長隧道中隧道掘進(jìn)機的應(yīng)用
發(fā)布時間：2010-01-14 共4頁
3 長隧道TBM施工中的若干問題
3.1 超前地質(zhì)探測問題
由于長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長的供水隧道中，因遇到巖溶，一臺TBM被埋在一個侵蝕洞穴。委內(nèi)瑞拉的Yacambu隧道長27km，其圍巖收斂變形每分鐘達(dá)到20cm，致使TBM無法完成掘進(jìn)而停工。萬家寨引黃工程南干7#隧洞遇到摩天嶺大斷層（影響帶長達(dá)300m），因進(jìn)行工程處理而延誤工期達(dá)3個月之久。因此，TBM在掘進(jìn)過程中，必須有超前地質(zhì)探測的保證。
TBM在掘進(jìn)過程中，通常每天在停機維護(hù)的期間，用多方向支撐液壓鉆機進(jìn)行超前鉆探，預(yù)測可能影響掘進(jìn)的問題或異?，F(xiàn)象。但一般超前鉆探約20m～30m，TBM掘進(jìn)速率每天超過20m～30m時，則不能滿足預(yù)測的需要。地質(zhì)超前預(yù)報還有隧道地震預(yù)報法、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，逐步臻于完善，進(jìn)入了實用階段。我國于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].
法國巴黎Eole工程在TBM掘進(jìn)過程中利用地下雷達(dá)進(jìn)行了超前探測[1].該工程共進(jìn)行了十二組雷達(dá)搜索，總長577m，徑向范圍為鉆孔周圍5m范圍內(nèi)。地下雷達(dá)探測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，說明可能有破碎帶或界面變化。掘進(jìn)過程證實了雷達(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[3] .地下雷達(dá)的主要優(yōu)點在于可無損、快速、準(zhǔn)確探測到TBM前方的具體地質(zhì)困難及其位置，以便及時采取有效措施進(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 長隧道工程質(zhì)量的檢查驗收問題
TBM施工長隧道具有快速高效的特點。但是，對這些長隧道施工質(zhì)量的檢查驗收通?？坷没貜梼x、鉆孔抽查等常規(guī)手段。這些手段不能對隧道全線的工程質(zhì)量作出全面完整的可靠的檢驗。瑞士安伯格測量技術(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)量檢測的需要。其中的TS360BT型隧道掃描器能測繪出襯砌表面后的缺陷。此儀器安置在運載車上，以每小時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)過對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。此儀器已被多項隧道工程用來進(jìn)行質(zhì)量狀況的檢測，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）和法國的St.Germain隧道（1994年）?？梢灶A(yù)見隧道掃描器將在長隧道TBM施工質(zhì)量檢測中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。
3.3 長隧道中TBM施工的安全問題
TBM在長隧道中施工，萬一發(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)?？偟牟芍v，TBM施工的事故遠(yuǎn)比鉆爆法小[2].例如，TBM法施工的長49.2km的英吉利海峽隧道事故死亡10人；而鉆爆法施工的長度與英吉利海峽隧道相近的日本青涵隧道長53.9km死亡達(dá)34人。
TBM施工中發(fā)生水、火災(zāi)害的風(fēng)險不大，但是丹麥GreatBelt工程[1]隧道4臺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)入了機體，涌水形成了洪水，沖壞了西面的兩臺TBM.后來又在1994年6月11日該工程東面的一臺TBM發(fā)生了嚴(yán)重的火災(zāi)，TBM驅(qū)動刀頭的12臺液壓馬達(dá)中的一臺的液壓管路被燒斷，噴油著火，燒毀了該臺TBM.幸運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，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)自動啟動，防爆緊急電源開始工作，自動氧氣罩的供給，保證了施工人員的安全撤離。這個實例強有力地說明TBM施工必須有可靠的安全保護(hù)系統(tǒng)，同時也充分地說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 長隧道的出口
當(dāng)隧道采用TBM獨頭掘進(jìn)長度超過20km，又無條件增設(shè)支洞或豎井時，將會由于向洞外出渣運距加長，向洞內(nèi)運送人員、物資時間增加等原因，而降低TBM的效率。同時萬一洞內(nèi)發(fā)生意外事故，增加人員的危險性。因此，通常在單條長隧道情況下，大約需要每隔l0km～15km設(shè)置一出口。
3.5 洞內(nèi)交通安全
長隧道內(nèi)徑不大的洞內(nèi)交通安全是一項需要引起足夠重視的問題。本文工程實例之一的我國山西省萬家寨引黃工程南干4#、5#、6#、7# 隧洞使用4臺TBM施工（總長約90km，內(nèi)徑4.30 m～4.20m），施工人員因忽視洞內(nèi)列車往來的安全，導(dǎo)致5人死亡2人受傷。
3.6 TBM的部件儲備
長隧道采用TBM時，TBM的一些零部件容易摩損，需要更換。因此，必須有一定數(shù)量的易損部件的儲備，否則會導(dǎo)致停機待料，延誤工期，造成損失。通常部件庫存量應(yīng)是整機數(shù)量的10％，其供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)有充足的貨源，完善的庫房，良好的運輸和通訊條件以及高效的管理人員。
4 發(fā)展趨勢
世界各國大力發(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，同時也要求不斷改善環(huán)境。這必將推動長隧道的修建。隨著歐洲聯(lián)盟各國的政治經(jīng)濟(jì)一體化，運輸系統(tǒng)的運輸能力需要迅速提高，預(yù)計在今后20年里運輸量翻番，而阿爾卑斯山脈為歐洲南北運輸筑起了一道天然屏障，大部分貨物只得通過高速公路由汽車運輸，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），使居民越來越無法忍受。為此，計劃從Rosenheim穿過阿爾卑斯山脈至Verona修建一條自動化地下貨運鐵路線，按雙洞單軌布置，單洞總長大于500km.在國外擬建的長隧道還有：法國Lyon至意.大利Torin的長約54km的隧道；西班牙與摩洛哥之間穿過直布羅陀海峽的長約50km的隧洞；聯(lián)接亞洲與美洲的長約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200km.在國內(nèi)除南水北調(diào)西線第一期工程隧道總長244.1km，其中最長的73km的隧道以外，計劃的還有渤海海峽隧道長約57km；瓊州海峽隧道長約30km以及祖國實現(xiàn)統(tǒng)一后長約144km的臺灣海峽隧道等。
上述這些長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。此項工程開挖直徑約6.5m，共需20多臺TBM同時在不同的圍巖中掘進(jìn)。因此，對TBM應(yīng)進(jìn)行專門的設(shè)計以滿足開挖直徑可變的要求。這樣從發(fā)展趨勢來講，將趨向于兩極化。這就是既要設(shè)計能適合復(fù)雜地質(zhì)條件使用的、費用高的多功能TBM，又要生產(chǎn)用于地質(zhì)條件簡單的、廉價的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)計今后TBM將更大直徑化[6].因此，大直徑TBM的設(shè)計制造和部件運輸組裝是其技術(shù)上的主要趨勢之一。
c. 未來的發(fā)展方向之一是全自動化TBM[1].
d. 由于計算機硬件和軟件的迅速發(fā)展，TBM計算機優(yōu)化設(shè)計和施工系統(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已在全球長隧道工程中得到越來越多的應(yīng)用，并且其技術(shù)水平日益得到提高。展望未來，TBM的應(yīng)用前景將是寬廣而喜人的！
