盾構(gòu)機(jī)向后到盾構(gòu)機(jī)鉆探,采用無(wú)線電放射性同位素（R1）技術(shù)測(cè)定兩機(jī)相對(duì)錯(cuò)位量,即第一次鉆探（探測(cè)傳感器設(shè)置于鉆桿前端）。
c. 后到盾構(gòu)機(jī)根據(jù)此錯(cuò)位量邊修正盾構(gòu)機(jī)變位量邊掘進(jìn)。
d. 后到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到30m處時(shí),第二次鉆探測(cè)定相對(duì)錯(cuò)位量。
e. 再次邊修正邊掘進(jìn),在對(duì)接前夕,其刀刃面非常緩慢地靠近對(duì)方刀刃面,其間空隙為0.3m。
f. 這時(shí)對(duì)后到盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行解體,并作凍土保護(hù)（地基改良）工程準(zhǔn)備。
當(dāng)兩機(jī)之間空隙為0.3m時(shí),對(duì)該接合部的地層施作2m厚的環(huán)狀凍結(jié)處理。凍結(jié)管直徑89mm,長(zhǎng)4m,按1m間距共48根,呈放射狀,從先到盾構(gòu)機(jī)前面斜向插入地層中,進(jìn)行凍結(jié),另外,為了使盾構(gòu)機(jī)周圍地層完全達(dá)到凍結(jié)程度,在兩臺(tái)對(duì)向的盾構(gòu)機(jī)前端分別2.5m范圍內(nèi)設(shè)置了緊貼式凍結(jié)管。為了縮短工期,該凍結(jié)管是在盾構(gòu)機(jī)工廠制作時(shí)預(yù)先安裝上去的（一般的情況是掘進(jìn)完成后在現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)安裝的）。為了確認(rèn)凍結(jié)溫度,分別從兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)各插入8根測(cè)溫管。待凍結(jié)厚度達(dá)到2m時(shí),開始拆除盾構(gòu)機(jī)密封墻。
凍結(jié)作業(yè)中非常重要的是凍結(jié)對(duì)隧道主體的影響,即凍結(jié)后土體體積增大,是否會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)變位,或引起管片環(huán)開裂,為此,設(shè)置了沉降測(cè)器進(jìn)行觀測(cè),并通過(guò)凍結(jié)溫度和速度來(lái)控制。
整個(gè)對(duì)接及貫通施工的作業(yè)順序：
a. 由先到盾構(gòu)機(jī)實(shí)施鉆探,后到盾構(gòu)機(jī)根據(jù)鉆探結(jié)果邊修正邊掘進(jìn),至到對(duì)接位置,然后拆除盾構(gòu)機(jī)密封墻后方的設(shè)備（即第一次解體）。
b. 插入放射式凍結(jié)管,對(duì)地中接合部實(shí)施凍結(jié),使其形成凍土,同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行第一次解體的工作。
c. 第一次解體工作完成后,剩下密封墻,在兩盾構(gòu)機(jī)刀刃盤面之間焊接。型鋼制止水板（暫時(shí)留下密封墻是為了防止萬(wàn)一的情況發(fā)生）。
d. 鋼止水板焊接工作完成后,對(duì)刀刃面周邊部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),然后拆除密封墻以及盾構(gòu)機(jī)其它機(jī)械部分（即第二次解體）。
e. 在地中對(duì)接部設(shè)置3環(huán)鋼制管片,經(jīng)鋪設(shè)防水板后,澆筑二次襯砌,然后,對(duì)凍土進(jìn)行強(qiáng)制解凍,并實(shí)施襯背注漿。
送入洞內(nèi)的管片由盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)裝置進(jìn)行組裝。該裝置由具有3個(gè)功能的設(shè)備構(gòu)成：①洞內(nèi)運(yùn)送管片的絞車及輸送機(jī)（能連續(xù)輸送11塊管片）；②升降式管片安裝機(jī)（能自動(dòng)完成旋轉(zhuǎn)、伸縮等作業(yè),具有自動(dòng)定位功能）：③螺栓聯(lián)結(jié)并緊擰裝置（能自動(dòng)作業(yè)）。
管片四周粘貼防水密封條和緩沖材料。密封條在抗壓性、耐久性和施工性三方面均作了試驗(yàn),保證能滿足設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求。
防水板各接口均在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行烙接,烙接方法采用熱式自動(dòng)烙接機(jī)。為判斷烙接部的止水性,在該處設(shè)置檢查溝,為此采取了雙列烙接,搭接寬8 cm～10cm,烙接檢查采取負(fù)壓試驗(yàn)。鋪掛防水板（含無(wú)紡布）時(shí),需要安設(shè)鋼筋錨桿作為臨時(shí)吊掛支點(diǎn),該處對(duì)防水板開孔,然后將螺母、墊圈、水膨脹橡膠襯圈與吊桿形成整體,并擰固。
