掘进中遇到的问题有以下几方面：

  a. 溶洞

  该工程在TBM掘进到总干6#洞时曾经遇到两处较大的溶洞,其体积约为30 m3~50m3。采用以下方法处理：先停机,然后通过机头上的人孔对溶洞的情况进行观察,再根据对溶洞的检查情况,首先对底部进行豆砾石或混凝土回填并使其密实,当底部全部填到洞子开挖直径的高程时,则开动机子,边前进、边安装管片,对两边管片上开凿人孔对两侧及顶拱溶洞的其他部位进行填筑骨料灌浆或填筑混凝土,使溶洞部分都用混凝土填密实,并且和安装的管片结合成整体,起到完整围岩的作用。

  为了预防因岩溶造成机头下沉的事故,用于岩溶发育地段施工的TBM应配有超前钻探设备。超前钻探的深度应大于每日的掘进长度,以确保TBM掘进的安全。时间可安排在每日TBM检修时进行。

  对于一些小溶洞的处理,可在TBM掘进通过后,向衬砌管片与围岩间回填豆砾石后,再通过灌浆固结即可。南干6#洞也遇到溶洞,同样进行了处理。

  b. 断层

  摩天岭大断层是南干7#洞内一区域性大断层,其影响带大约为300m长,为构造角砾岩1999年5月28日,掘进机开挖至摩天岭断层影响带,发生了卡机事故,不得不停止掘进。

  卡机事故发生后,首先是打超前钻,进行超前化学灌浆、水泥灌浆：接着打上导洞,对TBM前、上方进行化学灌浆和水泥灌浆,再对前方塌方体进行了水泥灌浆。8月8日,上导洞前方发现一大空洞,再用水泥回填灌浆。在对塌方体进行固结灌浆的同时,将TBM刀盘附近的松散岩体进行开挖,确保了TBM在8月31日启动成功。

  因松散岩层对TBM后护盾压力过大,造成后护盾变形,管片安装护盾的一半连接螺栓折断。采取了加焊钢板的措施,使TBM在边掘进边处理中稳步通过。

  经过100多天的昼夜奋战,TBM掘进机于9月7日顺利通过大断层。

  c. 膨胀岩

  由于膨胀岩的膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良的工程特性,TBM在通过7#洞2.5km长的中、强膨胀岩地层时采取以下措施：a.加强衬砌支护：有关资料表明,7#隧洞强膨胀性岩的饱和极限膨胀压力可达到3.0MPa以上,因此在衬砌管片的结构设计时,充分考虑围岩膨胀力对管片可能施加的荷载,确保衬砌结构安全。b.做好止水防渗：施工时,特别注意衬砌管片接缝宽度的控制和止水条安装的质量。膨胀岩的含水量损失越小越好,防止围岩崩解、软化而使TBM下沉等事故的发生。c.增大开挖断面：为了预留一定的围岩膨胀变形量,施工时增大边缘滚刀的外凸量或在TBM刀盘边缘加焊铲齿,以实现扩挖的目的。扩挖量的大小应根据TBM通过岩层的工程性质及围岩和隧洞的稳定性监测数据来调整。

  d. 土层

  掘进中总干6#洞遇到较长一段N2红土层,而且含水量较大,形成塑性从而造成粘刀头的现象,使切削下来的粘泥不能较顺利地从出渣漏斗排出。只好采用人工从出渣漏斗一点一点往外掏的办法将其排除,进度非常缓慢。当然,如果所掘进的地质条件全部属于这种地层,则可选用盾构机。

  土层中还遇到机头下沉,这在总干7#洞的Q2、Q3黄土层内出现过,其中有一处最大值达30 cm～50cm,使洞底在此处形成低洼段。主要是TBM操作者没有提前将机头上抬、使其逐步爬坡以抵消其下沉。其原因是没有对此类地层承载能力能否满足TBM机头这样大的压力估计不足造成。

  e. 错台

  错台是管片安装中普遍存在的一个问题,总干6#、7#、8#和南干4#、5#、6#、7#隧洞衬砌的每一圆环都是由4片管片组成,块与块间,环与环间都应严格按照设计要求组装。但由于管片和围岩有5cm左右的间隙,要求安装管片时一是精心对缝,二是要立即回填豆砾石和灌浆,将管片和围岩间空隙填死,使管片稳固和不产生变位。合同要求接缝平整度不超过5mm,实际有些竟达到20mm～30mm之多。产生错台原因主要是操作不熟练和操作不认真。错台表面用砂浆掺膨胀剂进行勾缝。

