1 概述
當(dāng)隧道（洞）長度過長時,用常規(guī)鉆爆法進(jìn)行隧道施工將需要相當(dāng)長的工期,隧道掘進(jìn)機法施工則適合長隧道施工的需要。隧道掘進(jìn)機英文名稱是Tunnel Boring Machine,簡稱TBM。
根據(jù)國外實踐證明：當(dāng)隧道長度與直徑之比大于600時,采用TBM進(jìn)行隧道施工是經(jīng)濟(jì)的。TBM最大的優(yōu)點是快速。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)省勞動力等優(yōu)點。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的缺點主要是對地質(zhì)條件的適應(yīng)性不如常規(guī)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(shù)水平和管理水平高；對短隧道不能發(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,從松散軟土到極堅硬的巖石都可以應(yīng)用,使用范圍日益廣泛。TBM的設(shè)計制造在一定程度上反映了一個國家的綜合科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平,體現(xiàn)了計算機、新材料、自動化、信息傳輸和多媒體等技術(shù)的綜合和密集水平。一門叫做“地質(zhì)機械電子學(xué)”的學(xué)科應(yīng)運而生。它把機械原理、電子學(xué)原理和機器人原理應(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)。未來的發(fā)展屬于自動化隧道掘進(jìn)機。目前,人們已能在辦公室控制掘進(jìn)機操作一一法國的斯特拉堡工地證實了這一事實[1]。
掘進(jìn)機的針對性很強,不同的地質(zhì)條件需要不同的掘進(jìn)機,也就產(chǎn)生了不同的掘進(jìn)機；有的適用于軟土,又稱為盾構(gòu)機：有的適用于巖石。巖石掘進(jìn)機可分為開敞式、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（盾構(gòu)機）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,已應(yīng)用于日本Hiroshima新運輸線的Rijoh隧道：研制出垂直—水平連續(xù)隧道掘進(jìn)機,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,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,已應(yīng)用于英吉利海峽隧道法國側(cè)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(jìn)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(jìn)機則以日本川崎重工業(yè)公司生產(chǎn)的最為著名。國外掘進(jìn)機直徑已達(dá)14.14m（用于日本東京灣跨海公路隧道）。
我國1966年生產(chǎn)出第一臺直徑3.4m的掘進(jìn)機,在杭州人防工程中進(jìn)行過試驗。70年代進(jìn)入工業(yè)性試驗階段,試制出SJ55、SJ58、SJ64、EJ30型掘進(jìn)機。80年代進(jìn)入實用性階段,研制出SJ58A、SJ58B、SJ40/45、EJ30/32、EJ50型掘進(jìn)機,在河北引灤、福建龍門灘、青島引黃濟(jì)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(jìn)機與國外掘進(jìn)機相比較,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)機的整機研究、設(shè)計和生產(chǎn),迎頭趕上國際先進(jìn)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(jìn)行隧道施工,取得了成功。其中山西省萬家寨引黃工程創(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)機除主機外,還必須配備配套系統(tǒng),稱為后配套系統(tǒng)。通常主機和配套系統(tǒng)總長度達(dá)150m ～300m。配套系統(tǒng)包括運碴、運料系統(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,其運輸布置、運輸能力、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 長隧道應(yīng)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(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。
