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长隧道中隧道掘进机的应用
长隧道中隧道掘进机的应用作者：张镜剑文章来源：网友推荐点击数：149更新时间：1 概述 当隧道 （洞） 长度过长时,用常规钻爆法进行隧道施工将需要相当长的工期,隧道掘进机法施工则适合长隧道施工的需要。 隧道掘进机英文名称是 Tunnel Boring Machine,简称 TBM。 根据国外实践证明：当隧道长度与直径之比大于 600 时,采用 TBM 进行隧道施工是经济的。TBM 最大的优点是快速。 其一般速率为常规钻爆法的 3～10 倍。此外,采用 TBM 施工还有优质、安全、有利于环境保护和节省劳动力等优点。由于 TBM 提高了掘进速率,工期大为缩短,因此在整体上是经济的。 TBM 的缺点主要是对地质条件的适应性不如常规的钻爆 法；主机重量大：前期订购 TBM 费用较多；要求施工人员技术水平和管理水平高；对短隧道不能发挥其优越性。由于科 学技术的不断迅猛进步,现在 TBM 可以适应较为复杂的地质条件,从松散软土到极坚硬的岩石都可以应用,使用范围日益广 泛。TBM 的设计制造在一定程度上反映了一个国家的综合科学技术和工业水平,体现了计算机、新材料、自动化、信息传 输和多媒体等技术的综合和密集水平。一门叫做“地质机械电子学”的学科应运而生。它把机械原理、电子学原理和机器人 原理应用到岩土工程学中,包括所有岩土工程技术和 TBM 技术。未来的发展属于自动化隧道掘进机。目前,人们已能在办 公室控制掘进机操作一一法国的斯特拉堡工地证实了这一事实[1]。 掘进机的针对性很强,不同的地质条件需要不同的掘进机,也就产生了不同的掘进机；有的适用于软土,又称为盾构机：有 的适用于岩石。岩石掘进机可分为开敞式、单护盾式和双护盾式,并且已研制出能进行斜井施工的,例如,已用于日本东京附 近抽水蓄能电站压力管道斜井的施工。软土掘进机（盾构机）初期为气压手掘式,现今主要为泥浆加压式和土压平衡式,并 且已研制出能掘进圆形连续多断面隧道掘进机,已应用于日本 Hiroshima 新运输线的 Rijoh 隧道：研制出垂直―水平连续隧 道掘进机,已应用于日本东京污水隧道工程；研制出椭园形隧道掘进机,已应用于日本 Nagoya 的管道施工。此外,还研制出 既能在岩石又能在软土中掘进的两用混合型掘进机,已应用于英吉利海峡隧道法国侧隧道的施工、日本广岛污水隧道施工 以及我国连接香港的九龙和新界的西铁隧道施工。 世界上著名的岩石掘进机制造厂商是美国的罗宾斯（Robbins）公司和贾瓦（arva）公司、德国的沃斯（Wirth）公司和 德马克（Demag）公司以及瑞典的阿拉斯?科普柯（Atlas?Copco）公司。而软土掘进机则以日本川崎重工业公司生产的最 为著名。国外掘进机直径已达 14.14m（用于日本东京湾跨海公路隧道）。 我国 1966 年生产出第一台直径 3.4m 的掘进机,在杭州人防工程中进行过试验。70 年代进入工业性试验阶段,试制出 SJ5 5、SJ58、SJ64、EJ30 型掘进机。80 年代进入实用性阶段,研制出 SJ58A、SJ58B、SJ40/45、EJ30/32、EJ50 型掘进机,在河北引滦、福建龙门滩、青岛引黄济青、云南羊场煤矿、贵阳煤矿、山西古交和怀仁煤矿等工程中使用。但是,我国掘进机 与国外掘进机相比较,在技术性能和可靠性等方面还有相当大的差距,需要加快掘进机的整机研究、设计和生产,迎头赶上国 际先进水平。 自 1978 年我国实行改革开放以采,已有甘肃省引大入秦工程、山西省万家寨引黄工程和陕西省秦岭铁路隧道工程等项目 引入国外大型 TBM 进行隧道施工,取得了成功。 其中山西省万家寨引黄工程创造最高日掘进 113m 和最高月掘进 1650m 以 上的记录。 隧道掘进机除主机外,还必须配备配套系统,称为后配套系统。通常主机和配套系统总长度达 150m ～300m。配套系统包 括运碴、运料系统、支护设备、激光导向系统、供电装置、供水系统、排水系统、通风防尘系统和安全保护系统。用于水 工隧洞的还有注浆系统等。 TBM 法与钻爆法相比,其主要优点是掘进速度快,所以配套系统是满足连续快速掘进的关键因素, 其运输布置、运输能力、供水、排水流量、通风方式及风压、风量以及喷锚、混凝土管片安装、豆砾石喷射、回填灌浆的 速度,必须与掘进速度相匹配。 2 长隧道应用 TBM 的典型工程实例 2.1 英吉利海峡隧道 英吉利海峡隧道全长 49.2km,海下 37km,共有三条平行的隧道,其中两条单线铁路隧道,内径 7.6m,相距 30m.,中间隧洞留作 服务用,直径为 4.8m。每条主洞有一单线铁路与一人行道。服务隧洞则用作通风、维修及整体安全,而在施工期间则作为超 前地质预报。 隧道线路非直线也非水平,是依 19 世纪时已标定的蓝色白垩层而定,此种岩层坚实但不太硬,又不透水,是掘进的理想地 层。由古代沉积地层组成的英吉利海峡的地质状况十分稳定,无断层、无地震活动迹象、无褶皱、又无使地质情况复杂化 的大断层。然而在施工期间也有若干意外情况出现。隧道靠近蓝色白垩层的平均下部三分之一层厚处。隧道的底坡不得大 于 1.1％,在海面下的最大深度为 90m,即在海底下 40m 处。 英吉利海峡两岸的地层也不对称。 英国一侧海岸,地层褶皱平缓,白垩较完整。 法国一侧海岸,白垩层常有裂隙,加大了地层 的透水性,有碰到不稳定地层的危险性。而且还穿过一层含水的灰色白垩层达蓝色白垩层。故掘进技术不同。法国一侧,隧 道掘进机可在含水层中工作,而英国一侧,隧道掘进机是设计专用于干燥的地层。 另一方面,挖掘长度的分配也不一样,英国海 岸掘进总长为 92.4km,而法国海岸仅 57.6km,因那里的地层更难以工作。 隧道开挖会合处靠近法国海岸一边,理论上是在法国一侧,洞门起 19km 处。实际上会合处离之稍远,因法国人进展得比预 定的快。 隧道并不是单纯的配有铁轨的管道。随着隧道掘进的进展,或在隧道完工后,各种网路的设施都支承在隧道的壁上。整个 网路包括有信号电缆、700 部电话、5000 个扩音器、4 组光纤电缆以及消防水管和照明设施等。另外,还有输送部分冰冻水 流的大水管通过隧道用以降温。设有技术装备的地下房室则有专门的通风与冷却设施。.英吉利海峡海底隧道工地是 20 世纪最大的工地之一。1990 年 11 月估计的工程最终投资为 760.8 亿法郎；而集团投资增至 879 亿法郎,差额即用作备用金。 仅仅此工程浩大的费用说明了它的规模。