  在联接段7#洞TBM施工中,承包商与业主、设计单位、监理单位合作,对管片设计、管片安装、回填豆砾石与灌浆等等方面进行了改进,使接缝90％以上合格（即错台小于5mm）。

  f. 密封问题

  TBM的大密封损坏是一件大事,大密封是用于封闭旋转刀盘和TBM护盾之间的间隙,避免灰尘杂物进入驱动缸体或护盾壳内,要求密封条应耐磨有弹性,能适应由于弱性变形引起的密封间隙加宽现象。这要求密封材料具有最大的适应变形的能力,在温度不超过100℃的情况下,材料特性保持不变。TBM开挖室的温度一般在40℃以上,加上电动机散热,使密封唇摩擦生热很快超过允许温度。因此,需用多排密封并列放置,形成环形室,再通过向环形室注油来控制密封升温,同时加强监测工作保证TBM正常运转。当然,有时由于护盾刀口变形超过密封允许形值,使开挖石渣进入刀头与护盾壳间,加上刀盘旋转产生的抽吸作用使密封损坏,也有时由于支撑力从刀头传递到主轴承发生偏心。

  山西省万家寨引黄工程引水隧洞先后使用了6台双护盾TBM进行施工,是到目前为止国内应用TBM最多的工程。

  实践中的经验教训可初步归纳以下几方面。

  a. 长隧道采用双护盾TBM进行施工,具有快速、安全、掘进和衬砌同时完成的优点。万家寨引黄工程TBM施工证实了这一结论。

  通过业主、设计、施工和监理诸方面的合作,总结经验,吸取教训,从总干6#、7#、8#隧洞施工质量不能令人满意,到联接段7#隧洞施工质量达到以下令人满意的指标：

  ①开挖误差控制到水平方向±150mm,垂直方向（即竖向）±50mm。

  ②管片安装错台90％控制在5mm范围内,管片接缝基本合格。

  ③豆砾石回填和水泥灌浆基本达到满填满灌,一次完成。

  ④管片接缝勾缝平滑、均匀、无微细裂缝,粘结紧密。

  ⑤管片生产、安装无明显破损或其他质量缺陷。

  ⑥创造了TBM最高日进尺113m和最高月进尺1645m的记录。

  b. 长隧洞采用TBM施工必须进行地质超前预测预报,否则遇到不良地质将不仅会拖延工程进度,而且会使工程陷于被动。

  c. 长隧洞采用TBM施工而成洞直径不大（例如本项工程南干D=4.30 m～4.20）时,要十分重视洞内轻轨车辆交通安全,避免人员伤亡。万家寨引黄工程南干TBM施工的洞内交通事故死亡5人,伤2人。

  d. 采用双护盾TBM进行隧洞施工时,必须对管片安装人员先培训后上岗,或聘用具有管片安装经验的操作人员,否则初期管片安装质量和进度不能得到保证。

  e. 双护盾TBM掘进时产生的岩粉,沉积在隧洞底部120°范围内,并且岩粉被主机自重压得十分密实,水泥灌浆难能灌入岩粉层,形成强度低于灌浆后豆砾石层的一个弱层。

  f. 由于万家寨引黄工程所用的6台TBM全部是双护盾式,只能在护盾底部或侧面观察小窗口了解围岩情况,使得地质填图工作十分困难,这是双护盾TBM的缺点。

  g. 采用双护盾TBM并配合预制管片衬砌进行隧洞施工的工程,只适用于无压引水的水利水电工程。当然,公路和铁路的隧道不输送水,这种型式TBM是能充分发挥作用的。

  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。

  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 。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。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

  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。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。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！