隧道線路非直線也非水平,是依19世紀(jì)時已標(biāo)定的藍(lán)色白堊層而定,此種巖層堅實但不太硬,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,無斷層、無地震活動跡象、無褶皺、又無使地質(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稱。英國一側(cè)海岸,地層褶皺平緩,白堊較完整。法國一側(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)定地層的危險性。而且還穿過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。法國一側(cè),隧道掘進(jìn)機可在含水層中工作,而英國一側(cè),隧道掘進(jìn)機是設(shè)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(jìn)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(cè),洞門起19km處。實際上會合處離之稍遠(yuǎn),因法國人進(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。整個網(wǎng)路包括有信號電纜、700部電話、5000個擴(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隧道用以降溫。設(shè)有技術(shù)裝備的地下房室則有專門的通風(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用說明了它的規(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。五家法國承包公司在法國一側(cè)工作,而五家英國承包公司則在英國一側(cè)工作。
整個工程工期7年,對如此規(guī)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(wù)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(jìn)機同時開挖隧洞。隧道掘進(jìn)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(jìn)機的良好運轉(zhuǎn),掘進(jìn)機的進(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(wǎng)路的隧道。隧道掘進(jìn)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(jìn)機的心臟部分——主機,長10 m～13m,重達(dá)1 200t,在切割頭的后面有一個挖方料的排出系統(tǒng)與一個安置拱楔塊的升降架。掘進(jìn)機由一個厚7cm的金屬外殼保護(hù)以臨時支撐土石層。一列長250m,重約800t的技術(shù)列車（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)機設(shè)計不一。英國一側(cè)藍(lán)色白堊能挺立不塌,可在掘進(jìn)機護(hù)盾外殼后面立即鋪設(shè)拱楔塊。法國一側(cè)海岸,地質(zhì)鉆探表明線路將遇到斷層,可能有滲水。由于開挖的隧道深達(dá)海面下90m,故應(yīng)面對9×105Pa的水壓力。隧道掘進(jìn)機設(shè)計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。由涂有專門油脂的金屬刷組成的一個止水圈可使掘進(jìn)機護(hù)盾外殼在已安設(shè)的拱楔塊上滑動。
隧道掘進(jìn)機之后配套系統(tǒng)隨掘進(jìn)機一起前進(jìn)并載著全部運行設(shè)備。這是一個真正的流動工廠。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(jié)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(jié)操縱千斤頂?shù)囊簤合到y(tǒng)車廂；然后一節(jié)食堂與醫(yī)務(wù)室；一節(jié)水處理車廂；一節(jié)分料車廂,把挖方料分在兩列新的皮帶機上；一節(jié)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(jié)車廂裝壓空機及滲水抽排接力站；一節(jié)車廂用以卸下水泥砂漿（供料列車可經(jīng)隧道掘進(jìn)機的支柱而到達(dá)此層）,一節(jié)是卸拱楔塊用,這些拱楔塊由專門的輸送機送至工作面；一節(jié)為通風(fēng)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(yīng)列車的翻斗內(nèi)）；一節(jié)車廂用以進(jìn)行裝修及補充灌漿；有兩節(jié)車廂裝有管道及電纜,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)列車的鐵軌。列車后面有加利福尼亞型的道岔。
導(dǎo)向問題是關(guān)鍵,因為不僅自英吉利海峽兩岸起挖通的隧洞應(yīng)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(jìn)機的位置一直由計算機按每隔187m安設(shè)的測量標(biāo)志網(wǎng)計算。首先利用人造衛(wèi)星測定了10來個地面標(biāo)志點的位置。最后一個標(biāo)志點上有激光裝置對準(zhǔn)隧道掘進(jìn)機上的固定目標(biāo),隨時向操作員指出掘進(jìn)機的位置是否與存儲于機上計算機內(nèi)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(huán)圈上千斤頂?shù)耐屏Α?/div>
