TBM在长隧道施工中存在的问题及发展趋势

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工　程　技　术

ＴＢＭ在长隧道施工中存在的问题及发展趋势

白洪海

（浙江省交通工程建设集团　　浙江杭州　　３１０００６）

摘　要：随着时代的进步和发展，在工程施工中常常会遇到长隧道工程。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。本文将深入探讨长隧道中应用隧道掘进机（简称ＴＢＭ）存在的问题以及发展趋势。

关键词：隧道掘进机（ＴＢＭ）　　问题　　发展趋势中图分类号：Ｕ４５　　　　文献标识码：Ａ

隧道掘进机英文名称是Ｔｕｎｎｅｌ　Ｂｏｒｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ，简称ＴＢＭ。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。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。

１．ＴＢＭ在长隧道施工中存在的问题及规避设想

ＴＢＭ虽然有其巨大的优势，在具体施工中却也存在不少问题，主要体现在以下几方面。

１．１超前地质探测问题

由于长隧道在施工前的地质勘查不可能做得十分详尽，因此常常在施工中出现一些不可预见的地质灾害，例如涌水、岩溶、瓦斯、断层、膨胀岩、高地应力、围岩大变形等。我国在６０年代修建的成昆铁路全线共有４１５座隧道，其中发生涌水问题的占９３．５％。在危地马拉的Ｒｉｏ　Ｃｈｉｘｏｙ水电站的２７ｋｍ长的供水隧道中，因遇到岩溶，一台ＴＢＭ被埋在一个侵蚀洞穴。委内瑞拉的Ｙａｃａｍｂｕ隧道长２７ｋｍ，其围岩收敛变形每分钟达到２０ｃｍ，致使ＴＢＭ无法完成掘进而停工。万家寨引黄工程南干７＃隧洞遇到摩天岭大断层（影响带长达３００ｍ），因进行工程处理而延误工期达３个月之久。因此，ＴＢＭ在掘进过程中，必须有超前地质探测的保证。

ＴＢＭ在掘进过程中，通常每天在停机维护的期间，用多方向支撑液压钻机进行超前钻探，预测可能影响掘进的问题或异常现

象。但一般超前钻探约２０ｍ～３０ｍ，ＴＢＭ掘进速率每天超过２０ｍ～３０ｍ时，则不能满足预测的需要。地质超前预报还有隧道地震预报法、高密度电阻率ＣＴ法和地下雷达法。

在２０世纪７０年代末，美国科学家发明了地下雷达。８０年代以来，逐步臻于完善，进入了实用阶段。我国于９０年代研制出了ＰＥＩＲ－９００１型矿用本安型探地雷达和ＴＬ一１Ａ型探地雷达。

法国巴黎Ｅｏｌｅ工程在ＴＢＭ掘进过程中利用地下雷达进行了超前探测。该工程共进行了十二组雷达搜索，总长５７７ｍ，径向范围为钻孔周围５ｍ范围内。地下雷达探测获得了以下三方面的信息：低非均质雷达区，指示减压区、低密度泥灰岩；局部能量反射，指示有石膏体、水囊、或空穴存在；光点，说明可能有破碎带或界面变化。掘进过程证实了雷达结果。日本东京湾跨海公路隧道（１９８９—１９９７）也利用了地下雷达进行超前探测。地下雷达的主要优点在于可无损、快速、准确探测到ＴＢＭ前方的具体地质困难及其位置，以便及时采取有效措施进行处理。今后地下雷达必将在ＴＢＭ施工中发挥重要的作用。

１．２长隧道工程质量的检查验收问题

ＴＢＭ施工长隧道具有快速高效的特点。但是，对这些长隧道施工质量的检查验收通常靠利用回弹仪、钻孔抽查等常规手段。这些手段不能对隧道全线的工程质量作出全面完整的可靠的检验。瑞士安伯格测量技术有限公司研制出ＴＳ３６０型系列隧道扫描器满足了隧道全线工程质量检测的需要。其中的ＴＳ３６０ＢＴ型隧道扫描器能测绘出衬砌表面后的缺陷。此仪器安置在运载车上，以每小时２ｋｍ～４ｋｍ的速率沿隧道前进，仪器上的扫描镜呈３６０°的旋转，于是扫描器记录下隧道沿程一条螺旋线上的温度差异的信息。经过对记录下的信息资料的数据处理，便可了解到衬砌质量的状况。此仪器已被多项隧道工程用来进行

火灾本层：各光标灯启动。方向朝火警点的反方向闪动；各出口标志灯启动应急，关闭处于火警点的出口标志灯。其他出口标志灯频闪，并语音广播。

火灾层上层：视火灾层火势、烟雾的具体走势而定。在案例中，火警发生于楼道内，烟雾走向向右，因此火灾层右边的光标灯和出口灯就近指引，而上层右边的光标灯反向，出口灯关闭，因为该楼梯下面正是烟雾蔓延区。