二次襯砌工程包括仰拱、側(cè)墻、中壁、路面板、上半拱及檢修通道5部分,全部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
二次襯砌每段澆注長(zhǎng)度為15m,其澆注接頭處的施工縫或微小錯(cuò)臺(tái)縫需要作適當(dāng)補(bǔ)修：混凝土澆注后,在區(qū)段中可能發(fā)生收縮開裂,同樣要作裂縫補(bǔ)修處理,以防止內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕。施工縫或收縮裂縫均取0.5mm為管理基準(zhǔn)值,補(bǔ)修材料分別采用氨基甲酸乙脂（類）粘接劑（亦稱尿烷類材料）、樹脂砂漿或?yàn)r青類涂料。
東京灣跨海公路所處的水域,其水深約30m,海底地層為淤泥或軟弱厚層,又是地震多發(fā)地區(qū),在這樣嚴(yán)峻的自然條件下,隧道采用了安全可靠且快捷施工的新技術(shù)。開發(fā)適合在大水深且海底軟弱地層中施工的大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)和相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其具有代表性的新技術(shù)。在隧道防災(zāi)技術(shù)方面也采用了新技術(shù),例如將避難通道及管理通道設(shè)于隧道下半部窨,形成可避難、救援和消防的完整防災(zāi)系統(tǒng)。總之,東京灣跨海公路隧道工程所開發(fā)出來(lái)的許多新技術(shù)可推廣應(yīng)用于今后的盾構(gòu)隧道工程。
2.3 中國(guó)山西省萬(wàn)家寨引黃工程TBM施工
萬(wàn)家寨引黃工程是從根本上解決山西水資源緊缺,促進(jìn)山西工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,提高人民生活水平,維系國(guó)家能源重化工基地發(fā)展的生命工程,由萬(wàn)家寨水利樞紐、總干、南干、連接段、北干等部分組成。
樞紐工程是在偏關(guān)縣萬(wàn)家寨村西黃河上修建一座90m高的混凝土重力壩,庫(kù)容8.96×108m3,壩后建一調(diào)峰電站,裝機(jī)容量108×104kW,年發(fā)電量27.5×108kWh。
引黃工程從萬(wàn)家寨水利樞紐庫(kù)區(qū)取水。年引水總量12×108m3。由萬(wàn)家寨向東至偏關(guān)縣下土寨村為總干線,全長(zhǎng)44.35km,引水流量48m3/s；由下土寨村分水往南過(guò)偏關(guān)河穿越管涔山到寧武縣頭馬營(yíng)村為南干線,全長(zhǎng)102.4公里,引水流量25.8 m3/s,每年可向太原供水6.4×108m3；由下土寨村往東過(guò)朔州、神頭折北到大同趙家小村水庫(kù)為北干線,全長(zhǎng)166.88km,引水流量22.2 m3/s,每年可向朔州、大同地區(qū)供水5.6×108m3；從寧武縣頭馬營(yíng)村南干隧洞出口到太原市接水口呼延村水廠為連接段,全長(zhǎng)138.60km,包括81.20km的天然河道和57.40km的輸水管線。
引黃工程分兩期完成。一期工程建設(shè)總干線、南干線、聯(lián)接段和部分機(jī)組的安裝,集中解決太原地區(qū)用水,一期工程概算112.97億元,其中利用世界銀行貸款4.0億美元,其余建設(shè)資金使用水資源補(bǔ)償費(fèi)。二期工程建設(shè)北干線和南干泵站剩余機(jī)組的安裝。工程實(shí)行國(guó)內(nèi)國(guó)際招投標(biāo)制。工程建成后,基本滿足2020年前或更長(zhǎng)一段時(shí)期山西省太原、大同、朔州等地區(qū)工業(yè)及365JT城市生活的用水需要。
總干線的6#、7#、8#洞全長(zhǎng)約22km,已于1993年3月由意大利的CMC公司中標(biāo)承建,使用一臺(tái)目前世界上最先進(jìn)的隧洞施工機(jī)械即全斷面雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工；開挖直徑6.125m；成洞直徑5.46m。于1994年7月至1997年9月歷時(shí)三年兩個(gè)月貫通。隧洞經(jīng)過(guò)的地質(zhì)條件大部分為石灰?guī)r地層,局部夾有N2紅土層；隧洞進(jìn)出口部位均覆蓋著Q2、Q3黃土層；地下水不發(fā)育,未遇到較大的地質(zhì)構(gòu)造。
南干線的4#、5#、6#、7#隧洞全長(zhǎng)約90km,由意大利的Impregil。公司和CMC公司以及中國(guó)水電四局組成的萬(wàn)龍聯(lián)營(yíng)體中標(biāo)承建,用四臺(tái)全斷面雙護(hù)盾TBM對(duì)該工程全線進(jìn)行施工。
南干4#、5#、6#、7#隧洞地質(zhì)條件主要為灰?guī)r（前57km）和砂巖、泥頁(yè)巖互層（后33km）。6#洞有溶洞、地下水和局部軟弱層。7#“洞有地下水、煤層、膨脹巖和摩天嶺大斷層,其影響帶約長(zhǎng)300m。隧洞開挖直徑4.82 m ～4.94m,成洞直徑4.20 m ～4.30m。南干4#、5#、6#、7#隧洞于1997年9月至2001年5月歷時(shí)3年8個(gè)月貫通。
