隧道掘進(jìn)機(jī)尺寸大小優(yōu)劣談

1、祛路英才網(wǎng)隧道掘進(jìn)機(jī)尺寸大小優(yōu)劣談易北河隧道的掘進(jìn)機(jī)，直徑14.2m，比8臺(tái)穿過東京灣的直徑 14.1m的掘進(jìn)機(jī)稍大，是世界上最大的隧道掘進(jìn)機(jī)。但是尺寸的大型化是否就代表著軟弱地 層隧道掘進(jìn)機(jī)的未來呢？什么又是隧道尺寸的決定因素呢？1全新的尺寸隧道掘進(jìn)機(jī)的制造商幾乎一致地認(rèn)為能夠滿足用戶對(duì)巨大尺寸的圓形隧道的施工需要。 易北河隧道掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造商海瑞克先生認(rèn)為，大尺寸掘進(jìn)機(jī)不但可行，而且在操作上 和它一半尺寸的掘進(jìn)機(jī)沒什么兩樣。他還說：“從技術(shù)上講，我們可以提供用戶需要的任何 尺寸的掘進(jìn)機(jī)。易北河的掘進(jìn)機(jī)是用于一條包含雙向高速公路和一個(gè)緊急車道的隧道施工； 悉尼的機(jī)器用于一條單洞雙線鐵路隧

2、道的施工；開羅和馬德里的機(jī)器用于一條單洞雙線地鐵 隧道的施工；巴黎A86工程的掘進(jìn)機(jī)用于雙向六車道高速公路隧道的施工。如果土建工程 師能夠用多大直徑的掘進(jìn)機(jī)開挖地下空間，我們就能夠?yàn)樗於啻蟆?。加拿大諾瓦特公司的總裁諾瓦特先生說：“增加小型掘進(jìn)機(jī)直徑，如5、6、7m，這是線 性可比的，但隨著直徑從10m到14m的增加，掘進(jìn)機(jī)所需的扭矩和動(dòng)力的增加是幕數(shù)關(guān)系。 滿足這種超常需要的任務(wù)主要落在機(jī)電和液壓元件如驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、液壓系統(tǒng)和主軸承的設(shè)計(jì)者 和制造商身上。大尺寸掘進(jìn)機(jī)可行的觀點(diǎn)不錯(cuò)，但技術(shù)上的需求只是判斷一臺(tái)大掘進(jìn)機(jī)是否 優(yōu)于兩臺(tái)或多臺(tái)小掘進(jìn)機(jī)的一個(gè)方面。川崎重工的Kondo先生也認(rèn)為刀盤的推力

3、和切削力將隨直徑增加而數(shù)倍增加。他補(bǔ)充 說，油缸的安裝空間和驅(qū)動(dòng)元件都不可能按刀盤增加的比例來增加。盡管解決適應(yīng)大尺寸刀 盤驅(qū)動(dòng)型式的問題是可能的，但是對(duì)于推進(jìn)方面來說，推進(jìn)油缸實(shí)際使用油壓的增大是必須 的。漢堡易北河現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)理Gert Wittneten解釋了單一大刀盤隧道掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)作上的明顯不 同?！氨绕饍膳_(tái)有35m2切削面的掘進(jìn)機(jī)分別施工兩條單洞地鐵隧道，直徑14.2 m的掘進(jìn)機(jī) 有160 m2切削面。這樣一來，刀具的更換要花更多的時(shí)間。當(dāng)你要更換20或30把刀具或 保養(yǎng)轉(zhuǎn)場(chǎng)，我們就不得不花上小掘進(jìn)機(jī)的4至5倍的時(shí)間，甚至更多。Hanamura認(rèn)為：盡管多頭掘進(jìn)機(jī)在日本本土之外還沒有被接受

4、，但是多頭掘進(jìn)機(jī)為地 鐵運(yùn)營(yíng)隧道的施工提供了最有效的施工模式。拿雙頭掘進(jìn)機(jī)的造價(jià)來說，比兩臺(tái)6m直徑的 單頭掘進(jìn)機(jī)要高一些，但考慮管片襯砌的造價(jià)和開挖空間減小的造價(jià)節(jié)約后，雙頭掘進(jìn)機(jī)施 工的整個(gè)工程的造價(jià)和兩臺(tái)單頭掘進(jìn)機(jī)或一臺(tái)直徑10 m （單洞雙線隧道）的掘進(jìn)機(jī)的工程 總造價(jià)持平或偏小。諾瓦特先生也認(rèn)為使用大尺寸掘進(jìn)機(jī)，實(shí)際上增加了掘進(jìn)機(jī)的施工風(fēng)險(xiǎn)， 因?yàn)檎麄€(gè)工程依賴于一個(gè)機(jī)頭，施工運(yùn)作變得相當(dāng)線性和單一。相比之下，用一臺(tái)小的掘進(jìn) 機(jī)施工一條地鐵隧道增加了對(duì)施工中所遇困難處理的靈活性。由于尺寸問題，海瑞克在制造和組裝易北河掘進(jìn)機(jī)的過程中不得不添加了新的廠房，運(yùn) 輸同樣也是個(gè)問題。5m、6m的

