Question

长隧道中隧道掘进机的应用

Answer 1

简介： 对长隧道中应用隧道掘进机的现状、典型实例、问题以及发展趋势作了论述。

　　关键字：隧道掘进机（TBM）

　　 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。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SJ55、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日掘进113m和月掘进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2km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，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