隧道掘進機尺寸大小優劣談 易北河隧道的掘進機，直徑14.2m，比8臺穿過東京灣的直徑14.1m的掘進機稍大，是世界上最大的隧道掘進機。但是尺寸的大型化是否就代表著軟弱地層隧道掘進機的未來呢？什么又是隧道尺寸的決定因素呢？
1 全新的尺寸
隧道掘進機的制造商幾乎一致地認為能夠滿足用戶對巨大尺寸的圓形隧道的施工需要。易北河隧道掘進機的設計和制造商海瑞克先生認為，大尺寸掘進機不但可行，而且在操作上和它一半尺寸的掘進機沒什么兩樣。他還說：“從技術上講，我們可以提供用戶需要的任何尺寸的掘進機。易北河的掘進機是用于一條包含雙向高速公路和一個緊急車道的隧道施工；悉尼的機器用于一條單洞雙線鐵路隧道的施工；開羅和馬德里的機器用于一條單洞雙線地鐵隧道的施工；巴黎A86工程的掘進機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機開挖地下空間，我們就能夠為他造多大”。
加拿大諾瓦特公司的總裁諾瓦特先生說：“增加小型掘進機直徑，如5、6、7m，這是線性可比的，但隨著直徑從10m到14m的增加，掘進機所需的扭矩和動力的增加是冪數關系。滿足這種超常需要的任務主要落在機電和液壓元件如驅動馬達、液壓系統和主軸承的設計者和制造商身上。大尺寸掘進機可行的觀點不錯，但技術上的需求只是判斷一臺大掘進機是否優于兩臺或多臺小掘進機的一個方面。
川崎重工的Kondo先生也認為刀盤的推力和切削力將隨直徑增加而數倍增加。他補充說，油缸的安裝空間和驅動元件都不可能按刀盤增加的比例來增加。盡管解決適應大尺寸刀盤驅動型式的問題是可能的，但是對于推進方面來說，推進油缸實際使用油壓的增大是必須的。
漢堡易北河現場經理Gert Wittneten解釋了單一大刀盤隧道掘進機在運作上的明顯不同。“比起兩臺有35m2切削面的掘進機分別施工兩條單洞地鐵隧道，直徑14.2 m的掘進機有160 m2切削面。這樣一來，刀具的更換要花更多的時間。當你要更換20或30把刀具或保養轉場，我們就不得不花上小掘進機的4至5倍的時間，甚至更多。
Hanamura 認為：盡管多頭掘進機在日本本土之外還沒有被接受，但是多頭掘進機為地鐵運營隧道的施工提供了最有效的施工模式。拿雙頭掘進機的造價來說，比兩臺6m直徑的單頭掘進機要高一些，但考慮管片襯砌的造價和開挖空間減小的造價節約后，雙頭掘進機施工的整個工程的造價和兩臺單頭掘進機或一臺直徑10 m（單洞雙線隧道）的掘進機的工程總造價持平或偏小。諾瓦特先生也認為使用大尺寸掘進機，實際上增加了掘進機的施工風險，因為整個工程依賴于一個機頭，施工運作變得相當線性和單一。相比之下，用一臺小的掘進機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機的過程中不得不添加了新的廠房，運輸同樣也是個問題。5m、6m 的掘進機可以作為一個整體來運輸，而為了運輸，必須將大掘進機進行分塊。Kondo也強調了運輸和工地組裝問題，特別是大軸承的運輸和組裝，他認為為運輸的需要將大掘進機分塊可能比機器設計本身更困難。在一定意義上講，一臺大掘進機的制造可能會制約整個工廠的生產，隨之而來的還有配件管理、后續技術的保證以及現場服務等諸多問題。
另一方面，大尺寸的掘進機有利于降低隧道的總造價（其組成的30%是掘進機費用、30%是施工費用、40%是襯砌費用）。ASCE日本分部的總裁、Taisei公司市政工程設計部總經理Hanamura如是說，“當直徑大于10m以后，掘進機的造價迅速增加，盡管考慮整個工程的總造價是重要的，對于高速公路來說，大的隧道斷面為通風除塵以及其它設施提供空間，但是對于鐵路隧道，大斷面的很大一部分空間沒被利用，這無疑增加了整個工程的造價。
2 單洞雙線地鐵
用隧道掘進機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，盡管如此，單洞雙線隧道還是得到了長足的發展。自二十世紀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。
單洞雙線設計肯定有安全方面的優勢，因為救援列車可以開近故障列車有利于較快的保護和疏散乘客，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，還有一些設計上的優勢，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生的昂貴費用。Ferroconsult的工程師Rui Pina根據里斯本地鐵得出結論：“我們的計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調。Hanamura認為這將使公、私市政企業在城區進行基礎設施計劃并得到政府部門的支持變得容易，他認為盡管對隧道的研究和設計還有一些亟待解決的問題，象用5-8m的掘進機得到大于每月250 m的施工速度并且具有5km的壽命、較好地使用單臺掘進機設備適應廣泛的地質條件、在長隧道中更高效地進行人員、材料和出土的運輸以及協調開挖和襯砌安裝同時進行的問題。
5月20號，川崎的Kondo先生在倫墩土建工程師協會給英國隧道學會的介紹當中將討論一個機器上裝有8 個甚至更多刀盤的更奇異的多頭掘進機以及其側面帶有一個附加刀盤進行垂直隧道方向開挖的機械系統。川崎的巴黎辦公室的Matsuda告訴本刊計劃中的東京周邊地下公路將需要直徑大于16m的隧道掘進機。