5、掘進(jìn)機(jī)可以作為一個(gè)整體來運(yùn)輸，而為了運(yùn)輸，必須將大 掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行分塊。Kondo也強(qiáng)調(diào)了運(yùn)輸和工地組裝問題，特別是大軸承的運(yùn)輸和組裝，他認(rèn) 為為運(yùn)輸?shù)男枰獙⒋缶蜻M(jìn)機(jī)分塊可能比機(jī)器設(shè)計(jì)本身更困難。在一定意義上講，一臺(tái)大掘進(jìn) 機(jī)的制造可能會(huì)制約整個(gè)工廠的生產(chǎn)，隨之而來的還有配件管理、后續(xù)技術(shù)的保證以及現(xiàn)場(chǎng) 服務(wù)等諸多問題。另一方面，大尺寸的掘進(jìn)機(jī)有利于降低隧道的總造價(jià)（其組成的30%是掘進(jìn)機(jī)費(fèi)用、 30%是施工費(fèi)用、40%是襯砌費(fèi)用）。ASCE日本分部的總裁、Taisei公司市政工程設(shè)計(jì)部總 經(jīng)理Hanamura如是說，“當(dāng)直徑大于10m以后，掘進(jìn)機(jī)的造價(jià)迅速增加，盡管考慮整個(gè)工 程的總造價(jià)是重要的

6、，對(duì)于高速公路來說，大的隧道斷面為通風(fēng)除塵以及其它設(shè)施提供空間， 但是對(duì)于鐵路隧道，大斷面的很大一部分空間沒被利用，這無(wú)疑增加了整個(gè)工程的造價(jià)。2單洞雙線地鐵用隧道掘進(jìn)機(jī)開挖單洞雙線的地鐵隧道已相對(duì)普遍，也倍為法國(guó)工程師們推崇。象英國(guó)、 德國(guó)、日本，還有美國(guó)和加拿大，他們從地面公共安全方面考慮傾向于兩條并行隧道系統(tǒng)， 盡管如此，單洞雙線隧道還是得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。自二十世紀(jì)八十年代后期法國(guó)里爾開始做 單洞雙線地鐵隧道之后，開羅、里斯本、馬德里和悉尼等城市都沿用了這種隧道模式。單洞雙線設(shè)計(jì)肯定有安全方面的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榫仍熊嚳梢蚤_近故障列車有利于較快的保 護(hù)和疏散乘客，而且能夠比有限空間的單線隧道更

7、有效地排除煙塵。除此之外，還有一些設(shè) 計(jì)上的優(yōu)勢(shì)，大直徑的隧道可能獲得足夠的埋深；單洞雙線隧道的線路走廊小于兩條并行的 單線隧道，保證了線路直接走在城市街道的下方，避免了線路穿過地面建筑物而產(chǎn)生的昂貴 費(fèi)用。Ferroconsult的工程師Rui Pina根據(jù)里斯本地鐵得出結(jié)論：“我們的計(jì)算表明單洞大隧 道的拆遷安置少于兩條并行隧道，其地表拆遷范圍相當(dāng)狹窄”。在日本，利用大于40m的深層地下空間很可能在2000年初通過立法而得到強(qiáng)調(diào)。 Hanamura認(rèn)為這將使公、私市政企業(yè)在城區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃并得到政府部門的支持變得 容易，他認(rèn)為盡管對(duì)隧道的研究和設(shè)計(jì)還有一些亟待解決的問題，象用5-8m的

8、掘進(jìn)機(jī)得到 大于每月250 m的施工速度并且具有5km的壽命、較好地使用單臺(tái)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備適應(yīng)廣泛的 地質(zhì)條件、在長(zhǎng)隧道中更高效地進(jìn)行人員、材料和出土的運(yùn)輸以及協(xié)調(diào)開挖和襯砌安裝同時(shí) 進(jìn)行的問題。5月20號(hào)，川崎的Kondo先生在倫墩土建工程師協(xié)會(huì)給英國(guó)隧道學(xué)會(huì)的介紹當(dāng)中將討 論一個(gè)機(jī)器上裝有8個(gè)甚至更多刀盤的更奇異的多頭掘進(jìn)機(jī)以及其側(cè)面帶有一個(gè)附加刀盤 進(jìn)行垂直隧道方向開挖的機(jī)械系統(tǒng)。川崎的巴黎辦公室的Matsuda告訴本刊計(jì)劃中的東京周 邊地下公路將需要直徑大于16m的隧道掘進(jìn)機(jī)。雖然除掘進(jìn)機(jī)之外還有其他有效的辦法，奧地利的West Alpine在掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)性方 面，創(chuàng)造了輝煌的業(yè)績(jī)，在巴黎