在地下經(jīng)過約20km的進(jìn)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(wù)隧洞在海下會合點的偏差。英國一側(cè)的服務(wù)隧洞在地下經(jīng)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(jìn)行：當(dāng)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(cè)通訊。由于掘進(jìn)機的直徑大于已經(jīng)襯砌的隧洞,它們既不能后退又不能向前出去。法國一側(cè)的掘進(jìn)機,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。英國一側(cè)的掘進(jìn)機在偏離前進(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)的方法開挖,以便保留以十字鎬開挖的最大巖石面。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)隧洞的探測孔是1990年10月30日20點25分打通的。
隧道內(nèi)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。總共有72萬塊拱楔塊。拱楔塊的質(zhì)量保證建筑物的安全與壽命（120年）。法國一側(cè)有25萬塊拱楔塊,英國一側(cè)有47萬塊,鋪砌在隧洞內(nèi)部,其尺寸精度以毫米計。標(biāo)準(zhǔn)襯砌是1.4m～1.6m長的拱圈,法國一側(cè)由5塊拱楔塊及一塊拱頂鍵石組成,英國一側(cè)由6個拱楔塊加一拱頂鍵石組成。法國一側(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(shù)量浩大：總共800×104m3,其中300×104m挖自法國一側(cè)。其余則挖自英國一側(cè)。各工地再次采用不同的解決措施。
法國一側(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)機的螺旋輸送機或泥漿泵送出后,經(jīng)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(jié)翻斗式車廂,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)破碎機攪拌,破碎機由兩帶齒圓輥組成,以相反的方向旋轉(zhuǎn),然后又經(jīng)一鏈?zhǔn)狡扑闄C使之成為流態(tài)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(jìn)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(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·克利夫平臺處。來自工作面的裝料車廂側(cè)卸于沿鐵道布置的料斗內(nèi),挖方料由鏈?zhǔn)捷斔脱b置運走,然后以每小時運2400噸土料的巨大的輸送帶經(jīng)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(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。結(jié)束時,唯一留在工地現(xiàn)場的是通風(fēng)與維修設(shè)施。此種把挖方料運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(xù)排水。
隧道掘進(jìn)機的安裝在巨大的地下大廳里進(jìn)行。法國一側(cè)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(jìn)機直徑的一倍半以便在掘進(jìn)開始前進(jìn)行檢驗。
英國一側(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）開挖的。
拱楔塊28天強度達(dá)到55MPa,這是高質(zhì)量混凝土通常強度的兩倍�；炷辽a(chǎn)管理都由計算機控制。
根據(jù)拱楔塊在隧道中所在的位置而一塊一塊地鑒定。拱楔塊出廠由計算機控制的吊車進(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(nèi)運行的列車無正面碰車的風(fēng)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(jīng)常以超聲測試檢驗。每隔375m與主隧道相連通的服務(wù)隧洞同時是一個地下庇護(hù)所及急救的通道。需要時,列車可經(jīng)每隔1／3隧道長度處的轉(zhuǎn)車大廳由一條隧道轉(zhuǎn)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(dāng)控制失靈時,有一系統(tǒng)可使列車自動緩緩?fù)＼�。控制中心以無線電與各列車聯(lián)絡(luò)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(shè)在專門的隧洞內(nèi),洞用防水門關(guān)閉,有其各自的檢測系統(tǒng)與防火系統(tǒng),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(shù)頻繁,隧道較長并且在洞內(nèi)同時有兩萬人在場。為防運載汽車的穿梭列車突發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險,考慮到汽車油箱內(nèi)的汽油,火災(zāi)風(fēng)險可能是很嚴(yán)重的,故采取了各種措施：首先,禁止在車廂內(nèi)啟動馬達(dá)與抽煙,在穿梭列車?yán)锏娜藛T都應(yīng)保持警惕,每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)有火焰、煙霧、一氧化碳、碳?xì)浠衔锏奶綔y器,這些探測器與駕駛室內(nèi)的計算機連接口設(shè)有好幾種手動及自動的滅火系統(tǒng)。