各工地隔英吉利海峡而分成两摊,其方法及组织均有一定的特殊性,因在全斯曼彻 联合公司名下的各承包公司以其地理上的相近关系而组合在一起的。五家法国承包公司在法国一侧工作,而五家英国承包 公司则在英国一侧工作。 整个工程工期 7 年,对如此规模的工程来说,工期是很短的。任何在施工中的拖延都会减少实际受益期限。此外,沉重的贷 款上的财务费用意味着每拖延一周,即约损失 1 亿法郎,可以想象,每分钟都是宝贵的。为赢得这场时间上的真正竞赛,有 11 台隧道掘进机同时开挖隧洞。隧道掘进机上的各班组日夜轮班不停,每一工作面有五个班组。其中三组每组 8 小时轮换,第 四组在休息,第五组在休假。 承包公司的成功与否取决于隧道掘进机的良好运转,掘进机的进展速度就表示出工程的进度。这是巨大又复杂的机械,直 接以隧洞的全断面尺寸开挖土石,机械过后留下的是已衬砌好的不透水的并装备了相随的各种网路的隧道。隧道掘进机既 用以开凿隧洞,又用以排出挖方料,安放拱楔块,在拱楔块后灌浆,并置放以公里计的挂在隧洞壁上的电缆及各种管道。.隧道 掘进机的心脏部分――主机,长 10 m～13m,重达 1 200t,在切割头的后面有一个挖方料的排出系统与一个安置拱楔块的升 降架。掘进机由一个厚 7cm 的金属外壳保护以临时支撑土石层。一列长 250m,重约 800t 的技术列车（后配套系统）承担 一切后勤支援：排出挖方料,送交拱楔块,通风、供电,敷设电缆及供水、供电管并铺设铁轨。 考虑到地层的不同性质,各隧道掘进机设计不一。英国一侧蓝色白垩能挺立不塌,可在掘进机护盾外壳后面立即铺设拱楔 块。法国一侧海岸,地质钻探表明线路将遇到断层,可能有渗水。由于开挖的隧道深达海面下 90m,故应面对 9×105Pa 的水压 力。 隧道掘进机设计不透水的隔膜及高压垫圈把旋转头与隧道的其它部位分隔开。 由涂有专门油脂的金属刷组成的一个止 水圈可使掘进机护盾外壳在已安设的拱楔块上滑动。 隧道掘进机之后配套系统随掘进机一起前进并载着全部运行设备。这是一个真正的流动工厂。紧接护盾之后是操纵室, 从操纵室工程师和技术员控制着前进速度并经摄像显示机观察掌子面。在车厢的下层,皮带输送带载着挖方料全速输送。 接着是一系列的车厢,一节车厢用以搅拌灌浆材料；而后是变压器车厢,将 20 000 V 降为 380V；一节操纵千斤顶的液压系统车厢；然后一节食堂与医务室；一节水处理车厢；一节分料车厢,把 挖方料分在两列新的皮带机上；一节载着 20 000V 电缆施放机的车厢,电缆随开挖而固定在隧道的壁面上；一节车厢装压 空机及渗水抽排接力站；一节车厢用以卸下水泥砂浆（供料列车可经隧道掘进机的支柱而到达此层）,一节是卸拱楔块用, 这些拱楔块由专门的输送机送至工作面；一节为通风车厢（其后各车厢都有两条输送带,把挖方料卸在下面滑行的供应列 车的翻斗内）；一节车厢用以进行装修及补充灌浆；有两节车厢装有管道及电缆,随进展而固定于壁上；最后一节则用以 安设悬挂电缆、清扫隧道底拱并敷设服务列车的铁轨。列车后面有加利福尼亚型的道岔。 导向问题是关键,因为不仅自英吉利海峡两岸起挖通的隧洞应精密会合,而且要遵循拱楔块制造及安放要求的尺寸。隧道 掘进机的位置一直由计算机按每隔 187m 安设的测量标志网计算。首先利用人造卫星测定了 10 来个地面标志点的位置。最后一个标志点上有激光装置对准隧道掘进机上的固定目标,随时向操作员指出掘进机的位置是否与存储于机上计算机内 的理论轨迹相符。程序计算出修正的轨迹,依此轨迹,决定出在衬砌环圈上千斤顶的推力。 在地下经过约 20km 的进尺后,所得的在会合点的理论精确度约 25cm,即两个开挖段之间的偏差为 50cm。这正是服务隧 洞在海下会合点的偏差。英国一侧的服务隧洞在地下经 8km 后出地.。面时仅有 4mm 的误差。地下两半截隧洞的会合以 下法进行： 当还剩下 l00m 待挖时,即停机并打一探测孔以检验是否在一条线上,然后以人工挖一人行孔以便两侧通讯。 由于 掘进机的直径大于已经衬砌的隧洞,它们既不能后退又不能向前出去。法国一侧的掘进机,回收其最大的部分而让其钢外壳 留在隧洞的拱圈内,用气焊枪割下能割的部分。英国一侧的掘进机在偏离前进轴线的隧道侧边挖掘了它们自己的坟墓,就地 遗弃,埋在混凝土中。 最后几米的隧洞以传统的方法开挖,以便保留以十字镐开挖的最大岩石面。这样就可进行象征隧道挖通的历史性握手。 历史将记住,服务隧洞的探测孔是 1990 年 10 月 30 日 20 点 25 分打通的。 隧道内部全部衬以称之为拱楔块的钢筋混凝土的弧形板块,用以防备土石的可能下落并确保含水段的防渗。总共有 72 万 块拱楔块。拱楔块的质量保证建筑物的安全与寿命（120 年）。法国一侧有 25 万块拱楔块,英国一侧有 47 万块,铺砌在隧 洞内部,其尺寸精度以毫米计。 标准衬砌是 1.4m～1.6m 长的拱圈,法国一侧由 5 块拱楔块及一块拱顶键石组成,英国一侧由 6 个拱楔块加一拱顶键石组成。法国一侧的拱楔块有氯丁橡胶接缝以确保在 10 t 水压下的防渗。拱楔块由掘进机上的机械 就位后即以螺栓固定,以使接缝间压紧。这些螺栓在洞壁与拱楔块之间灌注的砂浆凝固后抽出。 怎样处理运出隧道的挖方料呢?这些挖方料的数量浩大：总共 800×104m3,其中 300×104m 挖自法国一侧。其余则挖自英 国一侧。各工地再次采用不同的解决措施。 法国一侧,自工作面挖出的挖方料视土层里含水量的大小而呈现稀或稠的粘糊糊的泥浆,从隧道掘进机的螺旋输送机或泥 浆泵送出后,经各输送装置倒入运送挖方料的列车,然后送去桑加特交通井。一列车有 12 节翻斗式车厢,一次翻转 6 节,把料 倾倒在井底。挖方料在井底加水经破碎机搅拌,破碎机由两带齿圆辊组成,以相反的方向旋转,然后又经一链式破碎机使之成 为流态的均匀泥浆,其稠度近乎酸乳酪。 台巨大的混凝土泵式的泥浆泵把泥浆打进一系列的管道中,扬高 130m,打到距离为 2 km 的丰皮里翁处,在小土坡上建一真正的土坝,长 900m,高 38m,泥浆打到这里并逐步地填满此水库。沉淀后的水再回收,过 滤,然后注入海中,工程完工后,形成的新土山将予整治并装点景色。 英国一侧,挖出的挖方料基本上是干的,排出隧道后即倒在莎士比亚?克利夫平台处。来自工作面的装料车厢侧卸于沿铁道 布置的料斗内,挖方料由链式输送装置运走,然后以每小时运 2400 吨土料的巨大的输送带经交通隧洞运出地面。 挖方料部分 加湿以免灰尘飞扬。 然后由移动式输送装置或卡车倾入五个以人工堤围起的泻湖内。 这些人工堤是随工程的进展而逐渐建 成的,堤由两排板桩中间填混凝土形成。挖出的土石料将在海中围垦出一块新的 45hm2 的平台。