9、Eole工程中用舊盾構(gòu)機(jī)，在羅馬地鐵用一臺(tái)二手的大尺寸 掘進(jìn)機(jī)施工。在論文1中，Peter Kogler Karl Gehring認(rèn)為泥水掘進(jìn)系統(tǒng)和星型輻條式刀盤 仍然分別是對(duì)付敏感的軟弱地層和粘性地層的最好辦法。在羅馬，直徑10.6m的泥水盾構(gòu)機(jī)用于斷面為單洞雙線的隧道施工，它有一個(gè)星型結(jié)構(gòu) 的刀盤，穿越泥質(zhì)粉砂層和泥質(zhì)粉細(xì)砂層，達(dá)到250m/月的推進(jìn)速度，而另一臺(tái)6.6m的盾 構(gòu)機(jī)穿越條件相同的地層也實(shí)現(xiàn)了大于250m/月推進(jìn)速度。在Eole工程中所用的盾構(gòu)機(jī)要 同時(shí)對(duì)付淤泥-粉細(xì)砂質(zhì)砂層和強(qiáng)度達(dá)到150Mpa的石灰?guī)r及泥灰?guī)r，直徑7.4m的掘進(jìn)機(jī)裝 配了型式為輪輞型的刀盤，其上帶有滾刀和

10、切削刀具，推進(jìn)速度大于300m/月。作者認(rèn)為除了影響掘進(jìn)速度的最佳技術(shù)方案外，每一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)及其參數(shù)都是根據(jù)工程 “量身定做”的?！半p洞單線地鐵隧道工程的記錄表明：擬合曲線和始發(fā)校正的需要導(dǎo)致第 二臺(tái)掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)速度比第一臺(tái)要高出兩倍。挖隧道的人都關(guān)心歐洲議會(huì)面臨著有效地禁止向隧道周邊間隙直接注入材料以保護(hù)地 下水質(zhì)的立法(見99年3月的世界新聞第7頁(yè))，如果此項(xiàng)立法獲得通過，將對(duì)本行業(yè) 產(chǎn)生災(zāi)難性的負(fù)面影響。在議會(huì)投票之前，有意參加此議案討論者歡迎發(fā)電子郵件致 Fiec-bru。3有關(guān)襯砌在任何軟弱地層的隧道技術(shù)討論中，襯砌都是基本組成部分。完善擠壓襯砌的努力一直 沒有停止。在歐洲經(jīng)過了眾多的

11、工程實(shí)踐后，最新建設(shè)的米蘭地鐵(19921996)的預(yù)制混 凝土管片在保留傳統(tǒng)方法的同時(shí)，在吊裝、澆注和襯砌密封方面都進(jìn)一步發(fā)展，并伴有隧道 大型化的趨勢(shì)。易北河的管片襯砌厚為700mm，每環(huán)有9塊組成，每2m間隔一個(gè)螺栓，合計(jì)64個(gè)螺 栓。鋼筋混凝土管片含鋼量為100kg/m3，最大的管片重達(dá)18T，拼裝一環(huán)要花90分鐘的時(shí) 間。日本在管片拼裝機(jī)械系統(tǒng)發(fā)展方面，Hanamuna表示完全自動(dòng)化的拼裝機(jī)是可以做到的， 這其中主要的困難在自動(dòng)螺栓擰緊系統(tǒng)。英國(guó)C V Buchan的主任工程師Terry Winterton， 在他給T&TI的文章（99年元月，第44頁(yè)）中描述了他公司的尼龍鎖定銷丁系統(tǒng)Buclocko他 說自定位、高強(qiáng)度、耐久和不腐蝕的該系統(tǒng)將對(duì)全自動(dòng)化的襯砌系統(tǒng)的提高速度和保障安全 起到積極的促進(jìn)作用。Hanamuna也認(rèn)為管片無(wú)螺栓設(shè)計(jì)不失為提高推進(jìn)速度和協(xié)調(diào)管片拼 裝與掘進(jìn)機(jī)開挖的一個(gè)辦法。英國(guó)Taywood Precast的Sam Simons和John Mcglynn，在他 們刊登在本刊89年12月第44頁(yè)的文章中審查了這種管片設(shè)計(jì)和應(yīng)用，他們證實(shí)襯塊特性 的關(guān)鍵問題是襯塊在管