长隧道中隧道掘进机的应用

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摘  要  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。
关键词  隧道掘进机（TBM）  现状  典型实例  发展趋势 Tranbbs.Com

    1  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最大的优点是快速。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。

    世界上著名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著名。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最高日掘进113m和最高月掘进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％,在海面下的最大深度为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世纪最大的工地之一。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。仅仅此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。

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