隧道掘进机尺寸大小优劣谈

隧道掘进机尺寸大小优劣谈 易北河隧道的掘进机，直径14.2m，比8台穿过东京湾的直径14.1m的掘进机稍大，是世界上最大的隧道掘进机。但是尺寸的大型化是否就代表着软弱地层隧道掘进机的未来呢？什么又是隧道尺寸的决定因素呢？
　　1 全新的尺寸
　　 隧道掘进机的制造商几乎一致地认为能够满足用户对巨大尺寸的圆形隧道的施工需要。易北河隧道掘进机的设计和制造商海瑞克先生认为，大尺寸掘进机不但可行，而且在操作上和它一半尺寸的掘进机没什么两样。他还说：“从技术上讲，我们可以提供用户需要的任何尺寸的掘进机。易北河的掘进机是用于一条包含双向高速公路和一个紧急车道的隧道施工；悉尼的机器用于一条单洞双线铁路隧道的施工；开罗和马德里的机器用于一条单洞双线地铁隧道的施工；巴黎A86工程的掘进机用于双向六车道高速公路隧道的施工。如果土建工程师能够用多大直径的掘进机开挖地下空间，我们就能够为他造多大”。
　　加拿大诺瓦特公司的总裁诺瓦特先生说：“增加小型掘进机直径，如5、6、7m，这是线性可比的，但随着直径从10m到14m的增加，掘进机所需的扭矩和动力的增加是幂数关系。满足这种超常需要的任务主要落在机电和液压元件如驱动马达、液压系统和主轴承的设计者和制造商身上。大尺寸掘进机可行的观点不错，但技术上的需求只是判断一台大掘进机是否优于两台或多台小掘进机的一个方面。
　　川崎重工的Kondo先生也认为刀盘的推力和切削力将随直径增加而数倍增加。他补充说，油缸的安装空间和驱动元件都不可能按刀盘增加的比例来增加。尽管解决适应大尺寸刀盘驱动型式的问题是可能的，但是对于推进方面来说，推进油缸实际使用油压的增大是必须的。
　　汉堡易北河现场经理Gert Wittneten解释了单一大刀盘隧道掘进机在运作上的明显不同。“比起两台有35m2切削面的掘进机分别施工两条单洞地铁隧道，直径14.2 m的掘进机有160 m2切削面。这样一来，刀具的更换要花更多的时间。当你要更换20或30把刀具或保养转场，我们就不得不花上小掘进机的4至5倍的时间，甚至更多。
　　Hanamura 认为：尽管多头掘进机在日本本土之外还没有被接受，但是多头掘进机为地铁运营隧道的施工提供了最有效的施工模式。拿双头掘进机的造价来说，比两台6m直径的单头掘进机要高一些，但考虑管片衬砌的造价和开挖空间减小的造价节约后，双头掘进机施工的整个工程的造价和两台单头掘进机或一台直径10 m（单洞双线隧道）的掘进机的工程总造价持平或偏小。诺瓦特先生也认为使用大尺寸掘进机，实际上增加了掘进机的施工风险，因为整个工程依赖于一个机头，施工运作变得相当线性和单一。相比之下，用一台小的掘进机施工一条地铁隧道增加了对施工中所遇困难处理的灵活性。
　　 由于尺寸问题，海瑞克在制造和组装易北河掘进机的过程中不得不添加了新的厂房，运输同样也是个问题。5m、6m 的掘进机可以作为一个整体来运输，而为了运输，必须将大掘进机进行分块。Kondo也强调了运输和工地组装问题，特别是大轴承的运输和组装，他认为为运输的需要将大掘进机分块可能比机器设计本身更困难。在一定意义上讲，一台大掘进机的制造可能会制约整个工厂的生产，随之而来的还有配件管理、后续技术的保证以及现场服务等诸多问题。
　　 另一方面，大尺寸的掘进机有利于降低隧道的总造价（其组成的30%是掘进机费用、30%是施工费用、40%是衬砌费用）。ASCE日本分部的总裁、Taisei公司市政工程设计部总经理Hanamura如是说，“当直径大于10m以后，掘进机的造价迅速增加，尽管考虑整个工程的总造价是重要的，对于高速公路来说，大的隧道断面为通风除尘以及其它设施提供空间，但是对于铁路隧道，大断面的很大一部分空间没被利用，这无疑增加了整个工程的造价。
　　2 单洞双线地铁
　　用隧道掘进机开挖单洞双线的地铁隧道已相对普遍，也倍为法国工程师们推崇。象英国、德国、日本，还有美国和加拿大，他们从地面公共安全方面考虑倾向于两条并行隧道系统，尽管如此，单洞双线隧道还是得到了长足的发展。自二十世纪八十年代后期法国里尔开始做单洞双线地铁隧道之后，开罗、里斯本、马德里和悉尼等城市都沿用了这种隧道模式。
　　单洞双线设计肯定有安全方面的优势，因为救援列车可以开近故障列车有利于较快的保护和疏散乘客，而且能够比有限空间的单线隧道更有效地排除烟尘。除此之外，还有一些设计上的优势，大直径的隧道可能获得足够的埋深；单洞双线隧道的线路走廊小于两条并行的单线隧道，保证了线路直接走在城市街道的下方，避免了线路穿过地面建筑物而产生的昂贵费用。Ferroconsult的工程师Rui Pina根据里斯本地铁得出结论：“我们的计算表明单洞大隧道的拆迁安置少于两条并行隧道，其地表拆迁范围相当狭窄”。