聯(lián)接段7#隧洞長(zhǎng)13.5km,采用一臺(tái)全斷面雙護(hù)盾TBM施工,并且已經(jīng)由意大利CMC公司中標(biāo)承建。隧洞地質(zhì)條件為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖,地下水位低于洞線。隧洞開挖直徑4.819m,成洞直徑4.14m。目前,該隧洞正在掘進(jìn)中,并創(chuàng)造了最高日掘進(jìn)113m和最高月進(jìn)尺1645m的記錄。預(yù)計(jì)2001年年底以前該洞能建成完工。
綜上所述,山西省萬(wàn)家寨引黃工程總計(jì)采用6臺(tái)TBM進(jìn)行無(wú)壓引水隧洞的施工,其掘進(jìn)總長(zhǎng)度為125.5km。
掘進(jìn)機(jī)是這樣工作的：后盾通過(guò)緊固裝置,牢牢地固定在洞壁上,而后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在推進(jìn)液壓缸的作用下,帶動(dòng)刀頭破巖,此時(shí)配套輔助設(shè)備均停留在洞內(nèi),棄碴由周邊鏟斗不停地鏟起,通過(guò)漏斗和溜槽卸到工作面的皮帶運(yùn)輸機(jī)上,出碴列車在皮帶機(jī)底部接碴。在后盾的安裝室,同時(shí)進(jìn)行調(diào)運(yùn)和安裝混凝土管片,并在安裝好的管片背后和圍巖之間充填豆礫石和灌漿。在掘進(jìn)過(guò)程中,可控制推進(jìn)液壓缸的油量來(lái)完成掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)向。
當(dāng)?shù)额^與前盾向前推進(jìn)完成掘進(jìn),暫停工作后,前盾借助加緊裝置固定在巖壁上,后盾則通過(guò)推力液壓機(jī)缸的反作用力,向前推進(jìn),后續(xù)列車由固定在刀頭支架上的一組特別牽引液壓機(jī)缸向前推進(jìn)。在后續(xù)列車前移時(shí),通過(guò)操縱相應(yīng)的裝置,自動(dòng)延伸風(fēng)筒、水管、電纜和軌道,至此即完成了一個(gè)循環(huán)的破巖、石碴裝運(yùn),延伸管線的工作。
掘進(jìn)方向的掌握是依靠安裝在機(jī)頭上的激光導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生的激光束反映到光目標(biāo)上,再反映到測(cè)斜儀上,為操作人員提供刀頭和前護(hù)盾的位置信息,該信息與理論軸線的差異可以精確到毫米。根據(jù)掘進(jìn)的速度及進(jìn)尺每隔100m左右向前移動(dòng)一次激光機(jī)。對(duì)TBM單向掘進(jìn)貫通精度的要求如表1所示。
表1 TBM單向掘進(jìn)貫通精度的要求
全部貫通測(cè)量精度
橫向≤280mm
縱向≤570mm
豎向≤40mm～60mm
注：表中豎向精度根據(jù)無(wú)壓引水隧洞底坡的大小決定。底坡大,取上限值。底坡小,取下限值。
此外,在TBM上安裝瓦斯探測(cè)器對(duì)可能存在的瓦斯進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)出警告聲,并能自動(dòng)中止TBM的工作。
雙護(hù)盾TBM的特點(diǎn)是開挖、襯砌一次完成,邊開挖、邊襯砌。混凝土預(yù)制管片做成六邊形蜂窩狀。安裝程序是將預(yù)制管片由專門運(yùn)輸車運(yùn)到距開挖工作面約40m處,再改由專門起吊裝卸設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)到距開挖工作面約8m～10m的后護(hù)盾內(nèi),先裝底拱片,再裝邊拱片,最后裝頂拱片。由于形狀為六邊形,所以每環(huán)的底片和兩側(cè)邊拱片相差半片寬度,邊片和頂片也相差半片寬度。這就使得每環(huán)的環(huán)縫均不在同一斷面上,各片各環(huán)間形成相互約束。
襯砌管片安裝后和TBM掘進(jìn)的洞徑之間存在著5cm左右的空隙,這也就是TBM護(hù)盾殼的厚度及其對(duì)圍巖的摩損形成的,必須用混凝土填充,使其密實(shí)。因此采用先回填豆礫石（粒徑為5 mm～10mm）再用水泥漿灌注,使其成為預(yù)壓骨料混凝土,既保證了施工期間管片的穩(wěn)定又能使管片和圍巖接觸緊密,形成整體共同承受外力的作用。回填程序?yàn)橄忍畹坠捌?再填兩側(cè)邊拱片,最后填頂拱片。豆礫石也是由專門罐車運(yùn)入洞內(nèi),由泵通過(guò)軟管及管片上的預(yù)留孔打入空隙,灌注水泥漿時(shí)壓力不超過(guò)0.2MPa。
每臺(tái)TBM有三個(gè)班組,其中一個(gè)班組每日上午進(jìn)行機(jī)械檢修、保養(yǎng)、清理、測(cè)量等工作,其他時(shí)間為正式掘進(jìn)、管片安裝、回填豆礫石、灌水泥漿等工作,由其余的兩個(gè)班組輪換工作。