有一普通類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。若乘客處于危險狀態(tài)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(shù)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(jié)構(gòu)的車廂也防火,可使其運行直至總站,進(jìn)入專門裝備的處理股道上去。當(dāng)不可能把火車開出隧道或洞內(nèi)有大火時,乘客們將引入服務(wù)隧洞,這是失火時的好庇護(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)車或去其它隧洞乘救護(hù)列車出洞。強力通風(fēng)可排出鐵路隧洞內(nèi)的廢氣。
進(jìn)行了60來次撤離測試與防火試驗以測定乘客的反應(yīng)能力、探測系統(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中,以便擬定數(shù)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(cè)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)車廂,造成脫軌,并由之引起火災(zāi)。對此種災(zāi)難也采取了專門的預(yù)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(shù)領(lǐng)域中一項杰出的創(chuàng)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(tǒng)之一,為建立一個無國境的歐洲,為促進(jìn)人類交往和經(jīng)濟(jì)文化交流,會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15.1km。該工程于1966年4月開始進(jìn)行環(huán)境及地質(zhì)調(diào)查,1989年5月正式開工,1997年12月竣工并投入營運,與周圍的海岸高速公路、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)計車速80km／h,4車道×3.5m（隨著交通量的增加,將來可拓展為6車道）。隧道長9.5km,橋梁長4.4km,為了沉放盾構(gòu)掘進(jìn)機并作為施工基地,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運通風(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)測交通量：投入使用時間約3.3萬輛／日,20年后約6.4萬輛／日。總建設(shè)費用1004 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)螺栓周圍安設(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的無紡布疊合采川,防水板與無紡布呈網(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度和密實性,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裂,提高了管片的耐久性（長期強度）。對于加礦渣后（冬季）早期脫模強度較低和干燥收縮裂紋較多兩個缺點,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)考慮防腐蝕問題。在海底土層中,金屬件的腐蝕速度估計為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脂油漆。
東京灣是一個多地震地區(qū),隧道主要在軟弱粘土地層（沖積層）中通過,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。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)計的重點,用動態(tài)解析法進(jìn)行了校核,決定在軸向采用了高強且具有一定柔性的長螺栓（長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�？拐鹪O(shè)計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。
該海底隧道長約9.5km,其安全設(shè)施及營運通風(fēng)非常重要。安全設(shè)施分為二類：①公路利用者自行使用的（緊急電話、手動報警裝置、滅火器、消火栓、避難誘導(dǎo)標(biāo)志、避難口）；②向公路利用者通報或警告用的（隧道入口及洞內(nèi)情報板、信號燈、有線廣播、無線廣播）：③公路管理者使用的（火災(zāi)檢測器、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、救援用直升飛機機場、船舶靠岸設(shè)施等）。
該隧道很重要的一個特點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,以用于緊急情況時滅火、救援活動的通道,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為一個水噴霧區(qū)段,可在二個區(qū)段同時放水。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到達(dá)現(xiàn)場前可有效控制火災(zāi)的漫延。
