3  长隧道TBM施工中的若干问题

　　3.1  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（又称地质雷达或探地雷达）。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[4].

　　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[1].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[3] .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。

　　3.2  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[5]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。

　　3.3  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。总的采讲，TBM施工的事故远比钻爆法小[2].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[1]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。

　　3.4  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。

　　3.5  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。本文工程实例之一的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4.30 m～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。

　　3.6  TBM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。

　　4  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。

　　上述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。TBM的发展趋势可归纳如下：

　　a. 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.

　　b. 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[1].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[6].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。

　　c. 未来的发展方向之一是全自动化TBM[1].

　　d. 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。e. 目前主要用于工业和民用管道施工的微型TBM发展很快[7].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！