預(yù)制混凝土管片每環(huán)均分為4片。根據(jù)不同洞徑,管片厚度分別為22cm、25cm和28cm：管片寬度分別為1.2m、1.4m和1.6m。又根據(jù)圍巖類別分別設(shè)計(jì)為A、B、C三種型號(hào)和A、B、C、D、E五種型號(hào)。混凝土管片在預(yù)制廠進(jìn)行加工生產(chǎn),根據(jù)掘進(jìn)速度及進(jìn)度要求,確定預(yù)制廠的生產(chǎn)規(guī)模及作業(yè)班次。管片廠采用蒸汽養(yǎng)護(hù)快速生產(chǎn)的工藝流程,包括鋼筋加工、混凝土澆注和養(yǎng)護(hù)。混凝土入倉(cāng)后通過(guò)液壓振動(dòng)臺(tái)及人工插入振搗聯(lián)合作業(yè)振搗,澆注好一片后推入預(yù)熱窯,經(jīng)過(guò)0.5h和50℃的預(yù)熱后馬上轉(zhuǎn)入高溫窯進(jìn)行蒸養(yǎng),溫度為80℃,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為2 h～3h。出窯脫模后,吊運(yùn)到廠房?jī)?nèi)部的預(yù)冷場(chǎng)預(yù)冷一晝夜,然后再轉(zhuǎn)移到露天存放或使用。在預(yù)冷期間要對(duì)每個(gè)管片進(jìn)行外觀檢查,如發(fā)現(xiàn)有蜂窩、麻面、掉邊角等質(zhì)量問題,則馬上進(jìn)行修補(bǔ),對(duì)不能修補(bǔ)或修補(bǔ)后仍有損強(qiáng)度或其他質(zhì)量問題的,則運(yùn)到廢品處放置或作他用。
掘進(jìn)中遇到的問題有以下幾方面：
a. 溶洞
該工程在TBM掘進(jìn)到總干6#洞時(shí)曾經(jīng)遇到兩處較大的溶洞,其體積約為30 m3~50m3。采用以下方法處理：先停機(jī),然后通過(guò)機(jī)頭上的人孔對(duì)溶洞的情況進(jìn)行觀察,再根據(jù)對(duì)溶洞的檢查情況,首先對(duì)底部進(jìn)行豆礫石或混凝土回填并使其密實(shí),當(dāng)?shù)撞咳刻畹蕉醋娱_挖直徑的高程時(shí),則開動(dòng)機(jī)子,邊前進(jìn)、邊安裝管片,對(duì)兩邊管片上開鑿人孔對(duì)兩側(cè)及頂拱溶洞的其他部位進(jìn)行填筑骨料灌漿或填筑混凝土,使溶洞部分都用混凝土填密實(shí),并且和安裝的管片結(jié)合成整體,起到完整圍巖的作用。
為了預(yù)防因巖溶造成機(jī)頭下沉的事故,用于巖溶發(fā)育地段施工的TBM應(yīng)配有超前鉆探設(shè)備。超前鉆探的深度應(yīng)大于每日的掘進(jìn)長(zhǎng)度,以確保TBM掘進(jìn)的安全。時(shí)間可安排在每日TBM檢修時(shí)進(jìn)行。
對(duì)于一些小溶洞的處理,可在TBM掘進(jìn)通過(guò)后,向襯砌管片與圍巖間回填豆礫石后,再通過(guò)灌漿固結(jié)即可。南干6#洞也遇到溶洞,同樣進(jìn)行了處理。
b. 斷層
摩天嶺大斷層是南干7#洞內(nèi)一區(qū)域性大斷層,其影響帶大約為300m長(zhǎng),為構(gòu)造角礫巖1999年5月28日,掘進(jìn)機(jī)開挖至摩天嶺斷層影響帶,發(fā)生了卡機(jī)事故,不得不停止掘進(jìn)。
卡機(jī)事故發(fā)生后,首先是打超前鉆,進(jìn)行超前化學(xué)灌漿、水泥灌漿：接著打上導(dǎo)洞,對(duì)TBM前、上方進(jìn)行化學(xué)灌漿和水泥灌漿,再對(duì)前方塌方體進(jìn)行了水泥灌漿。8月8日,上導(dǎo)洞前方發(fā)現(xiàn)一大空洞,再用水泥回填灌漿。在對(duì)塌方體進(jìn)行固結(jié)灌漿的同時(shí),將TBM刀盤附近的松散巖體進(jìn)行開挖,確保了TBM在8月31日啟動(dòng)成功。
因松散巖層對(duì)TBM后護(hù)盾壓力過(guò)大,造成后護(hù)盾變形,管片安裝護(hù)盾的一半連接螺栓折斷。采取了加焊鋼板的措施,使TBM在邊掘進(jìn)邊處理中穩(wěn)步通過(guò)。
經(jīng)過(guò)100多天的晝夜奮戰(zhàn),TBM掘進(jìn)機(jī)于9月7日順利通過(guò)大斷層。
c. 膨脹巖
由于膨脹巖的膨脹、收縮、崩解、軟化等一系列不良的工程特性,TBM在通過(guò)7#洞2.5km長(zhǎng)的中、強(qiáng)膨脹巖地層時(shí)采取以下措施：a.加強(qiáng)襯砌支護(hù)：有關(guān)資料表明,7#隧洞強(qiáng)膨脹性巖的飽和極限膨脹壓力可達(dá)到3.0MPa以上,因此在襯砌管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮圍巖膨脹力對(duì)管片可能施加的荷載,確保襯砌結(jié)構(gòu)安全。b.做好止水防滲：施工時(shí),特別注意襯砌管片接縫寬度的控制和止水條安裝的質(zhì)量。膨脹巖的含水量損失越小越好,防止圍巖崩解、軟化而使TBM下沉等事故的發(fā)生。c.增大開挖斷面：為了預(yù)留一定的圍巖膨脹變形量,施工時(shí)增大邊緣滾刀的外凸量或在TBM刀盤邊緣加焊鏟齒,以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)挖的目的。擴(kuò)挖量的大小應(yīng)根據(jù)TBM通過(guò)巖層的工程性質(zhì)及圍巖和隧洞的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整。