结束时,唯一留在工地现场 的是通风与维修设施。此种把挖方料运至肯特附近的解决办法被认为是较妥的。 英吉利海峡海底隧道主要由三条长 50km 的平行隧道组成,但它还包括有大量的地下建筑物,这些是真正的大型建筑物,例如用以安装隧道掘进机的专门的大厅。有两个大厅或称为错车室,长 200m,宽 20m,这样大尺寸的地下建筑从未在此条件下 开挖过。这些大厅用以列车错车,以及 5 个地下泵站连同缓冲蓄水池以确保隧道的持续排水。 隧道掘进机的安装在巨大的地下大厅里进行。法国一侧的安装大厅就在桑加特交通井下开挖的,以便吊入大尺寸的部件。 大厅长 500m,直径为隧道掘进机直径的一倍半以便在掘进开始前进行检验。 英国一侧的安装大厅在莎士比亚?克利夫地下综合体内。高 20m 的大厅取名为“大教堂”,是依奥地利的灵活、快速的新方 法（即新奥法）开挖的。 拱楔块 28 天强度达到 55MPa,这是高质量混凝土通常强度的两倍。混凝土生产管理都由计算机控制。 根据拱楔块在隧道中所在的位置而一块一块地鉴定。拱楔块出厂由计算机控制的吊车进行,并在工厂旁是按组成整圈所 需的 6 或 8 块拱楔块分类放在托架上,储放 10 天至一个月。 1986 年选用隧道的论点之一就是其固有的安全性。实际上,铁路是最安全的长距离运输手段。在单股道的隧洞内运行的 列车无正面碰车的风险。脱轨时,隧道可保持列车在其运行的轨线上以防其倾覆。铁轨则经常以超声测试检验。每隔 375m 与主隧道相连通的服务隧洞同时是一个地下庇护所及急救的通道。需要时,列车可经每隔 1／3 隧道长度处的转车大厅由一 条隧道转到另一条隧道去。但平时,两条隧道是完全隔开的。穿梭列车也是很安全的。有两个牵引车头,但只要一个牵引车 头就可牵引列车。当控制失灵时,有一系统可使列车自动缓缓停车。控制中心以无线电与各列车联络管理全部列车的运行。 电源由英吉利海峡两岸共同供电,变压器设在专门的隧洞内,洞用防水门关闭,有其各自的检测系统与防火系统,供电电缆相 互隔开,电缆有外裹层不致冒烟。 值得引起特别注意的是列车的高速运行,次数频繁,隧道较长并且在洞内同时有两万人在场。为防运载汽车的穿梭列车突 发火灾的风险,考虑到汽车油箱内的汽油,火灾风险可能是很严重的,故采取了各种措施：首先,禁止在车厢内启动马达与抽 烟,在穿梭列车里的人员都应保持警惕,每节车厢内设有火焰、烟雾、一氧化碳、碳氢化合物的探测器,这些探测器与驾驶室 内的计算机连接口设有好几种手动及自动的灭火系统。 有一普通类型的灭火器可在几秒钟内在燃烧着的汽油上喷上一层泡 沫使其窒息。若乘客处于危险状态时即使用另一种灭火器,喷出烟雾可有效地防御有毒火焰。若灭火器数量不够,则防火门 把乘客与火陷隔开至少可抵御半小时以上。 不锈钢结构的车厢也防火,可使其运行直至总站,进入专门装备的处理股道上去。当不可能把火车开出隧道或洞内有大火 时,乘客们将引入服务隧洞,这是失火时的好庇护所,因其空气始终处于超压状态,乘客自服务隧洞乘服务车或去其它隧洞乘 救护列车出洞。强力通风可排出铁路隧洞内的废气。 进行了 60 来次撤离测试与防火试验以测定乘客的反应能力、探测系统及设备的耐火程度。乘客们被置于与原型自然尺 寸一样大的模型列车中,以便拟定数字模型予定出撤离出车厢的时间。依乘客年龄不同与有否烟雾,撤离时间自 1 分钟至 3 分 20 秒不等。列车故障时外侧有灯光照亮各车厢。不能排除炸弹袭击。必须要很大的装药量并嵌入隧道结构内才能炸塌 隧道。但在穿梭列车上放置一个小炸药包就足以毁坏一节车厢,造成脱轨,并由之引起火灾。对此种灾难也采取了专门的预防措施,某些措施是用以探测炸药,其它一些措施则是秘密的。 英吉利海峡隧道工程是人类在工程技术领域中一项杰出的创举。这条欧洲隧道已于 1994 年年底正式运行,成为世界上最 重要的运输系统之一,为建立一个无国境的欧洲,为促进人类交往和经济文化交流,会作出不可磨灭的贡献。 2.2 日本东京湾跨海公路隧道工程 日本东京湾跨海公路西端连接产业区域的神奈川县川崎市,东端连接自然田园区域的叶县木更津市,全长 15.1km。 该工程 于 1966 年 4 月开始进行环境及地质调查,1989 年 5 月正式开工,1997 年 12 月竣工并投入营运,与周围的海岸高速公路、外 环公路等形成公路网,大幅度改善了首都圈的交通状态。 该公路在方案比选阶段曾有 3 个大的方案： ①大跨径吊桥案、 ②桥梁与沉埋隧道结合方案、 ③桥梁与盾构隧道结合方案。 由于吊桥塔高及架设施工设备的高度对航空管制空中域有负面影响,故未采纳①方案,②方案存在对船舶航行、渔业、环境 等的不良影响等,因而也未被采纳。加之盾构掘进技术在日本已相当发达,故决定按③方案实施。该工程主要由人工岛、盾 构隧道及桥梁三部分构成,均在海岸上及海底内实施,因此工程技术相当复杂,是综合技术的产物。 该公路设计车速 80km／h,4 车道×3.5m（随着交通量的增加,将来可拓展为 6 车道）。隧道长 9.5km,桥梁长 4.4km,为了沉 放盾构掘进机并作为施工基地,在大约隧道中部设置直径 195m 的人工岛（隧道施工完成后作为营运通风竖井）,并在隧道 两端设置人岛或通风竖井（其中一端为桥隧结合部）。全线预测交通量：投入使用时间约 3.3 万辆／日,20 年后约 6.4 万辆 ／日。总建设费用 1 004 823 亿日元（约 10 000 亿元人民币）。 隧道为双管道盾构隧道,外径约为 14m,隧道一次衬砌环由 11 块管片用螺栓联结而成,每块管片厚 0.65m,宽 1.5m,长约 4m, 二次衬砌厚 0.35m,为钢筋混凝土结构。 在平均水深 27.5m 海底开挖隧道,结构要承受海水压 600kPa（最大）的压力。为了防止海水透漏进入隧道,在管片之间, 一次衬砌与二次衬砌之间、管片背面注浆、联结螺栓防腐以及管片结构材料等方面采用了若干措施,取得好的效果。 在管片周边粘贴遇水膨胀性止水带,该止水材料要求具有耐水压性和耐久性。在管片联结螺栓周围安设充填式防水垫圈。 在（管片背面）注浆孔内设置缓膨胀性止水环,在其孔口处充填止水材料。为了防止海水进入隧道内,同时考虑减少一次衬 砌与二次衬砌之间的约束力,防止二次衬砌开裂,故在一次衬砌与二次衬砌之间铺设防水层。该防水层采用聚乙烯烃塑料板 （EVA）,板厚 0.8mm,或聚乙烯一沥青板（ECB）,其板厚 1.0mm,并与厚 3mm 的无纺布叠合采川,防水板与无纺布呈网格状 粘结（厂制）。二次衬砌不另设止水带。 该隧道在海底要承受巨大的水压力,因此作为隧道单元的管片要求具有很高的强度和密实性,管片采用高炉矿渣水泥,矿 渣掺入率为 50％,从而降低了透水系数,有效控制了混凝土温度开裂,提高了管片的耐久性（长期强度）。