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隧道掘進(jìn)機(jī)尺寸大小優(yōu)劣談

   2006-04-28 中國路橋網(wǎng) 佚名 6110
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於啻蟆薄?BR>  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)力的增加是冪數(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。“比起兩臺(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,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,但是多頭掘進(jìn)機(jī)為地鐵運(yùn)營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,對于高速公路來說,大的隧道斷面為通風(fēng)除塵以及其它設(shè)施提供空間,但是對于鐵路隧道,大斷面的很大一部分空間沒被利用,這無疑增加了整個(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普遍,也倍為法國工程師們推崇。象英國、德國、日本,還有美國和加拿大,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足的發(fā)展。自二十世紀(jì)八十年代后期法國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,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有效地排除煙塵。除此之外,還有一些設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢,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Voest Alpine 在掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)性方面,創(chuàng)造了輝煌的業(yè)績,在巴黎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。“雙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),如果此項(xiàng)立法獲得通過,將對本行業(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@enter.org。
  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)過了眾多的工程實(shí)踐后,最新建設(shè)的米蘭地鐵(1992~1996)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。
 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)中描述了他公司的尼龍鎖定銷丁系統(tǒng)Buclock。他說自定位、高強(qiáng)度、耐久和不腐蝕的該系統(tǒng)將對全自動(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Taywood Precast 的Sam Simons和John Mcglynn,在他們刊登在本刊89年12月第44頁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)鍵問題是襯塊在管片槽中的定位和環(huán)間襯塊的匹配性,而不是襯塊本身;螺栓系統(tǒng)和較小的螺栓孔誤差保證了管片拼裝不出現(xiàn)接縫張開和錯(cuò)臺(tái)。他們表示將提供低維護(hù)且壽命設(shè)計(jì)大于100年的襯砌。
   4 二手貨市場
  計(jì)劃資金的吃緊往往意味著二手機(jī)器派上用場,因?yàn)橛脩糁幌牖ê苌俚腻X。承受改革和競爭的結(jié)果,回購是一種很好的談判工具,盡管制造商要花時(shí)間去建立這種能力,但是回購和使用舊機(jī)器確是不容忽視的趨勢。
參考文獻(xiàn)
[1]《機(jī)械化施工隧道》 96年捷克共和國 Geotechnika `96 Ostrava 作者是Rome
[2]《機(jī)械施工隧道設(shè)計(jì)和施工趨勢》 95年 奧地利Babendererde S &L 作者是A A Balkma
(袁敏正譯自Tunnels & Tunnelling International,1999.4.,鞠世健校對)
 
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