d. 土層
掘進(jìn)中總干6#洞遇到較長(zhǎng)一段N2紅土層,而且含水量較大,形成塑性從而造成粘刀頭的現(xiàn)象,使切削下來(lái)的粘泥不能較順利地從出渣漏斗排出。只好采用人工從出渣漏斗一點(diǎn)一點(diǎn)往外掏的辦法將其排除,進(jìn)度非常緩慢。當(dāng)然,如果所掘進(jìn)的地質(zhì)條件全部屬于這種地層,則可選用盾構(gòu)機(jī)。
土層中還遇到機(jī)頭下沉,這在總干7#洞的Q2、Q3黃土層內(nèi)出現(xiàn)過(guò),其中有一處最大值達(dá)30 cm～50cm,使洞底在此處形成低洼段。主要是TBM操作者沒有提前將機(jī)頭上抬、使其逐步爬坡以抵消其下沉。其原因是沒有對(duì)此類地層承載能力能否滿足TBM機(jī)頭這樣大的壓力估計(jì)不足造成。
e. 錯(cuò)臺(tái)
錯(cuò)臺(tái)是管片安裝中普遍存在的一個(gè)問題,總干6#、7#、8#和南干4#、5#、6#、7#隧洞襯砌的每一圓環(huán)都是由4片管片組成,塊與塊間,環(huán)與環(huán)間都應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求組裝。但由于管片和圍巖有5cm左右的間隙,要求安裝管片時(shí)一是精心對(duì)縫,二是要立即回填豆礫石和灌漿,將管片和圍巖間空隙填死,使管片穩(wěn)固和不產(chǎn)生變位。合同要求接縫平整度不超過(guò)5mm,實(shí)際有些竟達(dá)到20mm～30mm之多。產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)原因主要是操作不熟練和操作不認(rèn)真。錯(cuò)臺(tái)表面用砂漿摻膨脹劑進(jìn)行勾縫。
在聯(lián)接段7#洞TBM施工中,承包商與業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位合作,對(duì)管片設(shè)計(jì)、管片安裝、回填豆礫石與灌漿等等方面進(jìn)行了改進(jìn),使接縫90％以上合格（即錯(cuò)臺(tái)小于5mm）。
f. 密封問題
TBM的大密封損壞是一件大事,大密封是用于封閉旋轉(zhuǎn)刀盤和TBM護(hù)盾之間的間隙,避免灰塵雜物進(jìn)入驅(qū)動(dòng)缸體或護(hù)盾殼內(nèi),要求密封條應(yīng)耐磨有彈性,能適應(yīng)由于弱性變形引起的密封間隙加寬現(xiàn)象。這要求密封材料具有最大的適應(yīng)變形的能力,在溫度不超過(guò)100℃的情況下,材料特性保持不變。TBM開挖室的溫度一般在40℃以上,加上電動(dòng)機(jī)散熱,使密封唇摩擦生熱很快超過(guò)允許溫度。因此,需用多排密封并列放置,形成環(huán)形室,再通過(guò)向環(huán)形室注油來(lái)控制密封升溫,同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作保證TBM正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然,有時(shí)由于護(hù)盾刀口變形超過(guò)密封允許形值,使開挖石渣進(jìn)入刀頭與護(hù)盾殼間,加上刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸作用使密封損壞,也有時(shí)由于支撐力從刀頭傳遞到主軸承發(fā)生偏心。
山西省萬(wàn)家寨引黃工程引水隧洞先后使用了6臺(tái)雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工,是到目前為止國(guó)內(nèi)應(yīng)用TBM最多的工程。
實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可初步歸納以下幾方面。
a. 長(zhǎng)隧道采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工,具有快速、安全、掘進(jìn)和襯砌同時(shí)完成的優(yōu)點(diǎn)。萬(wàn)家寨引黃工程TBM施工證實(shí)了這一結(jié)論。
通過(guò)業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理諸方面的合作,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),吸取教訓(xùn),從總干6#、7#、8#隧洞施工質(zhì)量不能令人滿意,到聯(lián)接段7#隧洞施工質(zhì)量達(dá)到以下令人滿意的指標(biāo)：
①開挖誤差控制到水平方向±150mm,垂直方向（即豎向）±50mm。