火灾层的下一层及地下层：按默认方式启动应急，即启动应急各出口标志灯及其语音，疏散光流灯、可调向疏散指示标志灯就近指引。

所有底层设备都受控于中央主机，其工作状态，应急方案显示在操作界面上并记录于数据库中，异常状态有声光报警，同时打印输出。

６．结束语

我们相信上述系统在具体应用中会不断地推陈出新，顺应市场和迎合客户的需要，凭借其自身的高端品质和开放的技术平台，实施针对每个工程的个性化设计，依据系统自身突出的网络优势和无限拓扑的特点，应用于各类建筑工程项目。当然，随着科技的进步，建筑的新要求，在这一逃生领域中，还需在智能消防应急照明疏散指示逃生系统上做不断的完善，使其在火灾时发挥更大的作用。

参考文献

［１］　建筑设计防火规范（ＧＢＪ１６－１９８７）．　北京：中国计划出版社．　１９９７

［２］　火灾自动报警系统设计规范（ＧＢ５０１１６）．　北京：中国计划出版社．　１９９９

［３］　智能建筑设计标准（ＧＢ／Ｔ５０３１４－２０００）．　北京：中国计划出版社．　２０００

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质量状况的检测，例如瑞士的Ｂａｒｅｇｇ隧道（１９９０年）、苏格兰的Ｉｎｖｅｒ隧道（１９９１年）、英格兰的Ｓａｌｔｗｏｏｄ隧道（１９９２年）、瑞士的Ｆｕｃｈｓｅｎｗｉｎｋｅｌ隧道（１９９３年）和法国的Ｓｔ．Ｇｅｒｍａｉｎ隧道（１９９４年）。可以预见隧道扫描器将在长隧道ＴＢＭ施工质量检测中得到进一步的应用。１．３长隧道中ＴＢＭ施工的安全问题ＴＢＭ在长隧道中施工，万一发生事故，施工人员是难能迅速撤离出洞的。因此，ＴＢＭ必须配备可靠的安全保护系统。总的来说，ＴＢＭ施工的事故远比钻爆法小。例如，ＴＢＭ法施工的长４９．２ｋｍ的英吉利海峡隧道事故死亡１０人；而钻爆法施工的长度与英吉利海峡隧道相近的日本青涵隧道长５３．９ｋｍ死亡达３４人。ＴＢＭ施工中发生水、火灾害的风险不大，但是丹麦ＧｒｅａｔＢｅｌｔ工程隧道４台ＴＢＭ在施工中就遇到了罕见的水、火灾害。１９９１年１０月１４日在该工程西面掘进的两台ＴＢＭ中的南线ＴＢＭ工作面，发生了严重的涌水事件，在没有任何前兆的情况，海水突然冲破了约１２ｍ的覆盖层，进入了机体，涌水形成了洪水，冲坏了西面的两台ＴＢＭ。后来又在１９９４年６月１１日该工程东面的一台ＴＢＭ发生了严重的火灾，ＴＢＭ驱动刀头的１２台液压马达中的一台的液压管路被烧断，喷油着火，烧毁了该台ＴＢＭ。幸运的是这两次事件均未造成人员伤亡，特别需要指出的是严重的火灾持续了１７小时，周围温度高达７００°左右，优秀的防爆系统和安全保护系统自动启动，防爆紧急电源开始工作，自动氧气罩的供给，保证了施工人员的安全撤离。这个实例强有力地说明ＴＢＭ施工必须有可靠的安全保护系统，同时也充分地说明只要采用了可靠的安全保护系统，ＴＢＭ的施工安全是可以得到保证的。１．４长隧道的出口当隧道采用ＴＢＭ独头掘进长度超过２０ｋｍ，又无条件增设支洞或竖井时，将会由于向洞外出渣运距加长，向洞内运送人员、物资时间增加等原因，而降低ＴＢＭ的效率。同时万一洞内发生意外事故，增加人员的危险性。因此，通常在单条长隧道情况下，大约需要每隔ｌ０ｋｍ～１５ｋｍ设置一出口。１．５洞内交通安全长隧道内径不大的洞内交通安全是一项需要引起足够重视的问题。我国山西省万家寨引黄工程南干４＃、５＃、６＃、７＃隧洞使用４台ＴＢＭ施工（总长约９０ｋｍ，内径４．３０ｍ～４．２０ｍ），施工人员因忽视洞内列车往来的安全，导致５人死亡２人受伤。１．６ＴＢＭ的部件储备长隧道采用ＴＢＭ时，ＴＢＭ的一些零部件容易摩损，需要更换。因此，必须有一定数量的易损部件的储备，否则会导致停机待料，延误工期，造成损失。通常部件库存量应是整机数量的１０％，其供应系统应有充足的货源，完善的库房，良好的运输和通讯条件以及高效的管理人员。２．ＴＢＭ的发展趋势世界各国大力发展经济，提高生产，导致大量的物资交换和文化交流，同时也要求不断改善环境。这必将推动长隧道的修建。随着欧洲联盟各国的政治经济一体化，运输系统的运输能力需要迅速提高，预计在今后２０年里运输量翻番，而阿尔卑斯山脉为欧洲南北运输筑起了一道天然屏障，大部分货物只得通过高速公路由汽车运输，造成环境问题（当地自然条件的破坏、大气污染和噪音等），使居民越来越无法忍受。为此，计划从Ｒｏｓｅｎｈｅｉｍ穿过阿尔卑斯山脉至Ｖｅｒｏｎａ修建一条自动化地下货运铁路线，按双洞单轨布置，单洞总长大于５００ｋｍ。在国外拟建的长隧道还有：法国Ｌｙｏｎ至意．大利Ｔｏｒｉｎ的长约５４ｋｍ的隧道；西班牙与摩洛哥之间穿过直布罗陀海峡的长约５０ｋｍ的隧洞；联接亚洲与美洲