當(dāng)交通事故或火災(zāi)發(fā)生時,救援人員或救援車輛從受災(zāi)車輛后面到達(dá)現(xiàn)場較為困難,這時可從非火災(zāi)段隧道通過川崎人工島的車道連接通道到達(dá)現(xiàn)場。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,從而有效進(jìn)行滅火、救援活動。
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,與報警設(shè)施、滅火設(shè)施及避難設(shè)施等構(gòu)成一個整體。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)施控制室實行24小時不間斷監(jiān)控。當(dāng)火災(zāi)檢測器檢測到火災(zāi)發(fā)生時,要選擇火災(zāi)聯(lián)動方式,即自動切換到將滅火水泵、照明設(shè)備、排煙設(shè)備、下部空間通風(fēng)設(shè)施、緊急報警裝置等相聯(lián)動的狀態(tài)；另外,當(dāng)用緊急.電話報告或ITV攝像器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時,同樣地由設(shè)施控制室切換到聯(lián)動狀態(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,造價當(dāng)然也高昂,這是以“優(yōu)先考慮人的生命”為設(shè)計思想形成的。
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）三個盾構(gòu)掘進(jìn)出發(fā)基地建成,并運來盾構(gòu)機等施工機械之后,即可進(jìn)行隧道掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)共分8個工區(qū),即8個掘進(jìn)面�？偟墓ば蚴莾啥耍靖驆u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,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、日立建機等制造。掘進(jìn)機外徑14.14m,主機長13.5m；板厚：前倉和中倉為70mm,尾倉為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)機在以下5個方面具有特點：
a. 管片的輸送、提升、安裝等工序采用全自動成套系統(tǒng)。
b. 為防止高壓水進(jìn)入機械倉內(nèi),在盾構(gòu)機后倉尾部擋板外設(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脂涂層,每段密封帚長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)探測裝置。
e. 為了便于與對方掘進(jìn)機對接,設(shè)置了探查鉆孔裝置和凍結(jié)管等裝置。整個掘進(jìn)作業(yè)全面納入計算機管理,主要由三個大的系統(tǒng)來承擔(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,在洞外測量、豎井導(dǎo)入測量、洞內(nèi)測量、掘進(jìn)控制測量等方面均采用了先進(jìn)技術(shù)。
盾構(gòu)機從隧道兩側(cè)掘進(jìn),對接的精度非常重要。當(dāng)初從機械誤差及測量誤差考慮,預(yù)計對接時錯位誤差為200mm,但在兩臺盾構(gòu)機到達(dá)相對面距離為50m處時錯位誤差為180mm,經(jīng)過調(diào)整,對接時僅為5mm。
對接鉆探采用了無線電放射性同位素（R1）技術(shù)（猶如醫(yī)生的聽診器）。對接工程順序為：
a. 先期到達(dá)預(yù)定位置的盾構(gòu)機停止掘進(jìn),撤除盾構(gòu)機封隔墻后方部分設(shè)備,安裝探測鉆頭。
b. 后期到達(dá)的盾構(gòu)機在相距50m處停住,先到盾構(gòu)機向后到盾構(gòu)機鉆探,采用無線電放射性同位素（R1）技術(shù)測定兩機相對錯位量,即第一次鉆探（探測傳感器設(shè)置于鉆桿前端）。
c. 后到盾構(gòu)機根據(jù)此錯位量邊修正盾構(gòu)機變位量邊掘進(jìn)。
d. 后到盾構(gòu)機掘進(jìn)到30m處時,第二次鉆探測定相對錯位量。
e. 再次邊修正邊掘進(jìn),在對接前夕,其刀刃面非常緩慢地靠近對方刀刃面,其間空隙為0.3m。
f. 這時對后到盾構(gòu)機進(jìn)行解體,并作凍土保護(hù)（地基改良）工程準(zhǔn)備。
當(dāng)兩機之間空隙為0.3m時,對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4m,按1m間距共48根,呈放射狀,從先到盾構(gòu)機前面斜向插入地層中,進(jìn)行凍結(jié),另外,為了使盾構(gòu)機周圍地層完全達(dá)到凍結(jié)程度,在兩臺對向的盾構(gòu)機前端分別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)機工廠制作時預(yù)先安裝上去的（一般的情況是掘進(jìn)完成后在現(xiàn)場臨時安裝的）。為了確認(rèn)凍結(jié)溫度,分別從兩臺盾構(gòu)機各插入8根測溫管。待凍結(jié)厚度達(dá)到2m時,開始拆除盾構(gòu)機密封墻。
凍結(jié)作業(yè)中非常重要的是凍結(jié)對隧道主體的影響,即凍結(jié)后土體體積增大,是否會造成盾構(gòu)機變位,或引起管片環(huán)開裂,為此,設(shè)置了沉降測器進(jìn)行觀測,并通過凍結(jié)溫度和速度來控制。