②管片安裝錯(cuò)臺(tái)90％控制在5mm范圍內(nèi),管片接縫基本合格。
③豆礫石回填和水泥灌漿基本達(dá)到滿填滿灌,一次完成。
④管片接縫勾縫平滑、均勻、無(wú)微細(xì)裂縫,粘結(jié)緊密。
⑤管片生產(chǎn)、安裝無(wú)明顯破損或其他質(zhì)量缺陷。
⑥創(chuàng)造了TBM最高日進(jìn)尺113m和最高月進(jìn)尺1645m的記錄。
b. 長(zhǎng)隧洞采用TBM施工必須進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),否則遇到不良地質(zhì)將不僅會(huì)拖延工程進(jìn)度,而且會(huì)使工程陷于被動(dòng)。
c. 長(zhǎng)隧洞采用TBM施工而成洞直徑不大（例如本項(xiàng)工程南干D=4.30 m～4.20）時(shí),要十分重視洞內(nèi)輕軌車輛交通安全,避免人員傷亡。萬(wàn)家寨引黃工程南干TBM施工的洞內(nèi)交通事故死亡5人,傷2人。
d. 采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行隧洞施工時(shí),必須對(duì)管片安裝人員先培訓(xùn)后上崗,或聘用具有管片安裝經(jīng)驗(yàn)的操作人員,否則初期管片安裝質(zhì)量和進(jìn)度不能得到保證。
e. 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖粉,沉積在隧洞底部120°范圍內(nèi),并且?guī)r粉被主機(jī)自重壓得十分密實(shí),水泥灌漿難能灌入巖粉層,形成強(qiáng)度低于灌漿后豆礫石層的一個(gè)弱層。
f. 由于萬(wàn)家寨引黃工程所用的6臺(tái)TBM全部是雙護(hù)盾式,只能在護(hù)盾底部或側(cè)面觀察小窗口了解圍巖情況,使得地質(zhì)填圖工作十分困難,這是雙護(hù)盾TBM的缺點(diǎn)。
g. 采用雙護(hù)盾TBM并配合預(yù)制管片襯砌進(jìn)行隧洞施工的工程,只適用于無(wú)壓引水的水利水電工程。當(dāng)然,公路和鐵路的隧道不輸送水,這種型式TBM是能充分發(fā)揮作用的。
3 長(zhǎng)隧道TBM施工中的若干問題
3.1 超前地質(zhì)探測(cè)問題
由于長(zhǎng)隧道在施工前的地質(zhì)勘查不可能做得十分詳盡,因此常常在施工中出現(xiàn)一些不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害,例如涌水、巖溶、瓦斯、斷層、膨脹巖、高地應(yīng)力、圍巖大變形等。我國(guó)在60年代修建的成昆鐵路全線共有415座隧道,其中發(fā)生涌水問題的占93.5％。在危地馬拉的Rio Chixoy水電站的27km長(zhǎng)的供水隧道中,因遇到巖溶,一臺(tái)TBM被埋在一個(gè)侵蝕洞穴。委內(nèi)瑞拉的Yacambu隧道長(zhǎng)27km,其圍巖收斂變形每分鐘達(dá)到20cm,致使TBM無(wú)法完成掘進(jìn)而停工。萬(wàn)家寨引黃工程南干7#隧洞遇到摩天嶺大斷層（影響帶長(zhǎng)達(dá)300m）,因進(jìn)行工程處理而延誤工期達(dá)3個(gè)月之久。因此,TBM在掘進(jìn)過(guò)程中,必須有超前地質(zhì)探測(cè)的保證。
TBM在掘進(jìn)過(guò)程中,通常每天在停機(jī)維護(hù)的期間,用多方向支撐液壓鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆探,預(yù)測(cè)可能影響掘進(jìn)的問題或異常現(xiàn)象。但一般超前鉆探約20m～30m,TBM掘進(jìn)速率每天超過(guò)20m～30m時(shí),則不能滿足預(yù)測(cè)的需要。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)還有隧道地震預(yù)報(bào)法、高密度電阻率CT法和地下雷達(dá)法。
在20世紀(jì)70年代末,美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了地下雷達(dá)（又稱地質(zhì)雷達(dá)或探地雷達(dá)）。80年代以來(lái),逐步臻于完善,進(jìn)入了實(shí)用階段。我國(guó)于90年代研制出了PEIR－9001型礦用本安型探地雷達(dá)和TL一1A型探地雷達(dá)[4]。
法國(guó)巴黎Eole工程在TBM掘進(jìn)過(guò)程中利用地下雷達(dá)進(jìn)行了超前探測(cè)[1]。該工程共進(jìn)行了十二組雷達(dá)搜索,總長(zhǎng)577m,徑向范圍為鉆孔周圍5m范圍內(nèi)。地下雷達(dá)探測(cè)獲得了以下三方面的信息：低非均質(zhì)雷達(dá)區(qū),指示減壓區(qū)、低密度泥灰?guī)r；局部能量反射,指示有石膏體、水囊、或空穴存在；光點(diǎn),說(shuō)明可能有破碎帶或界面變化。掘進(jìn)過(guò)程證實(shí)了雷達(dá)結(jié)果。日本東京灣跨海公路隧道（1989—1997）也利用了地下雷達(dá)進(jìn)行超前探測(cè)[3] 。地下雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)在于可無(wú)損、快速、準(zhǔn)確探測(cè)到TBM前方的具體地質(zhì)困難及其位置,以便及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理。今后地下雷達(dá)必將在TBM施工中發(fā)揮重要的作用。