　　在日本，利用大于40m的深层地下空间很可能在2000年初通过立法而得到强调。Hanamura认为这将使公、私市政企业在城区进行基础设施计划并得到政府部门的支持变得容易，他认为尽管对隧道的研究和设计还有一些亟待解决的问题，象用5-8m的掘进机得到大于每月250 m的施工速度并且具有5km的寿命、较好地使用单台掘进机设备适应广泛的地质条件、在长隧道中更高效地进行人员、材料和出土的运输以及协调开挖和衬砌安装同时进行的问题。
　　5月20号，川崎的Kondo先生在伦墩土建工程师协会给英国隧道学会的介绍当中将讨论一个机器上装有8 个甚至更多刀盘的更奇异的多头掘进机以及其侧面带有一个附加刀盘进行垂直隧道方向开挖的机械系统。川崎的巴黎办公室的Matsuda告诉本刊计划中的东京周边地下公路将需要直径大于16m的隧道掘进机。
　　虽然除掘进机之外还有其他有效的办法，奥地利的Voest Alpine 在掘进机的适应性方面，创造了辉煌的业绩，在巴黎Eole工程中用旧盾构机，在罗马地铁用一台二手的大尺寸掘进机施工。在论文[1]中，Peter Kogler Karl Gehring 认为泥水掘进系统和星型辐条式刀盘仍然分别是对付敏感的软弱地层和粘性地层的最好办法。
　　在罗马，直径10.6m的泥水盾构机用于断面为单洞双线的隧道施工，它有一个星型结构的刀盘，穿越泥质粉砂层和泥质粉细砂层，达到250m/月的推进速度，而另一台6.6m的盾构机穿越条件相同的地层也实现了大于250m/月推进速度。在Eole工程中所用的盾构机要同时对付淤泥-粉细砂质砂层和强度达到150Mpa的石灰岩及泥灰岩，直径7.4m的掘进机装配了型式为轮辋型的刀盘，其上带有滚刀和切削刀具，推进速度大于300m/月。
　　作者认为除了影响掘进速度的最佳技术方案外，每一台掘进机及其参数都是根据工程“量身定做”的。“双洞单线地铁隧道工程的记录表明：拟合曲线和始发校正的需要导致第二台掘进机的推进速度比第一台要高出两倍。
　　 挖隧道的人都关心欧洲议会面临着有效地禁止向隧道周边间隙直接注入材料以保护地下水质的立法（见99年3月的《世界新闻》第7页），如果此项立法获得通过，将对本行业产生灾难性的负面影响。在议会投票之前，有意参加此议案讨论者欢迎发电子邮件致Fiec-bru@enter.org。
　　3 有关衬砌
　 在任何软弱地层的隧道技术讨论中，衬砌都是基本组成部分。完善挤压衬砌的努力一直没有停止。在欧洲经过了众多的工程实践后，最新建设的米兰地铁（1992~1996）的预制混凝土管片在保留传统方法的同时，在吊装、浇注和衬砌密封方面都进一步发展，并伴有隧道大型化的趋势。
　易北河的管片衬砌厚为700mm，每环有9块组成，每2m间隔一个螺栓，合计64个螺栓。钢筋混凝土管片含钢量为100kg/m3，最大的管片重达18T，拼装一环要花90分钟的时间。
　日本在管片拼装机械系统发展方面，Hanamuna表示完全自动化的拼装机是可以做到的，这其中主要的困难在自动螺栓拧紧系统。英国C V Buchan 的主任工程师Terry Winterton，在他给T&TI的文章(99年元月，第44页)中描述了他公司的尼龙锁定销丁系统Buclock。他说自定位、高强度、耐久和不腐蚀的该系统将对全自动化的衬砌系统的提高速度和保障安全起到积极的促进作用。Hanamuna也认为管片无螺栓设计不失为提高推进速度和协调管片拼装与掘进机开挖的一个办法。英国Taywood Precast 的Sam Simons和John Mcglynn，在他们刊登在本刊89年12月第44页的文章中审查了这种管片设计和应用，他们证实衬块特性的关键问题是衬块在管片槽中的定位和环间衬块的匹配性，而不是衬块本身；螺栓系统和较小的螺栓孔误差保证了管片拼装不出现接缝张开和错台。他们表示将提供低维护且寿命设计大于100年的衬砌。
　　　4 二手货市场
　　计划资金的吃紧往往意味着二手机器派上用场，因为用户只想花很少的钱。承受改革和竞争的结果，回购是一种很好的谈判工具，尽管制造商要花时间去建立这种能力，但是回购和使用旧机器确是不容忽视的趋势。
参考文献
[1]《机械化施工隧道》 96年捷克共和国 Geotechnika `96 Ostrava 作者是Rome
[2]《机械施工隧道设计和施工趋势》 95年 奥地利Babendererde S &L 作者是A A Balkma
（袁敏正译自Tunnels & Tunnelling International，1999.4.，鞠世健校对）