長隧道中隧道掘進機的應用
發布時間：2010-01-14 共4頁
簡介： 對長隧道中應用隧道掘進機的現狀、典型實例、問題以及發展趨勢作了論述。
關鍵字：隧道掘進機（TBM）
1 概述
當隧道（洞）長度過長時，用常規鉆爆法進行隧道施工將需要相當長的工期，隧道掘進機法施工則適合長隧道施工的需要。隧道掘進機英文名稱是Tunnel Boring Machine，簡稱TBM.
根據國外實踐證明：當隧道長度與直徑之比大于600時，采用TBM進行隧道施工是經濟的。TBM最大的優點是快速。其一般速率為常規鉆爆法的3～10倍。此外，采用TBM施工還有優質、安全、有利于環境保護和節省勞動力等優點。由于TBM提高了掘進速率，工期大為縮短，因此在整體上是經濟的。 TBM的缺點主要是對地質條件的適應性不如常規的鉆爆法；主機重量大：前期訂購TBM費用較多；要求施工人員技術水平和管理水平高；對短隧道不能發揮其優越性。由于科學技術的不斷迅猛進步，現在TBM可以適應較為復雜的地質條件，從松散軟土到極堅硬的巖石都可以應用，使用范圍日益廣泛。TBM的設計制造在一定程度上反映了一個國家的綜合科學技術和工業水平，體現了計算機、新材料、自動化、信息傳輸和多媒體等技術的綜合和密集水平。一門叫做“地質機械電子學”的學科應運而生。它把機械原理、電子學原理和機器人原理應用到巖土工程學中，包括所有巖土工程技術和TBM技術。未來的發展屬于自動化隧道掘進機。目前，人們已能在辦公室控制掘進機操作一一法國的斯特拉堡工地證實了這一事實[1].
掘進機的針對性很強，不同的地質條件需要不同的掘進機，也就產生了不同的掘進機；有的適用于軟土，又稱為盾構機：有的適用于巖石。巖石掘進機可分為開敞式、單護盾式和雙護盾式，并且已研制出能進行斜井施工的，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。軟土掘進機（盾構機）初期為氣壓手掘式，現今主要為泥漿加壓式和土壓平衡式，并且已研制出能掘進圓形連續多斷面隧道掘進機，已應用于日本Hiroshima新運輸線的Rijoh隧道：研制出垂直—水平連續隧道掘進機，已應用于日本東京污水隧道工程；研制出橢園形隧道掘進機，已應用于日本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的兩用混合型掘進機，已應用于英吉利海峽隧道法國側隧道的施工、日本廣島污水隧道施工以及我國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機制造廠商是美國的羅賓斯（Robbins）公司和賈瓦（arva）公司、德國的沃斯（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。而軟土掘進機則以日本川崎重工業公司生產的最為著名。國外掘進機直徑已達14.14m（用于日本東京灣跨海公路隧道）。
我國1966年生產出第一臺直徑3.4m的掘進機，在杭州人防工程中進行過試驗。70年代進入工業性試驗階段，試制出SJ55、SJ58、SJ64、EJ30型掘進機。80年代進入實用性階段，研制出SJ58A、SJ58B、SJ40/45、EJ30/32、EJ50型掘進機，在河北引灤、福建龍門灘、青島引黃濟青、云南羊場煤礦、貴陽煤礦、山西古交和懷仁煤礦等工程中使用。但是，我國掘進機與國外掘進機相比較，在技術性能和可靠性等方面還有相當大的差距，需要加快掘進機的整機研究、設計和生產，迎頭趕上國際先進水平。
自1978年我國實行改革開放以采，已有甘肅省引大入秦工程、山西省萬家寨引黃工程和陜西省秦嶺鐵路隧道工程等項目引入國外大型TBM進行隧道施工，取得了成功。其中山西省萬家寨引黃工程創造最高日掘進113m和最高月掘進1650m以上的記錄。
隧道掘進機除主機外，還必須配備配套系統，稱為后配套系統。通常主機和配套系統總長度達150m ～300m.配套系統包括運碴、運料系統、支護設備、激光導向系統、供電裝置、供水系統、排水系統、通風防塵系統和安全保護系統。用于水工隧洞的還有注漿系統等。TBM法與鉆爆法相比，其主要優點是掘進速度快，所以配套系統是滿足連續快速掘進的關鍵因素，其運輸布置、運輸能力、供水、排水流量、通風方式及風壓、風量以及噴錨、混凝土管片安裝、豆礫石噴射、回填灌漿的速度，必須與掘進速度相匹配。