3.2 長(zhǎng)隧道工程質(zhì)量的檢查驗(yàn)收問題
TBM施工長(zhǎng)隧道具有快速高效的特點(diǎn)。但是,對(duì)這些長(zhǎng)隧道施工質(zhì)量的檢查驗(yàn)收通常靠利用回彈儀、鉆孔抽查等常規(guī)手段。這些手段不能對(duì)隧道全線的工程質(zhì)量作出全面完整的可靠的檢驗(yàn)。瑞士安伯格測(cè)量技術(shù)有限公司研制出TS360型系列隧道掃描器[5]滿足了隧道全線工程質(zhì)量檢測(cè)的需要。其中的TS360BT型隧道掃描器能測(cè)繪出襯砌表面后的缺陷。此儀器安置在運(yùn)載車上,以每小時(shí)2km～4km的速率沿隧道前進(jìn),儀器上的掃描鏡呈360°的旋轉(zhuǎn),于是掃描器記錄下隧道沿程一條螺旋線上的溫度差異的信息。經(jīng)過(guò)對(duì)記錄下的信息資料的數(shù)據(jù)處理,便可了解到襯砌質(zhì)量的狀況。此儀器已被多項(xiàng)隧道工程用來(lái)進(jìn)行質(zhì)量狀況的檢測(cè),例如瑞士的Baregg隧道（1990年）、蘇格蘭的Inver隧道（1991年）、英格蘭的Saltwood隧道（1992年）、瑞士的Fuchsenwinkel隧道（1993年）和法國(guó)的St.Germain隧道（1994年）。可以預(yù)見隧道掃描器將在長(zhǎng)隧道TBM施工質(zhì)量檢測(cè)中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。
3.3 長(zhǎng)隧道中TBM施工的安全問題
TBM在長(zhǎng)隧道中施工,萬(wàn)一發(fā)生事故,施工人員是難能迅速撤離出洞的。因此,TBM必須配備可靠的安全保護(hù)系統(tǒng)。總的采講,TBM施工的事故遠(yuǎn)比鉆爆法小[2]。例如,TBM法施工的長(zhǎng)49.2km的英吉利海峽隧道事故死亡10人；而鉆爆法施工的長(zhǎng)度與英吉利海峽隧道相近的日本青涵隧道長(zhǎng)53.9km死亡達(dá)34人。
TBM施工中發(fā)生水、火災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)不大,但是丹麥GreatBelt工程[1]隧道4臺(tái)TBM在施工中就遇到了罕見的水、火災(zāi)害。1991年10月14日在該工程西面掘進(jìn)的兩臺(tái)TBM中的南線TBM工作面,發(fā)生了嚴(yán)重的涌水事件,在沒有任何前兆的情況,海水突然沖破了約12m的覆蓋層,進(jìn)入了機(jī)體,涌水形成了洪水,沖壞了西面的兩臺(tái)TBM。后來(lái)又在1994年6月11日該工程?hào)|面的一臺(tái)TBM發(fā)生了嚴(yán)重的火災(zāi),TBM驅(qū)動(dòng)刀頭的12臺(tái)液壓馬達(dá)中的一臺(tái)的液壓管路被燒斷,噴油著火,燒毀了該臺(tái)TBM。幸運(yùn)的是這兩次事件均未造成人員傷亡,特別需要指出的是嚴(yán)重的火災(zāi)持續(xù)了17小時(shí),周圍溫度高達(dá)700°左右,優(yōu)秀的防爆系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng),防爆緊急電源開始工作,自動(dòng)氧氣罩的供給,保證了施工人員的安全撤離。這個(gè)實(shí)例強(qiáng)有力地說(shuō)明TBM施工必須有可靠的安全保護(hù)系統(tǒng),同時(shí)也充分地說(shuō)明只要采用了可靠的安全保護(hù)系統(tǒng),TBM的施工安全是可以得到保證的。
3.4 長(zhǎng)隧道的出口
當(dāng)隧道采用TBM獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)20km,又無(wú)條件增設(shè)支洞或豎井時(shí),將會(huì)由于向洞外出渣運(yùn)距加長(zhǎng),向洞內(nèi)運(yùn)送人員、物資時(shí)間增加等原因,而降低TBM的效率。同時(shí)萬(wàn)一洞內(nèi)發(fā)生意外事故,增加人員的危險(xiǎn)性。因此,通常在單條長(zhǎng)隧道情況下,大約需要每隔l0km～15km設(shè)置一出口。
3.5 洞內(nèi)交通安全
長(zhǎng)隧道內(nèi)徑不大的洞內(nèi)交通安全是一項(xiàng)需要引起足夠重視的問題。本文工程實(shí)例之一的我國(guó)山西省萬(wàn)家寨引黃工程南干4#、5#、6#、7# 隧洞使用4臺(tái)TBM施工（總長(zhǎng)約90km,內(nèi)徑4.30 m～4.20m）,施工人員因忽視洞內(nèi)列車往來(lái)的安全,導(dǎo)致5人死亡2人受傷。