对于加矿渣后（冬 季） 早期脱模强度较低和干燥收缩裂纹较多两个缺点,工程上采取了加热,旨料,用温水拌和混凝土,并采取水中养生 7 日以上, 加湿保养管片等措施,取得较好效果（早期强度要求 1500MPa）。 隧道结构内存在若干金属件,以及海水下混凝土均应考虑防腐蚀问题。在海底土层中,金属件的腐蚀速度估计为 0.03mm每年,考虑结构 100 年的耐用期,则钢材的防腐厚度为 3mm,管片混凝土表面增加 5cm（外侧）或 4cm（内侧）的防腐层,二 次衬砌也考虑 4cm 的防腐层。螺栓表面采取镀锌铬或氟化乙烯树脂油漆。 东京湾是一个多地震地区,隧道主要在软弱粘土地层（冲积层）中通过,又多处与竖升等铅垂方向结构物相联结,抗震性能 要求极高。 该隧道进行了抗震设计。隧道横截方向用响应位移法和地震响应法分别进行了校核,表明横向联结螺栓已满足抗震要求。 隧道轴向是抗震设计的重点,用动态解析法进行了校核,决定在轴向采用了高强且具有一定柔性的长螺栓 （长 62cm） 联结管 片。 在结构解析中,未考虑二次衬砌,它的作用仅是增加隧道自重,并保护一次衬砌,因此二次衬砌只考虑自重荷载利水压荷载 即可。抗震设计所考虑的地层条件分别为地质构成、地层容重、地层的刚性及衰减系数。 为了能承受海水压力等荷载,必须提高隧道横截方向的刚度。为此,将每环等分为 11 管片,即加入了最后插入安装的拱顶 K 管片的尺寸,并采取从前进方向插入安装的办法,使得管片呈等分状,从而提高了盾构环圈的刚度。 该海底隧道长约 9.5km,其安全设施及营运通风非常重要。安全设施分为二类：①公路利用者自行使用的（紧急电话、手 动报警装置、灭火器、消火栓、避难诱导标志、避难口）；②向公路利用者通报或警告用的（隧道入口及洞内情报板、信 号灯、有线广播、无线广播）：③公路管理者使用的（火灾检测器、ITV 摄像器、通风（排烟）设备、路面板下部空间通 风设备、给水栓、送水口、灭火器、消火栓、水泡沫喷淋装置、管理用升降口、管理人员通道、电梯、救援用直升飞机机 场、船舶靠岸设施等）。 该隧道很重要的一个特点是将管理人员通道及公路利用者避难通道设于隧道路面板下部空间,避难通道入口设于隧道左 侧检修道处,按每 300m 间距设置。该入口设有滑道,即人员一旦进入避.难口,很快可乘滑道到达隧道下部空间（安全检查区 域）。另在该入口附近还设有由下部管理通道上到路面的管理用升降口,以用于紧急情况时灭火、救援活动的通道,还可用 于隧道保养维修。 该隧道内设有降烟雾用的水喷淋装置,按 5m 间距设置喷嘴,50m 为一个水喷雾区段,可在二个区段同时放水。为提高控制 火灾效果,采用水性泡沫灭火药剂（3％型）与水混合的水喷雾。该喷雾装置在消防队到达现场前可有效控制火灾的漫延。 当交通事故或火灾发生时,救援人员或救援车辆从受灾车辆后面到达现场较为困难,这时可从非火灾段隧道通过川崎人工 岛的车道连接通道到达现场。另外,还可以浮岛、木更津两洞口利用管理通道（下部空间）到达现场,从而有效进行灭火、 救援活动。 该隧道按每 150m 间距设置监视摄像器,可监视洞内任何位置的情况,与报警设施、 灭火设施及避难设施等构成一个整体。 东京湾海底隧道洞内情况,在日本道路公团东京第二管理局的交通管制室和设施控制室实行 24 小时不间断监控。当火灾检 测器检测到火灾发生时,要选择火灾联动方式,即自动切换到将灭火水泵、照明设备、排烟设备、下部空间通风设施、紧急 报警装置等相联动的状态；另外,当用紧急.电话报告或 ITV 摄像器发现火灾时,同样地由设施控制室切换到联动状态。东京湾海底隧道的安全设施及其通风系统非常先进、齐全,造价当然也高昂,这是以“优先考虑人的生命”为设计思想形成的。 在川崎人工岛（隧道中央部）、木更津人工岛（桥隧结合部）、浮岛（接岸部）三个盾构掘进出发基地建成,并运来盾 构机等施工机械之后,即可进行隧道掘进。盾构掘进共分 8 个工区,即 8 个掘进面。总的工序是两端（木更津岛和浮岛）先 于中央（川崎岛）掘进。 该隧道全部采用泥水加压式盾构掘进机,分别由日立造船、川崎重工、三菱重工、三井造船、小松、石川岛重工、日立 建机等制造。掘进机外径 14.14m,主机长 13.5m；板厚：前仓和中仓为 70mm,尾仓为 80mm 或 40mm,盾构掘进千斤顶 48 只,推进速度 45mm／min。 该盾构掘进机在以下 5 个方面具有特点： a. 管片的输送、提升、安装等工序采用全自动成套系统。 b. 为防止高压水进入机械仓内,在盾构机后仓尾部挡板外设置了 4 段密封帚（层）及紧急止水装置。密封帚由弹簧钢、 钢丝刷、不锈钢制钢网构成,为了防锈,前二者采用氟化乙烯树脂涂层,每段密封帚长 0.25m（最外侧为 0.3m）。 紧急止水装置设在（自掘进面后）第 2 和第 3 密封帚之间的位置。为提高止水性,在各密封帚之间注入润滑脂（黄油）, 采用黄油注入泵连续或非连续地注入。 c. 为防止管片变形,设置了上下扩张式真圆保持装置。 d. 为探测掘进面前方有否障碍物以及监视掘进面情况,设置了地下雷达探测装置。 e. 为了便于与对方掘进机对接,设置了探查钻孔装置和冻结管等装置。整个掘进作业全面纳入计算机管理,主要由三个大 的系统来承担,即①盾构掘进综合管理系统：②掘进方向自动控制系统；③掘进面前方探查与控制系统。另外,为保证隧道 平纵线形的正确性,在洞外测量、竖井导入测量、洞内测量、掘进控制测量等方面均采用了先进技术。 盾构机从隧道两侧掘进,对接的精度非常重要。 当初从机械误差及测量误差考虑,预计对接时错位误差为 200mm,但在两台 盾构机到达相对面距离为 50m 处时错位误差为 180mm,经过调整,对接时仅为 5mm。 对接钻探采用了无线电放射性同位素（R1）技术（犹如医生的听诊器）。对接工程顺序为： a. 先期到达预定位置的盾构机停止掘进,撤除盾构机封隔墙后方部分设备,安装探测钻头。 b. 后期到达的盾构机在相距 50m 处停住,先到盾构机向后到盾构机钻探,采用无线电放射性同位素（R1）技术测定两机 相对错位量,即第一次钻探（探测传感器设置于钻杆前端）。 c. 后到盾构机根据此错位量边修正盾构机变位量边掘进。 d. 后到盾构机掘进到 30m 处时,第二次钻探测定相对错位量。 e. 再次边修正边掘进,在对接前夕,其刀刃面非常缓慢地靠近对方刀刃面,其间空隙为 0.3m。 f. 这时对后到盾构机进行解体,并作冻土保护（地基改良）工程准备。 当两机之间空隙为 0.3m 时,对该接合部的地层施作 2m 厚的环状冻结处理。 