長(zhǎng)隧道中隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用

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　　簡(jiǎn)介： 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(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)作了論述。

　　關(guān)鍵字：隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM） 

　　 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(chēng)是Tunnel Boring Machine，簡(jiǎn)稱(chēng)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(mén)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(chēng)為盾構(gòu)機(jī)：有的適用于巖石。巖石掘進(jìn)機(jī)可分為開(kāi)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(mén)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(kāi)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(chēng)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(chēng)。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(zhuān)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(kāi)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(mén)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(zhuān)門(mén)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chē)（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(kāi)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(kāi)。由涂有專(zhuān)門(mén)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(chē)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(chē)廂，一節(jié)車(chē)廂用以攪拌灌漿材料；而后是變壓器車(chē)廂，將

　　20 000 V降為380V；一節(jié)操縱千斤頂?shù)囊簤合到y(tǒng)車(chē)廂；然后一節(jié)食堂與醫(yī)務(wù)室；一節(jié)水處理車(chē)廂；一節(jié)分料車(chē)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(chē)廂，電纜隨開(kāi)挖而固定在隧道的壁面上；一節(jié)車(chē)廂裝壓空機(jī)及滲水抽排接力站；一節(jié)車(chē)廂用以卸下水泥砂漿（供料列車(chē)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(zhuān)門(mén)的輸送機(jī)送至工作面；一節(jié)為通風(fēng)車(chē)廂（其后各車(chē)廂都有兩條輸送帶，把挖方料卸在下面滑行的供應(yīng)列車(chē)的翻斗內(nèi)）；一節(jié)車(chē)廂用以進(jìn)行裝修及補(bǔ)充灌漿；有兩節(jié)車(chē)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(chē)的鐵軌。列車(chē)后面有加利福尼亞型的道岔。

　　導(dǎo)向問(wèn)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(kāi)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(kāi)挖，以便保留以十字鎬開(kāi)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(chēng)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(chē)，然后送去桑加特交通井。一列車(chē)有12節(jié)翻斗式車(chē)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(chē)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(chē)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(zhuān)門(mén)的大廳。有兩個(gè)大廳或稱(chēng)為錯(cuò)車(chē)室，長(zhǎng)200m，寬20m，這樣大尺寸的地下建筑從未在此條件下開(kāi)挖過(guò)。這些大廳用以列車(chē)錯(cuò)車(chē)，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(kāi)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(kāi)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(kāi)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?；炷辽a(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(chē)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(lèi)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(chē)無(wú)正面碰車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。脫軌時(shí)，隧道可保持列車(chē)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(chē)可經(jīng)每隔1／3隧道長(zhǎng)度處的轉(zhuǎn)車(chē)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(kāi)的。穿梭列車(chē)也是很安全的。有兩個(gè)牽引車(chē)頭，但只要一個(gè)牽引車(chē)頭就可牽引列車(chē)。當(dāng)控制失靈時(shí)，有一系統(tǒng)可使列車(chē)自動(dòng)緩緩?fù)＼?chē)?？刂浦行囊詿o(wú)線電與各列車(chē)聯(lián)絡(luò)管理全部列車(chē)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(zhuān)門(mén)的隧洞內(nèi)，洞用防水門(mén)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(kāi)，電纜有外裹層不致冒煙。

　　值得引起特別注意的是列車(chē)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(chē)的穿梭列車(chē)突發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，考慮到汽車(chē)油箱內(nèi)的汽油，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)可能是很?chē)?yán)重的，故采取了各種措施：首先，禁止在車(chē)廂內(nèi)啟動(dòng)馬達(dá)與抽煙，在穿梭列車(chē)?yán)锏娜藛T都應(yīng)保持警惕，每節(jié)車(chē)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(lèi)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(mén)把乘客與火陷隔開(kāi)至少可抵御半小時(shí)以上。

　　不銹鋼結(jié)構(gòu)的車(chē)廂也防火，可使其運(yùn)行直至總站，進(jìn)入專(zhuān)門(mén)裝備的處理股道上去。當(dāng)不可能把火車(chē)開(kāi)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(chē)或去其它隧洞乘救護(hù)列車(chē)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(chē)中，以便擬定數(shù)字模型予定出撤離出車(chē)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(chē)故障時(shí)外側(cè)有燈光照亮各車(chē)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(chē)上放置一個(gè)小炸藥包就足以毀壞一節(jié)車(chē)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(zhuān)門(mén)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(lèi)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(lèi)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(kāi)始進(jìn)行環(huán)境及地質(zhì)調(diào)查，1989年5月正式開(kāi)工，1997年12月竣工并投入營(yíng)運(yùn)，與周?chē)暮０陡咚俟?、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(chē)速80km／h，4車(chē)道×3.5m（隨著交通量的增加，將來(lái)可拓展為6車(chē)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?？偨ㄔO(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(kāi)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?chē)苍O(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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(shù)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(lèi)：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(chē)輛從受災(zāi)車(chē)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(chē)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(shù)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(tīng)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?chē)貙油耆_(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(kāi)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(kāi)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(pán)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(chē)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(kāi)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(kāi)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(lèi)）粘接劑（亦稱(chēng)尿烷類(lèi)材料）、樹(shù)脂砂漿或?yàn)r青類(lèi)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(kāi)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)?？傊?，東京灣跨海公路隧道工程所開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)挖、襯砌一次完成，邊開(kāi)挖、邊襯砌?；炷令A(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(zhuān)門(mén)運(yùn)輸車(chē)運(yùn)到距開(kāi)挖工作面約40m處，再改由專(zhuān)門(mén)起吊裝卸設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)到距開(kāi)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?；靥畛绦?yàn)橄忍畹坠捌?，再填兩?cè)邊拱片，最后填頂拱片。豆礫石也是由專(zhuān)門(mén)罐車(chē)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(lèi)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)?；炷寥雮}(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(wèn)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(wèn)題的，則運(yùn)到廢品處放置或作他用。

　　掘進(jìn)中遇到的問(wèn)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_(kāi)挖直徑的高程時(shí)，則開(kāi)動(dòng)機(jī)子，邊前進(jìn)、邊安裝管片，對(duì)兩邊管片上開(kāi)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(kāi)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(pán)附近的松散巖體進(jìn)行開(kāi)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(kāi)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(pán)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(méi)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(méi)有對(duì)此類(lèi)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(wèn)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(wèn)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(pán)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(kāi)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(kāi)挖石渣進(jìn)入刀頭與護(hù)盾殼間，加上刀盤(pán)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)：

　?、匍_(kāi)挖誤差控制到水平方向±150mm，垂直方向（即豎向）±50mm.

　?、诠芷惭b錯(cuò)臺(tái)90％控制在5mm范圍內(nèi)，管片接縫基本合格。

　?、鄱沟[石回填和水泥灌漿基本達(dá)到滿填滿灌，一次完成。

　?、芄芷涌p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。

　?、迍?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(chē)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(wèn)題

　　3.1  超前地質(zhì)探測(cè)問(wèn)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(jiàn)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(wèn)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(wèn)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(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(chēng)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?chē)?m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(wèn)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?？坷没貜梼x、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(chē)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）?？梢灶A(yù)見(jiàn)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(wèn)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)?？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(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(jiàn)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(méi)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?chē)鷾囟雀哌_(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(kāi)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(wèn)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(chē)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(chē)運(yùn)輸，造成環(huán)境問(wèn)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(kāi)挖直徑是可變的。此項(xiàng)工程開(kāi)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(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)以滿足開(kāi)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(chē)道的需要，要求大斷面。三車(chē)道或三車(chē)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(kāi)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！