3.6 TBM的部件儲(chǔ)備
長(zhǎng)隧道采用TBM時(shí),TBM的一些零部件容易摩損,需要更換。因此,必須有一定數(shù)量的易損部件的儲(chǔ)備,否則會(huì)導(dǎo)致停機(jī)待料,延誤工期,造成損失。通常部件庫(kù)存量應(yīng)是整機(jī)數(shù)量的10％,其供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)有充足的貨源,完善的庫(kù)房,良好的運(yùn)輸和通訊條件以及高效的管理人員。
4 發(fā)展趨勢(shì)
世界各國(guó)大力發(fā)展經(jīng)濟(jì),提高生產(chǎn),導(dǎo)致大量的物資交換和文化交流,同時(shí)也要求不斷改善環(huán)境。這必將推動(dòng)長(zhǎng)隧道的修建。隨著歐洲聯(lián)盟各國(guó)的政治經(jīng)濟(jì)一體化,運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸能力需要迅速提高,預(yù)計(jì)在今后20年里運(yùn)輸量翻番,而阿爾卑斯山脈為歐洲南北運(yùn)輸筑起了一道天然屏障,大部分貨物只得通過(guò)高速公路由汽車運(yùn)輸,造成環(huán)境問題（當(dāng)?shù)刈匀粭l件的破壞、大氣污染和噪音等）,使居民越來(lái)越無(wú)法忍受。為此,計(jì)劃從Rosenheim穿過(guò)阿爾卑斯山脈至Verona修建一條自動(dòng)化地下貨運(yùn)鐵路線,按雙洞單軌布置,單洞總長(zhǎng)大于500km。在國(guó)外擬建的長(zhǎng)隧道還有：法國(guó)Lyon至意.大利Torin的長(zhǎng)約54km的隧道；西班牙與摩洛哥之間穿過(guò)直布羅陀海峽的長(zhǎng)約50km的隧洞；聯(lián)接亞洲與美洲的長(zhǎng)約90km的白令海峽隧道；南非萊索托高原水利工程6條隧洞總長(zhǎng)200km。在國(guó)內(nèi)除南水北調(diào)西線第一期工程隧道總長(zhǎng)244.1km,其中最長(zhǎng)的73km的隧道以外,計(jì)劃的還有渤海海峽隧道長(zhǎng)約57km；瓊州海峽隧道長(zhǎng)約30km以及祖國(guó)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一后長(zhǎng)約144km的臺(tái)灣海峽隧道等。
上述這些長(zhǎng)隧道工程要求不斷完善TBM,使之能更好地滿足工程建筑的需要。TBM的發(fā)展趨勢(shì)可歸納如下：
a. 要求TBM能更適應(yīng)不利的地質(zhì)條件。例如,上面提到的穿越阿爾卑斯山脈單洞總長(zhǎng)大于500km的鐵路隧道,其覆蓋深度達(dá)1200m至2400m,圍巖初始應(yīng)力高,圍巖徑向變形可能在10cm～20cm范圍內(nèi),在某些極端情況下,可達(dá)30cm,甚至更大,要求TBM的開挖直徑是可變的。此項(xiàng)工程開挖直徑約6.5m,共需20多臺(tái)TBM同時(shí)在不同的圍巖中掘進(jìn)。因此,對(duì)TBM應(yīng)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)以滿足開挖直徑可變的要求。這樣從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)講,將趨向于兩極化。這就是既要設(shè)計(jì)能適合復(fù)雜地質(zhì)條件使用的、費(fèi)用高的多功能TBM,又要生產(chǎn)用于地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的、廉價(jià)的TBM。
b. 目前公路隧洞因多車道的需要,要求大斷面。三車道或三車道以上要求路面寬至少大于20m,有的甚至達(dá)到30m[1]。直徑達(dá)20m～30m的TBM正處于“預(yù)研究”階段。預(yù)計(jì)今后TBM將更大直徑化[6]。因此,大直徑TBM的設(shè)計(jì)制造和部件運(yùn)輸組裝是其技術(shù)上的主要趨勢(shì)之一。
c. 未來(lái)的發(fā)展方向之一是全自動(dòng)化TBM[1]。
d. 由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展,TBM計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工系統(tǒng)的開發(fā)也是發(fā)展方向之一。e. 目前主要用于工業(yè)和民用管道施工的微型TBM發(fā)展很快[7]。微型TBM技術(shù)水平日本居世界首位,
其次為西歐。
總之,TBM已在全球長(zhǎng)隧道工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用,并且其技術(shù)水平日益得到提高。展望未來(lái),TBM的應(yīng)用前景將是寬廣而喜人的！