冻结管直径 89mm,长 4m,按 1m 间距共 48 根,呈放射状,从先到盾构机前面斜向插入地层中,进行冻结,另外,为了使盾构机周围地层完全达到冻结程度,在两台对向的盾构 机前端分别 2.5m 范围内设置了紧贴式冻结管。为了缩短工期,该冻结管是在盾构机工厂制作时预先安装上去的（一般的情 况是掘进完成后在现场临时安装的）。为了确认冻结温度,分别从两台盾构机各插入 8 根测温管。待冻结厚度达到 2m 时, 开始拆除盾构机密封墙。 冻结作业中非常重要的是冻结对隧道主体的影响,即冻结后土体体积增大,是否会造成盾构机变位,或引起管片环开裂,为 此,设置了沉降测器进行观测,并通过冻结温度和速度来控制。 整个对接及贯通施工的作业顺序： a. 由先到盾构机实施钻探,后到盾构机根据钻探结果边修正边掘进,至到对接位置,然后拆除盾构机密封墙后方的设备 （即 第一次解体）。 b. 插入放射式冻结管,对地中接合部实施冻结,使其形成冻土,同时继续进行第一次解体的工作。 c. 第一次解体工作完成后,剩下密封墙,在两盾构机刀刃盘面之间焊接。型钢制止水板（暂时留下密封墙是为了防止万一 的情况发生）。 d. 钢止水板焊接工作完成后,对刀刃面周边部位进行补强,然后拆除密封墙以及盾构机其它机械部分（即第二次解体）。 e. 在地中对接部设置 3 环钢制管片,经铺设防水板后,浇筑二次衬砌,然后,对冻土进行强制解冻,并实施衬背注浆。 送入洞内的管片由盾构机的自动装置进行组装。 该装置由具有 3 个功能的设备构成： ①洞内运送管片的绞车及输送机 （能 连续输送 11 块管片）；②升降式管片安装机（能自动完成旋转、伸缩等作业,具有自动定位功能）：③螺栓联结并紧拧装 置（能自动作业）。 管片四周粘贴防水密封条和缓冲材料。密封条在抗压性、耐久性和施工性三方面均作了试验,保证能满足设计的质量要 求。 防水板各接口均在现场进行烙接,烙接方法采用热式自动烙接机。为判断烙接部的止水性,在该处设置检查沟,为此采取了 双列烙接,搭接宽 8 cm～10cm,烙接检查采取负压试验。铺挂防水板（含无纺布）时,需要安设钢筋锚杆作为临时吊挂支点, 该处对防水板开孔,然后将螺母、垫圈、水膨胀橡胶衬圈与吊杆形成整体,并拧固。 二次衬砌工程包括仰拱、侧墙、中壁、路面板、上半拱及检修通道 5 部分,全部为钢筋混凝土结构。 二次衬砌每段浇注长度为 15m,其浇注接头处的施工缝或微小错台缝需要作适当补修：混凝土浇注后,在区段中可能发生 收缩开裂,同样要作裂缝补修处理,以防止内部钢筋出现锈蚀。 施工缝或收缩裂缝均取 0.5mm 为管理基准值,补修材料分别采 用氨基甲酸乙脂（类）粘接剂（亦称尿烷类材料）、树脂砂浆或沥青类涂料。 东京湾跨海公路所处的水域,其水深约 30m,海底地层为淤泥或软弱厚层,又是地震多发地区,在这样严峻的自然条件下,隧 道采用了安全可靠且快捷施工的新技术。 开发适合在大水深且海底软弱地层中施工的大直径盾构掘进机和相应的隧道结构 设计是其具有代表性的新技术。在隧道防灾技术方面也采用了新技术,例如将避难通道及管理通道设于隧道下半部窨,形成可避难、救援和消防的完整防灾系统。总之,东京湾跨海公路隧道工程所开发出来的许多新技术可推广应用于今后的盾构 隧道工程。 2.3 中国山西省万家寨引黄工程 TBM 施工 万家寨引黄工程是从根本上解决山西水资源紧缺,促进山西工农业生产发展,提高人民生活水平,维系国家能源重化工基 地发展的生命工程,由万家寨水利枢纽、总干、南干、连接段、北干等部分组成。 枢纽工程是在偏关县万家寨村西黄河上修建一座 90m 高的混凝土重力坝,库容 8.96×108m3,坝后建一调峰电站,装机容量 108×104kW,年发电量 27.5×108kWh。 引黄工程从万家寨水利枢纽库区取水。年引水总量 12×108m3。由万家寨向东至偏关县下土寨村为总干线,全长 44.35km, 引水流量 48m3/s；由下土寨村分水往南过偏关河穿越管涔山到宁武县头马营村为南干线,全长 102.4 公里,引水流量 25.8 m 3/s,每年可向太原供水 6.4×108m3； 由下土寨村往东过朔州、 神头折北到大同赵家小村水库为北干线,全长 166.88km,引水流 量 22.2 m3/s,每年可向朔州、大同地区供水 5.6×108m3；从宁武县头马营村南干隧洞出口到太原市接水口呼延村水厂为连 接段,全长 138.60km,包括 81.20km 的天然河道和 57.40km 的输水管线。 引黄工程分两期完成。一期工程建设总干线、南干线、联接段和部分机组的安装,集中解决太原地区用水,一期工程概算 112.97 亿元,其中利用世界银行贷款 4.0 亿美元,其余建设资金使用水资源补偿费。二期工程建设北干线和南干泵站剩余机 组的安装。工程实行国内国际招投标制。工程建成后,基本满足 2020 年前或更长一段时期山西省太原、大同、朔州等地区 工业及城市生活的用水需要。 总干线的 6#、7#、8#洞全长约 22km,已于 1993 年 3 月由意大利的 CMC 公司中标承建,使用一台目前世界上最先进的隧 洞施工机械即全断面双护盾隧道掘进机（TBM）施工；开挖直径 6.125m；成洞直径 5.46m。于 1994 年 7 月至 1997 年 9 月历时三年两个月贯通。隧洞经过的地质条件大部分为石灰岩地层,局部夹有 N2 红土层；隧洞进出口部位均覆盖着 Q2、 Q3 黄土层；地下水不发育,未遇到较大的地质构造。 南干线的 4#、5#、6#、7#隧洞全长约 90km,由意大利的 Impregil。公司和 CMC 公司以及中国水电四局组成的万龙联营 体中标承建,用四台全断面双护盾 TBM 对该工程全线进行施工。 南干 4#、5#、6#、7#隧洞地质条件主要为灰岩（前 57km）和砂岩、泥页岩互层（后 33km）。6#洞有溶洞、地下水和 局部软弱层。7#“洞有地下水、煤层、膨胀岩和摩天岭大断层,其影响带约长 300m。隧洞开挖直径 4.82 m ～4.94m,成洞直 径 4.20 m ～4.30m。南干 4#、5#、6#、7#隧洞于 1997 年 9 月至 2001 年 5 月历时 3 年 8 个月贯通。 联接段 7#隧洞长 13.5km,采用一台全断面双护盾 TBM 施工,并且已经由意大利 CMC 公司中标承建。隧洞地质条件为灰 岩、泥质灰岩和泥质白云岩,地下水位低于洞线。隧洞开挖直径 4.819m,成洞直径 4.14m。目前,该隧洞正在掘进中,并创造了 最高日掘进 113m 和最高月进尺 1645m 的记录。预计 2001 年年底以前该洞能建成完工。 