整個對接及貫通施工的作業(yè)順序：
a. 由先到盾構(gòu)機實施鉆探,后到盾構(gòu)機根據(jù)鉆探結(jié)果邊修正邊掘進(jìn),至到對接位置,然后拆除盾構(gòu)機密封墻后方的設(shè)備（即第一次解體）。
b. 插入放射式凍結(jié)管,對地中接合部實施凍結(jié),使其形成凍土,同時繼續(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)機刀刃盤面之間焊接。型鋼制止水板（暫時留下密封墻是為了防止萬一的情況發(fā)生）。
d. 鋼止水板焊接工作完成后,對刀刃面周邊部位進(jìn)行補強,然后拆除密封墻以及盾構(gòu)機其它機械部分（即第二次解體）。
e. 在地中對接部設(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,對凍土進(jìn)行強制解凍,并實施襯背注漿。
送入洞內(nèi)的管片由盾構(gòu)機的自動裝置進(jìn)行組裝。該裝置由具有3個功能的設(shè)備構(gòu)成：①洞內(nèi)運送管片的絞車及輸送機（能連續(xù)輸送11塊管片）；②升降式管片安裝機（能自動完成旋轉(zhuǎn)、伸縮等作業(yè),具有自動定位功能）：③螺栓聯(lián)結(jié)并緊擰裝置（能自動作業(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,保證能滿足設(shè)計的質(zhì)量要求。
防水板各接口均在現(xiàn)場進(jìn)行烙接,烙接方法采用熱式自動烙接機。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。鋪掛防水板（含無紡布）時,需要安設(shè)鋼筋錨桿作為臨時吊掛支點,該處對防水板開孔,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度為15m,其澆注接頭處的施工縫或微小錯臺縫需要作適當(dāng)補修：混凝土澆注后,在區(qū)段中可能發(fā)生收縮開裂,同樣要作裂縫補修處理,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,補修材料分別采用氨基甲酸乙脂（類）粘接劑（亦稱尿烷類材料）、樹脂砂漿或瀝青類涂料。
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)機和相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計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)。總之,東京灣跨海公路隧道工程所開發(fā)出來的許多新技術(shù)可推廣應(yīng)用于今后的盾構(gòu)隧道工程。
2.3 中國山西省萬家寨引黃工程TBM施工
萬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,維系國家能源重化工基地發(fā)展的生命工程,由萬家寨水利樞紐、總干、南干、連接段、北干等部分組成。
樞紐工程是在偏關(guān)縣萬家寨村西黃河上修建一座90m高的混凝土重力壩,庫容8.96×108m3,壩后建一調(diào)峰電站,裝機容量108×104kW,年發(fā)電量27.5×108kWh。
引黃工程從萬家寨水利樞紐庫區(qū)取水。年引水總量12×108m3。由萬家寨向東至偏關(guān)縣下土寨村為總干線,全長44.35km,引水流量48m3/s；由下土寨村分水往南過偏關(guān)河穿越管涔山到寧武縣頭馬營村為南干線,全長102.4公里,引水流量25.8 m3/s,每年可向太原供水6.4×108m3；由下土寨村往東過朔州、神頭折北到大同趙家小村水庫為北干線,全長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)資金使用水資源補償費。二期工程建設(shè)北干線和南干泵站剩余機組的安裝。工程實行國內(nèi)國際招投標(biāo)制。工程建成后,基本滿足2020年前或更長一段時期山西省太原、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,使用一臺目前世界上最先進(jìn)的隧洞施工機械即全斷面雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機（TBM）施工；開挖直徑6.125m；成洞直徑5.46m。于1994年7月至1997年9月歷時三年兩個月貫通。隧洞經(jīng)過的地質(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#隧洞全長約90km,由意大利的Impregil。公司和CMC公司以及中國水電四局組成的萬龍聯(lián)營體中標(biāo)承建,用四臺全斷面雙護(hù)盾TBM對該工程全線進(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300m。隧洞開挖直徑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3年8個月貫通。
聯(lián)接段7#隧洞長13.5km,采用一臺全斷面雙護(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2001年年底以前該洞能建成完工。
綜上所述,山西省萬家寨引黃工程總計采用6臺TBM進(jìn)行無壓引水隧洞的施工,其掘進(jìn)總長度為125.5km。