２００６　　ＮＯ．２

ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ的长约９０ｋｍ的白令海峡隧道；南非莱索托高原水利工程６条隧洞总长２００ｋｍ。在国内除南水北调西线第一期工程隧道总长２４４．１ｋｍ，其中最长的７３ｋｍ的隧道以外，计划的还有渤海海峡隧道长约５７ｋｍ；琼州海峡隧道长约３０ｋｍ以及祖国实现统一后长约１４４ｋｍ的台湾海峡隧道等。这些长隧道工程要求不断完善

ＴＢＭ，使之能更好地满足工程建筑的需要。目前，ＴＢＭ的发展趋势主要有以下几点：①要求ＴＢＭ能更适应不利的地质条件。例如，上面提到的穿越阿尔卑斯山脉单洞总长大于５００ｋｍ的铁路隧道，其覆盖深度达１２００ｍ至２４００ｍ，围岩初始应力高，围岩径向变形可能在１０ｃｍ～２０ｃｍ范围内，在某些极端情况下，可达３０ｃｍ，甚至更大，要求ＴＢＭ的开挖直径是可变的。此项工程开挖直径约６．５ｍ，共需２０多台ＴＢＭ同时在不

同的围岩中掘进。因此，对ＴＢＭ应进行专门的设计以满足开挖直径可变的要求。这样从发展趋势来讲，将趋向于两极化。这就是既要设计能适合复杂地质条件使用的、费用高的多功能ＴＢＭ，又要生产用于地质条件简单的、廉价的ＴＢＭ。②目前公路隧洞因多车道的需要，要求大断面。三车道或三车道以上要求路面宽至少大于２０ｍ，有的甚至达到３０ｍ。直径达２０ｍ～３０ｍ的ＴＢＭ正处于“预研究”阶段。预计今后ＴＢＭ将更大直径化。因此，大直径ＴＢＭ的设计制造和部件运输组装是其技术上的主要趋势之一。③未来的发展方向之一是全自动化ＴＢＭ。④由于计算机硬件和软件的迅速发展，ＴＢＭ计算机优化设计和施工系统的开发也是发展方向之一。⑤目前主要用于工业和民用管道施工的微型ＴＢＭ发展很快。微型ＴＢＭ技术水平日本居世界首位，其次为西欧。总之，ＴＢＭ已在全球长隧道工程中得到越来越多的应用，并且其技术水平日益得到提高。展望未来，ＴＢＭ的

应用前景将是宽广而喜人的！３．结束语我国对ＴＢＭ的研究从１９５８年就开始了，但由于受技术条件、经济条件及过去计划经济体制的限制，发展缓慢。１９６６年我国研制出第一台全断面隧洞掘进机后，国内共９个厂家先

后设计制造了１９台掘进机，１７台投入使用，涉及工程项目２１个，掘进累计总长只有１８．５ｋｍ。与国外掘进机相比，国产掘进机还处于较低的水平。单机单头掘进隧洞长度都在１．５ｋｍ以下，不能适应长隧道工程的需要。掘进速度方面，最高月进尺在２５０ｍ以下，作业率大都在２０％以下。所以，国产掘进机目前还

不能满足我国国民经济快速发展的要求。我国掘进机的技术与管理使用，还有待于开发研究，以尽快赶上世界先进水平。参考文献１．魏忠良：《对降低ＴＢＭ施工工程造价的研究与体会》，２．隆威，尹俊涛，尚彦军，吴煜宇：《上公山隧洞ＴＢＭ掘进

主要工程地质问题及施工对策》，《探矿工程－岩土钻掘工程》２００４年第１卷第１２期３．罗朝廷：《ＴＢＭ　施工隧道围岩分级方法研究》，《岩石力学与工程学报》２００２年第５期４．张镜剑：《ＴＢＭ的应用及其有关问题和展望》，《岩石力学与工程学报》１９９９年第１８卷第３期５．苏枢，杜长青，程向民：《万家寨引黄工程ＴＢＭ施工段的地质问题及施工对策》，《水利水电技术》２００１年３２卷第４期　科技资讯　ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ３３

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