综上所述,山西省万家寨引黄工程总计采用 6 台 TBM 进行无压引水隧洞的施工,其掘进总长度为 125.5km。掘进机是这样工作的：后盾通过紧固装置,牢牢地固定在洞壁上,而后驱动电动机在推进液压缸的作用下,带动刀头破岩, 此时配套辅助设备均停留在洞内,弃碴由周边铲斗不停地铲起,通过漏斗和溜槽卸到工作面的皮带运输机上,出碴列车在皮 带机底部接碴。在后盾的安装室,同时进行调运和安装混凝土管片,并在安装好的管片背后和围岩之间充填豆砾石和灌浆。 在掘进过程中,可控制推进液压缸的油量来完成掘进机的转向。 当刀头与前盾向前推进完成掘进,暂停工作后,前盾借助加紧装置固定在岩壁上,后盾则通过推力液压机缸的反作用力,向 前推进,后续列车由固定在刀头支架上的一组特别牵引液压机缸向前推进。在后续列车前移时,通过操纵相应的装置,自动延 伸风筒、水管、电缆和轨道,至此即完成了一个循环的破岩、石碴装运,延伸管线的工作。 掘进方向的掌握是依靠安装在机头上的激光导向系统产生的激光束反映到光目标上,再反映到测斜仪上,为操作人员提供 刀头和前护盾的位置信息,该信息与理论轴线的差异可以精确到毫米。 根据掘进的速度及进尺每隔 100m 左右向前移动一次 激光机。对 TBM 单向掘进贯通精度的要求如表 1 所示。 表 1 TBM 单向掘进贯通精度的要求 横向≤280mm 全部贯通测量精度 纵向≤570mm 竖向≤40mm～60mm 注：表中竖向精度根据无压引水隧洞底坡的大小决定。底坡大, 取上限值。底坡小, 取下限值。 此外,在 TBM 上安装瓦斯探测器对可能存在的瓦斯进行监测,发出警告声,并能自动中止 TBM 的工作。 双护盾 TBM 的特点是开挖、衬砌一次完成,边开挖、边衬砌。混凝土预制管片做成六边形蜂窝状。安装程序是将预制管 片由专门运输车运到距开挖工作面约 40m 处,再改由专门起吊装卸设备转运到距开挖工作面约 8m～10m 的后护盾内,先装 底拱片,再装边拱片,最后装顶拱片。 由于形状为六边形,所以每环的底片和两侧边拱片相差半片宽度,边片和顶片也相差半片 宽度。这就使得每环的环缝均不在同一断面上,各片各环间形成相互约束。 衬砌管片安装后和 TBM 掘进的洞径之间存在着 5cm 左右的空隙,这也就是 TBM 护盾壳的厚度及其对围岩的摩损形成的, 必须用混凝土填充,使其密实。因此采用先回填豆砾石（粒径为 5 mm～10mm）再用水泥浆灌注,使其成为预压骨料混凝土, 既保证了施工期间管片的稳定又能使管片和围岩接触紧密,形成整体共同承受外力的作用。回填程序为先填底拱片,再填两 侧边拱片,最后填顶拱片。豆砾石也是由专门罐车运入洞内,由泵通过软管及管片上的预留孔打入空隙,灌注水泥浆时压力不 超过 0.2MPa。 每台 TBM 有三个班组,其中一个班组每日上午进行机械检修、保养、清理、测量等工作,其他时间为正式掘进、管片安 装、回填豆砾石、灌水泥浆等工作,由其余的两个班组轮换工作。 预制混凝土管片每环均分为 4 片。根据不同洞径,管片厚度分别为 22cm、25cm 和 28cm：管片宽度分别为 1.2m、1.4m和 1.6m。又根据围岩类别分别设计为 A、B、C 三种型号和 A、B、C、D、E 五种型号。混凝土管片在预制厂进行加工生 产,根据掘进速度及进度要求,确定预制厂的生产规模及作业班次。管片厂采用蒸汽养护快速生产的工艺流程,包括钢筋加 工、混凝土浇注和养护。混凝土入仓后通过液压振动台及人工插入振捣联合作业振捣,浇注好一片后推入预热窑,经过 0.5h 和 50℃的预热后马上转入高温窑进行蒸养,温度为 80℃,养护时间为 2 h～3h。 出窑脱模后,吊运到厂房内部的预冷场预冷一 昼夜,然后再转移到露天存放或使用。在预冷期间要对每个管片进行外观检查,如发现有蜂窝、麻面、掉边角等质量问题, 则马上进行修补,对不能修补或修补后仍有损强度或其他质量问题的,则运到废品处放置或作他用。 掘进中遇到的问题有以下几方面： a. 溶洞 该工程在 TBM 掘进到总干 6#洞时曾经遇到两处较大的溶洞,其体积约为 30 m3~50m3。采用以下方法处理：先停机,然 后通过机头上的人孔对溶洞的情况进行观察,再根据对溶洞的检查情况,首先对底部进行豆砾石或混凝土回填并使其密实, 当底部全部填到洞子开挖直径的高程时,则开动机子,边前进、边安装管片,对两边管片上开凿人孔对两侧及顶拱溶洞的其他 部位进行填筑骨料灌浆或填筑混凝土,使溶洞部分都用混凝土填密实,并且和安装的管片结合成整体,起到完整围岩的作用。 为了预防因岩溶造成机头下沉的事故,用于岩溶发育地段施工的 TBM 应配有超前钻探设备。 超前钻探的深度应大于每日 的掘进长度,以确保 TBM 掘进的安全。时间可安排在每日 TBM 检修时进行。 对于一些小溶洞的处理,可在 TBM 掘进通过后,向衬砌管片与围岩间回填豆砾石后,再通过灌浆固结即可。南干 6#洞也遇 到溶洞,同样进行了处理。 b. 断层 摩天岭大断层是南干 7#洞内一区域性大断层,其影响带大约为 300m 长,为构造角砾岩 1999 年 5 月 28 日,掘进机开挖至摩 天岭断层影响带,发生了卡机事故,不得不停止掘进。 卡机事故发生后,首先是打超前钻,进行超前化学灌浆、水泥灌浆：接着打上导洞,对 TBM 前、上方进行化学灌浆和水泥 灌浆,再对前方塌方体进行了水泥灌浆。8 月 8 日,上导洞前方发现一大空洞,再用水泥回填灌浆。在对塌方体进行固结灌浆 的同时,将 TBM 刀盘附近的松散岩体进行开挖,确保了 TBM 在 8 月 31 日启动成功。 因松散岩层对 TBM 后护盾压力过大,造成后护盾变形,管片安装护盾的一半连接螺栓折断。采取了加焊钢板的措施,使 T BM 在边掘进边处理中稳步通过。 经过 100 多天的昼夜奋战,TBM 掘进机于 9 月 7 日顺利通过大断层。 c. 膨胀岩 由于膨胀岩的膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良的工程特性,TBM 在通过 7#洞 2.5km 长的中、强膨胀岩地层时采取 以下措施：a.加强衬砌支护：有关资料表明,7#隧洞强膨胀性岩的饱和极限膨胀压力可达到 3.0MPa 以上,因此在衬砌管片的 结构设计时,充分考虑围岩膨胀力对管片可能施加的荷载,确保衬砌结构安全。b.做好止水防渗：施工时,特别注意衬砌管片接缝宽度的控制和止水条安装的质量。膨胀岩的含水量损失越小越好,防止围岩崩解、软化而使 TBM 下沉等事故的发生。 c.增大开挖断面： 为了预留一定的围岩膨胀变形量,施工时增大边缘滚刀的外凸量或在 TBM 刀盘边缘加焊铲齿,以实现扩挖 的目的。