掘進(jìn)機是這樣工作的：后盾通過緊固裝置,牢牢地固定在洞壁上,而后驅(qū)動電動機在推進(jìn)液壓缸的作用下,帶動刀頭破巖,此時配套輔助設(shè)備均停留在洞內(nèi),棄碴由周邊鏟斗不停地鏟起,通過漏斗和溜槽卸到工作面的皮帶運輸機上,出碴列車在皮帶機底部接碴。在后盾的安裝室,同時進(jìn)行調(diào)運和安裝混凝土管片,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)過程中,可控制推進(jìn)液壓缸的油量來完成掘進(jìn)機的轉(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,后盾則通過推力液壓機缸的反作用力,向前推進(jìn),后續(xù)列車由固定在刀頭支架上的一組特別牽引液壓機缸向前推進(jìn)。在后續(xù)列車前移時,通過操縱相應(yīng)的裝置,自動延伸風(fēng)筒、水管、電纜和軌道,至此即完成了一個循環(huán)的破巖、石碴裝運,延伸管線的工作。
掘進(jìn)方向的掌握是依靠安裝在機頭上的激光導(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左右向前移動一次激光機。對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
全部貫通測量精度
橫向≤280mm
縱向≤570mm
豎向≤40mm～60mm
注：表中豎向精度根據(jù)無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上安裝瓦斯探測器對可能存在的瓦斯進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)出警告聲,并能自動中止TBM的工作。
雙護(hù)盾TBM的特點是開挖、襯砌一次完成,邊開挖、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)制管片由專門運輸車運到距開挖工作面約40m處,再改由專門起吊裝卸設(shè)備轉(zhuǎn)運到距開挖工作面約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)盾殼的厚度及其對圍巖的摩損形成的,必須用混凝土填充,使其密實。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�；靥畛绦驗橄忍畹坠捌�,再填兩側(cè)邊拱片,最后填頂拱片。豆礫石也是由專門罐車運入洞內(nèi),由泵通過軟管及管片上的預(yù)留孔打入空隙,灌注水泥漿時壓力不超過0.2MPa。
每臺TBM有三個班組,其中一個班組每日上午進(jìn)行機械檢修、保養(yǎng)、清理、測量等工作,其他時間為正式掘進(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)圍巖類別分別設(shè)計為A、B、C三種型號和A、B、C、D、E五種型號。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)。混凝土入倉后通過液壓振動臺及人工插入振搗聯(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)時間為2 h～3h。出窯脫模后,吊運到廠房內(nèi)部的預(yù)冷場預(yù)冷一晝夜,然后再轉(zhuǎn)移到露天存放或使用。在預(yù)冷期間要對每個管片進(jìn)行外觀檢查,如發(fā)現(xiàn)有蜂窩、麻面、掉邊角等質(zhì)量問題,則馬上進(jìn)行修補,對不能修補或修補后仍有損強度或其他質(zhì)量問題的,則運到廢品處放置或作他用。
掘進(jìn)中遇到的問題有以下幾方面：
a. 溶洞
該工程在TBM掘進(jìn)到總干6#洞時曾經(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,然后通過機頭上的人孔對溶洞的情況進(jìn)行觀察,再根據(jù)對溶洞的檢查情況,首先對底部進(jìn)行豆礫石或混凝土回填并使其密實,當(dāng)?shù)撞咳刻畹蕉醋娱_挖直徑的高程時,則開動機子,邊前進(jìn)、邊安裝管片,對兩邊管片上開鑿人孔對兩側(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,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)長度,以確保TBM掘進(jìn)的安全。時間可安排在每日TBM檢修時進(jìn)行。
對于一些小溶洞的處理,可在TBM掘進(jìn)通過后,向襯砌管片與圍巖間回填豆礫石后,再通過灌漿固結(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,為構(gòu)造角礫巖1999年5月28日,掘進(jìn)機開挖至摩天嶺斷層影響帶,發(fā)生了卡機事故,不得不停止掘進(jìn)。
卡機事故發(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TBM前、上方進(jìn)行化學(xué)灌漿和水泥灌漿,再對前方塌方體進(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。在對塌方體進(jìn)行固結(jié)灌漿的同時,將TBM刀盤附近的松散巖體進(jìn)行開挖,確保了TBM在8月31日啟動成功。
因松散巖層對TBM后護(hù)盾壓力過大,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。
經(jīng)過100多天的晝夜奮戰(zhàn),TBM掘進(jìn)機于9月7日順利通過大斷層。
