長隧道中隧道掘進機的應用
發布時間：2010-01-14 共4頁
3 長隧道TBM施工中的若干問題
3.1 超前地質探測問題
由于長隧道在施工前的地質勘查不可能做得十分詳盡，因此常常在施工中出現一些不可預見的地質災害，例如涌水、巖溶、瓦斯、斷層、膨脹巖、高地應力、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。委內瑞拉的Yacambu隧道長27km，其圍巖收斂變形每分鐘達到20cm，致使TBM無法完成掘進而停工。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300m），因進行工程處理而延誤工期達3個月之久。因此，TBM在掘進過程中，必須有超前地質探測的保證。
TBM在掘進過程中，通常每天在停機維護的期間，用多方向支撐液壓鉆機進行超前鉆探，預測可能影響掘進的問題或異常現象。但一般超前鉆探約20m～30m，TBM掘進速率每天超過20m～30m時，則不能滿足預測的需要。地質超前預報還有隧道地震預報法、高密度電阻率CT法和地下雷達法。
在20世紀70年代末，美國科學家發明了地下雷達（又稱地質雷達或探地雷達）。80年代以來，逐步臻于完善，進入了實用階段。我國于90年代研制出了PEIR－9001型礦用本安型探地雷達和TL一1A型探地雷達[4].
法國巴黎Eole工程在TBM掘進過程中利用地下雷達進行了超前探測[1].該工程共進行了十二組雷達搜索，總長577m，徑向范圍為鉆孔周圍5m范圍內。地下雷達探測獲得了以下三方面的信息：低非均質雷達區，指示減壓區、低密度泥灰巖；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。掘進過程證實了雷達結果。日本東京灣跨海公路隧道（1989—1997）也利用了地下雷達進行超前探測[3] .地下雷達的主要優點在于可無損、快速、準確探測到TBM前方的具體地質困難及其位置，以便及時采取有效措施進行處理。今后地下雷達必將在TBM施工中發揮重要的作用。
3.2 長隧道工程質量的檢查驗收問題
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量的檢查驗收通常靠利用回彈儀、鉆孔抽查等常規手段。這些手段不能對隧道全線的工程質量作出全面完整的可靠的檢驗。瑞士安伯格測量技術有限公司研制出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，儀器上的掃描鏡呈360°的旋轉，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。經過對記錄下的信息資料的數據處理，便可了解到襯砌質量的狀況。此儀器已被多項隧道工程用來進行質量狀況的檢測，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）。可以預見隧道掃描器將在長隧道TBM施工質量檢測中得到進一步的應用。
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系統。總的采講，TBM施工的事故遠比鉆爆法小[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34人。
TBM施工中發生水、火災害的風險不大，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、火災害。1991年10月14日在該工程西面掘進的兩臺TBM中的南線TBM工作面，發生了嚴重的涌水事件，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發生了嚴重的火災，TBM驅動刀頭的12臺液壓馬達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重的火災持續了17小時，周圍溫度高達700°左右，優秀的防爆系統和安全保護系統自動啟動，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系統，同時也充分地說明只要采用了可靠的安全保護系統，TBM的施工安全是可以得到保證的。
3.4 長隧道的出口
當隧道采用TBM獨頭掘進長度超過20km，又無條件增設支洞或豎井時，將會由于向洞外出渣運距加長，向洞內運送人員、物資時間增加等原因，而降低TBM的效率。同時萬一洞內發生意外事故，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設置一出口。
3.5 洞內交通安全
長隧道內徑不大的洞內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，內徑4.30 m～4.20m），施工人員因忽視洞內列車往來的安全，導致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，必須有一定數量的易損部件的儲備，否則會導致停機待料，延誤工期，造成損失。通常部件庫存量應是整機數量的10％，其供應系統應有充足的貨源，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 發展趨勢
世界各國大力發展經濟，提高生產，導致大量的物資交換和文化交流，同時也要求不斷改善環境。這必將推動長隧道的修建。隨著歐洲聯盟各國的政治經濟一體化，運輸系統的運輸能力需要迅速提高，預計在今后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，造成環境問題（當地自然條件的破壞、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.在國內除南水北調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以及祖國實現統一后長約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的發展趨勢可歸納如下：
a. 要求TBM能更適應不利的地質條件。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1200m至2400m，圍巖初始應力高，圍巖徑向變形可能在10cm～20cm范圍內，在某些極端情況下，可達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。因此，對TBM應進行專門的設計以滿足開挖直徑可變的要求。這樣從發展趨勢來講，將趨向于兩極化。這就是既要設計能適合復雜地質條件使用的、費用高的多功能TBM，又要生產用于地質條件簡單的、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，有的甚至達到30m[1].直徑達20m～30m的TBM正處于“預研究”階段。預計今后TBM將更大直徑化[6].因此，大直徑TBM的設計制造和部件運輸組裝是其技術上的主要趨勢之一。
c. 未來的發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展，TBM計算機優化設計和施工系統的開發也是發展方向之一。e. 目前主要用于工業和民用管道施工的微型TBM發展很快[7].微型TBM技術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用，并且其技術水平日益得到提高。展望未來，TBM的應用前景將是寬廣而喜人的！