扩挖量的大小应根据 TBM 通过岩层的工程性质及围岩和隧洞的稳定性监测数据来调整。 d. 土层 掘进中总干 6#洞遇到较长一段 N2 红土层,而且含水量较大,形成塑性从而造成粘刀头的现象,使切削下来的粘泥不能较顺 利地从出渣漏斗排出。只好采用人工从出渣漏斗一点一点往外掏的办法将其排除,进度非常缓慢。当然,如果所掘进的地质 条件全部属于这种地层,则可选用盾构机。 土层中还遇到机头下沉,这在总干 7#洞的 Q2、Q3 黄土层内出现过,其中有一处最大值达 30 cm～50cm,使洞底在此处形 成低洼段。主要是 TBM 操作者没有提前将机头上抬、使其逐步爬坡以抵消其下沉。其原因是没有对此类地层承载能力能 否满足 TBM 机头这样大的压力估计不足造成。 e. 错台 错台是管片安装中普遍存在的一个问题,总干 6#、7#、8#和南干 4#、5#、6#、7#隧洞衬砌的每一圆环都是由 4 片管片组 成,块与块间,环与环间都应严格按照设计要求组装。但由于管片和围岩有 5cm 左右的间隙,要求安装管片时一是精心对缝, 二是要立即回填豆砾石和灌浆,将管片和围岩间空隙填死,使管片稳固和不产生变位。 合同要求接缝平整度不超过 5mm,实际 有些竟达到 20mm～30mm 之多。产生错台原因主要是操作不熟练和操作不认真。错台表面用砂浆掺膨胀剂进行勾缝。 在联接段 7#洞 TBM 施工中,承包商与业主、设计单位、监理单位合作,对管片设计、管片安装、回填豆砾石与灌浆等等 方面进行了改进,使接缝 90％以上合格（即错台小于 5mm）。 f. 密封问题 TBM 的大密封损坏是一件大事,大密封是用于封闭旋转刀盘和 TBM 护盾之间的间隙,避免灰尘杂物进入驱动缸体或护盾 壳内,要求密封条应耐磨有弹性,能适应由于弱性变形引起的密封间隙加宽现象。这要求密封材料具有最大的适应变形的能 力,在温度不超过 100℃的情况下,材料特性保持不变。TBM 开挖室的温度一般在 40℃以上,加上电动机散热,使密封唇摩擦 生热很快超过允许温度。 因此,需用多排密封并列放置,形成环形室,再通过向环形室注油来控制密封升温,同时加强监测工作 保证 TBM 正常运转。当然,有时由于护盾刀口变形超过密封允许形值,使开挖石渣进入刀头与护盾壳间,加上刀盘旋转产生 的抽吸作用使密封损坏,也有时由于支撑力从刀头传递到主轴承发生偏心。 山西省万家寨引黄工程引水隧洞先后使用了 6 台双护盾 TBM 进行施工,是到目前为止国内应用 TBM 最多的工程。 实践中的经验教训可初步归纳以下几方面。 a. 长隧道采用双护盾 TBM 进行施工,具有快速、安全、掘进和衬砌同时完成的优点。万家寨引黄工程 TBM 施工证实了 这一结论。 通过业主、设计、施工和监理诸方面的合作,总结经验,吸取教训,从总干 6#、7#、8#隧洞施工质量不能令人满意,到联接段 7#隧洞施工质量达到以下令人满意的指标： ①开挖误差控制到水平方向±150mm,垂直方向（即竖向）±50mm。 ②管片安装错台 90％控制在 5mm 范围内,管片接缝基本合格。 ③豆砾石回填和水泥灌浆基本达到满填满灌,一次完成。 ④管片接缝勾缝平滑、均匀、无微细裂缝,粘结紧密。 ⑤管片生产、安装无明显破损或其他质量缺陷。 ⑥创造了 TBM 最高日进尺 113m 和最高月进尺 1645m 的记录。 b. 长隧洞采用 TBM 施工必须进行地质超前预测预报,否则遇到不良地质将不仅会拖延工程进度,而且会使工程陷于被 动。 c. 长隧洞采用 TBM 施工而成洞直径不大（例如本项工程南干 D=4.30 m～4.20）时,要十分重视洞内轻轨车辆交通安全, 避免人员伤亡。万家寨引黄工程南干 TBM 施工的洞内交通事故死亡 5 人,伤 2 人。 d. 采用双护盾 TBM 进行隧洞施工时,必须对管片安装人员先培训后上岗,或聘用具有管片安装经验的操作人员,否则初期 管片安装质量和进度不能得到保证。 e. 双护盾 TBM 掘进时产生的岩粉,沉积在隧洞底部 120°范围内,并且岩粉被主机自重压得十分密实,水泥灌浆难能灌入岩 粉层,形成强度低于灌浆后豆砾石层的一个弱层。 f. 由于万家寨引黄工程所用的 6 台 TBM 全部是双护盾式,只能在护盾底部或侧面观察小窗口了解围岩情况,使得地质填 图工作十分困难,这是双护盾 TBM 的缺点。 g. 采用双护盾 TBM 并配合预制管片衬砌进行隧洞施工的工程,只适用于无压引水的水利水电工程。当然,公路和铁路的 隧道不输送水,这种型式 TBM 是能充分发挥作用的。 3 长隧道 TBM 施工中的若干问题 3.1 超前地质探测问题 由于长隧道在施工前的地质勘查不可能做得十分详尽,因此常常在施工中出现一些不可预见的地质灾害,例如涌水、 岩溶、 瓦斯、断层、膨胀岩、高地应力、围岩大变形等。我国在 60 年代修建的成昆铁路全线共有 415 座隧道,其中发生涌水问题 的占 93.5％。在危地马拉的 Rio Chixoy 水电站的 27km 长的供水隧道中,因遇到岩溶,一台 TBM 被埋在一个侵蚀洞穴。委 内瑞拉的 Yacambu 隧道长 27km,其围岩收敛变形每分钟达到 20cm,致使 TBM 无法完成掘进而停工。万家寨引黄工程南干 7#隧洞遇到摩天岭大断层（影响带长达 300m）,因进行工程处理而延误工期达 3 个月之久。因此,TBM 在掘进过程中,必须 有超前地质探测的保证。 TBM 在掘进过程中,通常每天在停机维护的期间,用多方向支撑液压钻机进行超前钻探,预测可能影响掘进的问题或异常 现象。但一般超前钻探约 20m～30m,TBM 掘进速率每天超过 20m～30m 时,则不能满足预测的需要。地质超前预报还有隧道地震预报法、高密度电阻率 CT 法和地下雷达法。 在 20 世纪 70 年代末,美国科学家发明了地下雷达（又称地质雷达或探地雷达）。80 年代以来,逐步臻于完善,进入了实用 阶段。我国于 90 年代研制出了 PEIR－9001 型矿用本安型探地雷达和 TL 一 1A 型探地雷达[4]。 法国巴黎 Eole 工程在 TBM 掘进过程中利用地下雷达进行了超前探测[1]。该工程共进行了十二组雷达搜索,总长 577m, 径向范围为钻孔周围 5m 范围内。地下雷达探测获得了以下三方面的信息：低非均质雷达区,指示减压区、低密度泥灰岩； 局部能量反射,指示有石膏体、水囊、或空穴存在；光点,说明可能有破碎带或界面变化。掘进过程证实了雷达结果。日本 东京湾跨海公路隧道（）也利用了地下雷达进行超前探测[3] 。地下雷达的主要优点在于可无损、快速、准确 探测到 TBM 前方的具体地质困难及其位置,以便及时采取有效措施进行处理。今后地下雷达必将在 TBM 施工中发挥重要 的作用。 