2 長隧道應用TBM的典型工程實例
2.1 英吉利海峽隧道
英吉利海峽隧道全長49.2km，海下37km，共有三條平行的隧道，其中兩條單線鐵路隧道，內徑7.6m，相距30m.，中間隧洞留作服務用，直徑為4.8m.每條主洞有一單線鐵路與一人行道。服務隧洞則用作通風、維修及整體安全，而在施工期間則作為超前地質預報。
隧道線路非直線也非水平，是依19世紀時已標定的藍色白堊層而定，此種巖層堅實但不太硬，又不透水，是掘進的理想地層。由古代沉積地層組成的英吉利海峽的地質狀況十分穩定，無斷層、無地震活動跡象、無褶皺、又無使地質情況復雜化的大斷層。然而在施工期間也有若干意外情況出現。隧道靠近藍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稱。英國一側海岸，地層褶皺平緩，白堊較完整。法國一側海岸，白堊層常有裂隙，加大了地層的透水性，有碰到不穩定地層的危險性。而且還穿過一層含水的灰色白堊層達藍色白堊層。故掘進技術不同。法國一側，隧道掘進機可在含水層中工作，而英國一側，隧道掘進機是設計專用于干燥的地層。另一方面，挖掘長度的分配也不一樣，英國海岸掘進總長為92.4km，而法國海岸僅57.6km，因那里的地層更難以工作。
隧道開挖會合處靠近法國海岸一邊，理論上是在法國一側，洞門起19km處。實際上會合處離之稍遠，因法國人進展得比預定的快。
隧道并不是單純的配有鐵軌的管道。隨著隧道掘進的進展，或在隧道完工后，各種網路的設施都支承在隧道的壁上。整個網路包括有信號電纜、700部電話、5000個擴音器、4組光纖電纜以及消防水管和照明設施等。另外，還有輸送部分冰凍水流的大水管通過隧道用以降溫。設有技術裝備的地下房室則有專門的通風與冷卻設施。.英吉利海峽海底隧道工地是20世紀最大的工地之一。1990年11月估計的工程最終投資為760.8億法郎；而集團投資增至879億法郎，差額即用作備用金。僅僅此工程浩大的費用說明了它的規模。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，因在全斯曼徹聯合公司名下的各承包公司以其地理上的相近關系而組合在一起的。五家法國承包公司在法國一側工作，而五家英國承包公司則在英國一側工作。
整個工程工期7年，對如此規模的工程來說，工期是很短的。任何在施工中的拖延都會減少實際受益期限。此外，沉重的貸款上的財務費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。為贏得這場時間上的真正競賽，有11臺隧道掘進機同時開挖隧洞。隧道掘進機上的各班組日夜輪班不停，每一工作面有五個班組。其中三組每組8小時輪換，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機的良好運轉，掘進機的進展速度就表示出工程的進度。這是巨大又復雜的機械，直接以隧洞的全斷面尺寸開挖土石，機械過后留下的是已襯砌好的不透水的并裝備了相隨的各種網路的隧道。隧道掘進機既用以開鑿隧洞，又用以排出挖方料，安放拱楔塊，在拱楔塊后灌漿，并置放以公里計的掛在隧洞壁上的電纜及各種管道。.隧道掘進機的心臟部分——主機，長10 m～13m，重達1 200t，在切割頭的后面有一個挖方料的排出系統與一個安置拱楔塊的升降架。掘進機由一個厚7cm的金屬外殼保護以臨時支撐土石層。一列長250m，重約800t的技術列車（后配套系統）承擔一切后勤支援：排出挖方料，送交拱楔塊，通風、供電，敷設電纜及供水、供電管并鋪設鐵軌。
考慮到地層的不同性質，各隧道掘進機設計不一。英國一側藍色白堊能挺立不塌，可在掘進機護盾外殼后面立即鋪設拱楔塊。法國一側海岸，地質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海面下90m，故應面對9×105Pa的水壓力。隧道掘進機設計不透水的隔膜及高壓墊圈把旋轉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止水圈可使掘進機護盾外殼在已安設的拱楔塊上滑動。