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7#洞2.5km長的中、強膨脹巖地層時采取以下措施：a.加強襯砌支護(hù)：有關(guān)資料表明,7#隧洞強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)計時,充分考慮圍巖膨脹力對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,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.增大開挖斷面：為了預(yù)留一定的圍巖膨脹變形量,施工時增大邊緣滾刀的外凸量或在TBM刀盤邊緣加焊鏟齒,以實現(xiàn)擴(kuò)挖的目的。擴(kuò)挖量的大小應(yīng)根據(jù)TBM通過巖層的工程性質(zhì)及圍巖和隧洞的穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)來調(diào)整。
d. 土層
掘進(jìn)中總干6#洞遇到較長一段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一點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。
土層中還遇到機頭下沉,這在總干7#洞的Q2、Q3黃土層內(nèi)出現(xiàn)過,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操作者沒有提前將機頭上抬、使其逐步爬坡以抵消其下沉。其原因是沒有對此類地層承載能力能否滿足TBM機頭這樣大的壓力估計不足造成。
e. 錯臺
錯臺是管片安裝中普遍存在的一個問題,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,要求安裝管片時一是精心對縫,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5mm,實際有些竟達(dá)到20mm～30mm之多。產(chǎn)生錯臺原因主要是操作不熟練和操作不認(rèn)真。錯臺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)計單位、監(jiān)理單位合作,對管片設(shè)計、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（即錯臺小于5mm）。
f. 密封問題
TBM的大密封損壞是一件大事,大密封是用于封閉旋轉(zhuǎn)刀盤和TBM護(hù)盾之間的間隙,避免灰塵雜物進(jìn)入驅(qū)動缸體或護(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100℃的情況下,材料特性保持不變。TBM開挖室的溫度一般在40℃以上,加上電動機散熱,使密封唇摩擦生熱很快超過允許溫度。因此,需用多排密封并列放置,形成環(huán)形室,再通過向環(huán)形室注油來控制密封升溫,同時加強監(jiān)測工作保證TBM正常運轉(zhuǎn)。當(dāng)然,有時由于護(hù)盾刀口變形超過密封允許形值,使開挖石渣進(jìn)入刀頭與護(hù)盾殼間,加上刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸作用使密封損壞,也有時由于支撐力從刀頭傳遞到主軸承發(fā)生偏心。
山西省萬家寨引黃工程引水隧洞先后使用了6臺雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工,是到目前為止國內(nèi)應(yīng)用TBM最多的工程。
實踐中的經(jīng)驗教訓(xùn)可初步歸納以下幾方面。
a. 長隧道采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工,具有快速、安全、掘進(jìn)和襯砌同時完成的優(yōu)點。萬家寨引黃工程TBM施工證實了這一結(jié)論。
通過業(yè)主、設(shè)計、施工和監(jiān)理諸方面的合作,總結(jié)經(jīng)驗,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)：
①開挖誤差控制到水平方向±150mm,垂直方向（即豎向）±50mm。
②管片安裝錯臺90％控制在5mm范圍內(nèi),管片接縫基本合格。
③豆礫石回填和水泥灌漿基本達(dá)到滿填滿灌,一次完成。
④管片接縫勾縫平滑、均勻、無微細(xì)裂縫,粘結(jié)緊密。
⑤管片生產(chǎn)、安裝無明顯破損或其他質(zhì)量缺陷。
⑥創(chuàng)造了TBM最高日進(jìn)尺113m和最高月進(jìn)尺1645m的記錄。
b. 長隧洞采用TBM施工必須進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報,否則遇到不良地質(zhì)將不僅會拖延工程進(jìn)度,而且會使工程陷于被動。
c. 長隧洞采用TBM施工而成洞直徑不大（例如本項工程南干D=4.30 m～4.20）時,要十分重視洞內(nèi)輕軌車輛交通安全,避免人員傷亡。萬家寨引黃工程南干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,必須對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粉被主機自重壓得十分密實,水泥灌漿難能灌入巖粉層,形成強度低于灌漿后豆礫石層的一個弱層。
f. 由于萬家寨引黃工程所用的6臺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。
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)量的檢查驗收通常靠利用回彈儀、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！