3.2 长隧道工程质量的检查验收问题 TBM 施工长隧道具有快速高效的特点。但是,对这些长隧道施工质量的检查验收通常靠利用回弹仪、钻孔抽查等常规手 段。这些手段不能对隧道全线的工程质量作出全面完整的可靠的检验。瑞士安伯格测量技术有限公司研制出 TS360 型系 列隧道扫描器[5]满足了隧道全线工程质量检测的需要。其中的 TS360BT 型隧道扫描器能测绘出衬砌表面后的缺陷。此仪 器安置在运载车上,以每小时 2km～4km 的速率沿隧道前进,仪器上的扫描镜呈 360°的旋转,于是扫描器记录下隧道沿程一 条螺旋线上的温度差异的信息。经过对记录下的信息资料的数据处理,便可了解到衬砌质量的状况。此仪器已被多项隧道 工程用来进行质量状况的检测,例如瑞士的 Baregg 隧道（1990 年）、苏格兰的 Inver 隧道（1991 年）、英格兰的 Saltwood 隧道（1992 年）、瑞士的 Fuchsenwinkel 隧道（1993 年）和法国的 St.Germain 隧道（1994 年）。可以预见隧道扫描器将 在长隧道 TBM 施工质量检测中得到进一步的应用。 3.3 长隧道中 TBM 施工的安全问题 TBM 在长隧道中施工,万一发生事故,施工人员是难能迅速撤离出洞的。因此,TBM 必须配备可靠的安全保护系统。总的 采讲,TBM 施工的事故远比钻爆法小[2]。例如,TBM 法施工的长 49.2km 的英吉利海峡隧道事故死亡 10 人；而钻爆法施工 的长度与英吉利海峡隧道相近的日本青涵隧道长 53.9km 死亡达 34 人。 TBM 施工中发生水、 火灾害的风险不大,但是丹麦 GreatBelt 工程[1]隧道 4 台 TBM 在施工中就遇到了罕见的水、 火灾害。 1991 年 10 月 14 日在该工程西面掘进的两台 TBM 中的南线 TBM 工作面,发生了严重的涌水事件,在没有任何前兆的情况, 海水突然冲破了约 12m 的覆盖层,进入了机体,涌水形成了洪水,冲坏了西面的两台 TBM。后来又在 1994 年 6 月 11 日该工 程东面的一台 TBM 发生了严重的火灾,TBM 驱动刀头的 12 台液压马达中的一台的液压管路被烧断,喷油着火,烧毁了该台 TBM。幸运的是这两次事件均未造成人员伤亡,特别需要指出的是严重的火灾持续了 17 小时,周围温度高达 700°左右,优秀 的防爆系统和安全保护系统自动启动,防爆紧急电源开始工作,自动氧气罩的供给,保证了施工人员的安全撤离。这个实例强 有力地说明 TBM 施工必须有可靠的安全保护系统,同时也充分地说明只要采用了可靠的安全保护系统,TBM 的施工安全是可以得到保证的。 3.4 长隧道的出口 当隧道采用 TBM 独头掘进长度超过 20km,又无条件增设支洞或竖井时,将会由于向洞外出渣运距加长,向洞内运送人员、 物资时间增加等原因,而降低 TBM 的效率。同时万一洞内发生意外事故,增加人员的危险性。因此,通常在单条长隧道情况 下,大约需要每隔 l0km～15km 设置一出口。 3.5 洞内交通安全 长隧道内径不大的洞内交通安全是一项需要引起足够重视的问题。 本文工程实例之一的我国山西省万家寨引黄工程南干 4#、5#、6#、7# 隧洞使用 4 台 TBM 施工（总长约 90km,内径 4.30 m～4.20m）,施工人员因忽视洞内列车往来的安全,导 致 5 人死亡 2 人受伤。 3.6 TBM 的部件储备 长隧道采用 TBM 时,TBM 的一些零部件容易摩损,需要更换。因此,必须有一定数量的易损部件的储备,否则会导致停机 待料,延误工期,造成损失。通常部件库存量应是整机数量的 10％,其供应系统应有充足的货源,完善的库房,良好的运输和通 讯条件以及高效的管理人员。 4 发展趋势 世界各国大力发展经济,提高生产,导致大量的物资交换和文化交流,同时也要求不断改善环境。这必将推动长隧道的修 建。随着欧洲联盟各国的政治经济一体化,运输系统的运输能力需要迅速提高,预计在今后 20 年里运输量翻番,而阿尔卑斯 山脉为欧洲南北运输筑起了一道天然屏障,大部分货物只得通过高速公路由汽车运输,造成环境问题 （当地自然条件的破坏、 大气污染和噪音等）,使居民越来越无法忍受。为此,计划从 Rosenheim 穿过阿尔卑斯山脉至 Verona 修建一条自动化地下货 运铁路线,按双洞单轨布置,单洞总长大于 500km。在国外拟建的长隧道还有：法国 Lyon 至意.大利 Torin 的长约 54km 的隧 道；西班牙与摩洛哥之间穿过直布罗陀海峡的长约 50km 的隧洞；联接亚洲与美洲的长约 90km 的白令海峡隧道；南非莱 索托高原水利工程 6 条隧洞总长 200km。 在国内除南水北调西线第一期工程隧道总长 244.1km,其中最长的 73km 的隧道以 外,计划的还有渤海海峡隧道长约 57km；琼州海峡隧道长约 30km 以及祖国实现统一后长约 144km 的台湾海峡隧道等。 上述这些长隧道工程要求不断完善 TBM,使之能更好地满足工程建筑的需要。TBM 的发展趋势可归纳如下： a. 要求 TBM 能更适应不利的地质条件。例如,上面提到的穿越阿尔卑斯山脉单洞总长大于 500km 的铁路隧道,其覆盖深 度达 1200m 至 2400m,围岩初始应力高,围岩径向变形可能在 10cm～20cm 范围内,在某些极端情况下,可达 30cm,甚至更大, 要求 TBM 的开挖直径是可变的。此项工程开挖直径约 6.5m,共需 20 多台 TBM 同时在不同的围岩中掘进。因此,对 TBM 应进行专门的设计以满足开挖直径可变的要求。这样从发展趋势来讲,将趋向于两极化。这就是既要设计能适合复杂地质 条件使用的、费用高的多功能 TBM,又要生产用于地质条件简单的、廉价的 TBM。 b. 目前公路隧洞因多车道的需要,要求大断面。 三车道或三车道以上要求路面宽至少大于 20m,有的甚至达到 30m[1]。 直径达 20m～30m 的 TBM 正处于“预研究”阶段。预计今后 TBM 将更大直径化[6]。因此,大直径 TBM 的设计制造和部件运 输组装是其技术上的主要趋势之一。 c. 未来的发展方向之一是全自动化 TBM[1]。 d. 由于计算机硬件和软件的迅速发展,TBM 计算机优化设计和施工系统的开发也是发展方向之一。e. 目前主要用于工 业和民用管道施工的微型 TBM 发展很快[7]。微型 TBM 技术水平日本居世界首位, 其次为西欧。总之,TBM 已在全球长隧道工程中得到越来越多的应用,并且其技术水平日益得到提高。展望未来,TBM 的应用前景将是宽广而喜人的！}