隧道掘進機之后配套系統隨掘進機一起前進并載著全部運行設備。這是一個真正的流動工廠。緊接護盾之后是操縱室，從操縱室工程師和技術員控制著前進速度并經攝像顯示機觀察掌子面。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；一節操縱千斤頂的液壓系統車廂；然后一節食堂與醫務室；一節水處理車廂；一節分料車廂，把挖方料分在兩列新的皮帶機上；一節載著20 000V電纜施放機的車廂，電纜隨開挖而固定在隧道的壁面上；一節車廂裝壓空機及滲水抽排接力站；一節車廂用以卸下水泥砂漿（供料列車可經隧道掘進機的支柱而到達此層），一節是卸拱楔塊用，這些拱楔塊由專門的輸送機送至工作面；一節為通風車廂（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列車的翻斗內）；一節車廂用以進行裝修及補充灌漿；有兩節車廂裝有管道及電纜，隨進展而固定于壁上；最后一節則用以安設懸掛電纜、清掃隧道底拱并敷設服務列車的鐵軌。列車后面有加利福尼亞型的道岔。
導向問題是關鍵，因為不僅自英吉利海峽兩岸起挖通的隧洞應精密會合，而且要遵循拱楔塊制造及安放要求的尺寸。隧道掘進機的位置一直由計算機按每隔187m安設的測量標志網計算。首先利用人造衛星測定了10來個地面標志點的位置。最后一個標志點上有激光裝置對準隧道掘進機上的固定目標，隨時向操作員指出掘進機的位置是否與存儲于機上計算機內的理論軌跡相符。程序計算出修正的軌跡，依此軌跡，決定出在襯砌環圈上千斤頂的推力。
在地下經過約20km的進尺后，所得的在會合點的理論精確度約25cm，即兩個開挖段之間的偏差為50cm.這正是服務隧洞在海下會合點的偏差。英國一側的服務隧洞在地下經8km后出地..面時僅有4mm的誤差。地下兩半截隧洞的會合以下法進行：當還剩下l00m待挖時，即停機并打一探測孔以檢驗是否在一條線上，然后以人工挖一人行孔以便兩側通訊。由于掘進機的直徑大于已經襯砌的隧洞，它們既不能后退又不能向前出去。法國一側的掘進機，回收其最大的部分而讓其鋼外殼留在隧洞的拱圈內，用氣焊槍割下能割的部分。英國一側的掘進機在偏離前進軸線的隧道側邊挖掘了它們自己的墳墓，就地遺棄，埋在混凝土中。
最后幾米的隧洞以傳統的方法開挖，以便保留以十字鎬開挖的最大巖石面。這樣就可進行象征隧道挖通的歷史性握手。歷史將記住，服務隧洞的探測孔是1990年10月30日20點25分打通的。
隧道內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?？偣灿?2萬塊拱楔塊。拱楔塊的質量保證建筑物的安全與壽命（120年）。法國一側有25萬塊拱楔塊，英國一側有47萬塊，鋪砌在隧洞內部，其尺寸精度以毫米計。標準襯砌是1.4m～1.6m長的拱圈，法國一側由5塊拱楔塊及一塊拱頂鍵石組成，英國一側由6個拱楔塊加一拱頂鍵石組成。法國一側的拱楔塊有氯丁橡膠接縫以確保在10 t水壓下的防滲。拱楔塊由掘進機上的機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。
怎樣處理運出隧道的挖方料呢？這些挖方料的數量浩大：總共800×104m3，其中300×104m挖自法國一側。其余則挖自英國一側。各工地再次采用不同的解決措施。
法國一側，自工作面挖出的挖方料視土層里含水量的大小而呈現稀或稠的粘糊糊的泥漿，從隧道掘進機的螺旋輸送機或泥漿泵送出后，經各輸送裝置倒入運送挖方料的列車，然后送去桑加特交通井。一列車有12節翻斗式車廂，一次翻轉6節，把料傾倒在井底。挖方料在井底加水經破碎機攪拌，破碎機由兩帶齒圓輥組成，以相反的方向旋轉，然后又經一鏈式破碎機使之成為流態的均勻泥漿，其稠度近乎酸乳酪。臺巨大的混凝土泵式的泥漿泵把泥漿打進一系列的管道中，揚高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900m，高38m，泥漿打到這里并逐步地填滿此水庫。沉淀后的水再回收，過濾，然后注入海中，工程完工后，形成的新土山將予整治并裝點景色。
英國一側，挖出的挖方料基本上是干的，排出隧道后即倒在莎士比亞·克利夫平臺處。來自工作面的裝料車廂側卸于沿鐵道布置的料斗內，挖方料由鏈式輸送裝置運走，然后以每小時運2400噸土料的巨大的輸送帶經交通隧洞運出地面。挖方料部分加濕以免灰塵飛揚。然后由移動式輸送裝置或卡車傾入五個以人工堤圍起的瀉湖內。這些人工堤是隨工程的進展而逐漸建成的，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。結束時，唯一留在工地現場的是通風與維修設施。此種把挖方料運至肯特附近的解決辦法被認為是較妥的。
英吉利海峽海底隧道主要由三條長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機的專門的大廳。有兩個大廳或稱為錯車室，長200m，寬20m，這樣大尺寸的地下建筑從未在此條件下開挖過。這些大廳用以列車錯車，以及5個地下泵站連同緩沖蓄水池以確保隧道的持續排水。
隧道掘進機的安裝在巨大的地下大廳里進行。法國一側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500m，直徑為隧道掘進機直徑的一倍半以便在掘進開始前進行檢驗。
英國一側的安裝大廳在莎士比亞·克利夫地下綜合體內。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天強度達到55MPa，這是高質量混凝土通常強度的兩倍。混凝土生產管理都由計算機控制。
根據拱楔塊在隧道中所在的位置而一塊一塊地鑒定。拱楔塊出廠由計算機控制的吊車進行，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，儲放10天至一個月。
1986年選用隧道的論點之一就是其固有的安全性。實際上，鐵路是最安全的長距離運輸手段。在單股道的隧洞內運行的列車無正面碰車的風險。脫軌時，隧道可保持列車在其運行的軌線上以防其傾覆。鐵軌則經常以超聲測試檢驗。每隔375m與主隧道相連通的服務隧洞同時是一個地下庇護所及急救的通道。需要時，列車可經每隔1／3隧道長度處的轉車大廳由一條隧道轉到另一條隧道去。但平時，兩條隧道是完全隔開的。穿梭列車也是很安全的。有兩個牽引車頭，但只要一個牽引車頭就可牽引列車。當控制失靈時，有一系統可使列車自動緩緩停車。控制中心以無線電與各列車聯絡管理全部列車的運行。電源由英吉利海峽兩岸共同供電，變壓器設在專門的隧洞內，洞用防水門關閉，有其各自的檢測系統與防火系統，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行，次數頻繁，隧道較長并且在洞內同時有兩萬人在場。為防運載汽車的穿梭列車突發火災的風險，考慮到汽車油箱內的汽油，火災風險可能是很嚴重的，故采取了各種措施：首先，禁止在車廂內啟動馬達與抽煙，在穿梭列車里的人員都應保持警惕，每節車廂內設有火焰、煙霧、一氧化碳、碳氫化合物的探測器，這些探測器與駕駛室內的計算機連接口設有好幾種手動及自動的滅火系統。有一普通類型的滅火器可在幾秒鐘內在燃燒著的汽油上噴上一層泡沫使其窒息。若乘客處于危險狀態時即使用另一種滅火器，噴出煙霧可有效地防御有毒火焰。若滅火器數量不夠，則防火門把乘客與火陷隔開至少可抵御半小時以上。
不銹鋼結構的車廂也防火，可使其運行直至總站，進入專門裝備的處理股道上去。當不可能把火車開出隧道或洞內有大火時，乘客們將引入服務隧洞，這是失火時的好庇護所，因其空氣始終處于超壓狀態，乘客自服務隧洞乘服務車或去其它隧洞乘救護列車出洞。強力通風可排出鐵路隧洞內的廢氣。
進行了60來次撤離測試與防火試驗以測定乘客的反應能力、探測系統及設備的耐火程度。乘客們被置于與原型自然尺寸一樣大的模型列車中，以便擬定數字模型予定出撤離出車廂的時間。依乘客年齡不同與有否煙霧，撤離時間自1分鐘至3分20秒不等。列車故障時外側有燈光照亮各車廂。不能排除炸彈襲擊。必須要很大的裝藥量并嵌入隧道結構內才能炸塌隧道。但在穿梭列車上放置一個小炸藥包就足以毀壞一節車廂，造成脫軌，并由之引起火災。對此種災難也采取了專門的預防措施，某些措施是用以探測炸藥，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領域中一項杰出的創舉。這條歐洲隧道已于1994年年底正式運行，成為世界上最重要的運輸系統之一，為建立一個無國境的歐洲，為促進人類交往和經濟文化交流，會作出不可磨滅的貢獻。