雖然除掘進機之外還有其他有效的辦法，奧地利的Voest Alpine 在掘進機的適應性方面，創造了輝煌的業績，在巴黎Eole工程中用舊盾構機，在羅馬地鐵用一臺二手的大尺寸掘進機施工。在論文[1]中，Peter Kogler Karl Gehring 認為泥水掘進系統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的泥水盾構機用于斷面為單洞雙線的隧道施工，它有一個星型結構的刀盤，穿越泥質粉砂層和泥質粉細砂層，達到250m/月的推進速度，而另一臺6.6m的盾構機穿越條件相同的地層也實現了大于250m/月推進速度。在Eole工程中所用的盾構機要同時對付淤泥-粉細砂質砂層和強度達到150Mpa的石灰巖及泥灰巖，直徑7.4m的掘進機裝配了型式為輪輞型的刀盤，其上帶有滾刀和切削刀具，推進速度大于300m/月。
作者認為除了影響掘進速度的最佳技術方案外，每一臺掘進機及其參數都是根據工程“量身定做”的。“雙洞單線地鐵隧道工程的記錄表明：擬合曲線和始發校正的需要導致第二臺掘進機的推進速度比第一臺要高出兩倍。
挖隧道的人都關心歐洲議會面臨著有效地禁止向隧道周邊間隙直接注入材料以保護地下水質的立法（見99年3月的《世界新聞》第7頁），如果此項立法獲得通過，將對本行業產生災難性的負面影響。在議會投票之前，有意參加此議案討論者歡迎發電子郵件致Fiec-bru@enter.org。
3 有關襯砌
在任何軟弱地層的隧道技術討論中，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。在歐洲經過了眾多的工程實踐后，最新建設的米蘭地鐵（1992~1996）的預制混凝土管片在保留傳統方法的同時，在吊裝、澆注和襯砌密封方面都進一步發展，并伴有隧道大型化的趨勢。
易北河的管片襯砌厚為700mm，每環有9塊組成，每2m間隔一個螺栓，合計64個螺栓。鋼筋混凝土管片含鋼量為100kg/m3，最大的管片重達18T，拼裝一環要花90分鐘的時間。
日本在管片拼裝機械系統發展方面，Hanamuna表示完全自動化的拼裝機是可以做到的，這其中主要的困難在自動螺栓擰緊系統。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Buclock。他說自定位、高強度、耐久和不腐蝕的該系統將對全自動化的襯砌系統的提高速度和保障安全起到積極的促進作用。Hanamuna也認為管片無螺栓設計不失為提高推進速度和協調管片拼裝與掘進機開挖的一個辦法。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計和應用，他們證實襯塊特性的關鍵問題是襯塊在管片槽中的定位和環間襯塊的匹配性，而不是襯塊本身；螺栓系統和較小的螺栓孔誤差保證了管片拼裝不出現接縫張開和錯臺。他們表示將提供低維護且壽命設計大于100年的襯砌。
4 二手貨市場
計劃資金的吃緊往往意味著二手機器派上用場，因為用戶只想花很少的錢。承受改革和競爭的結果，回購是一種很好的談判工具，盡管制造商要花時間去建立這種能力，但是回購和使用舊機器確是不容忽視的趨勢。
參考文獻
[1]《機械化施工隧道》 96年捷克共和國 Geotechnika `96 Ostrava 作者是Rome
[2]《機械施工隧道設計和施工趨勢》 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）
1 全新的尺寸
隧道掘進機的制造商幾乎一致地認為能夠滿足用戶對巨大尺寸的圓形隧道的施工需要。易北河隧道掘進機的設計和制造商海瑞克先生認為，大尺寸掘進機不但可行，而且在操作上和它一半尺寸的掘進機沒什么兩樣。他還說：“從技術上講，我們可以提供用戶需要的任何尺寸的掘進機。易北河的掘進機是用于一條包含雙向高速公路和一個緊急車道的隧道施工；悉尼的機器用于一條單洞雙線鐵路隧道的施工；開羅和馬德里的機器用于一條單洞雙線地鐵隧道的施工；巴黎A86工程的掘進機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機開挖地下空間，我們就能夠為他造多大”。
加拿大諾瓦特公司的總裁諾瓦特先生說：“增加小型掘進機直徑，如5、6、7m，這是線性可比的，但隨著直徑從10m到14m的增加，掘進機所需的扭矩和動力的增加是冪數關系。滿足這種超常需要的任務主要落在機電和液壓元件如驅動馬達、液壓系統和主軸承的設計者和制造商身上。大尺寸掘進機可行的觀點不錯，但技術上的需求只是判斷一臺大掘進機是否優于兩臺或多臺小掘進機的一個方面。
川崎重工的Kondo先生也認為刀盤的推力和切削力將隨直徑增加而數倍增加。他補充說，油缸的安裝空間和驅動元件都不可能按刀盤增加的比例來增加。盡管解決適應大尺寸刀盤驅動型式的問題是可能的，但是對于推進方面來說，推進油缸實際使用油壓的增大是必須的。
漢堡易北河現場經理Gert Wittneten解釋了單一大刀盤隧道掘進機在運作上的明顯不同。“比起兩臺有35m2切削面的掘進機分別施工兩條單洞地鐵隧道，直徑14.2 m的掘進機有160 m2切削面。這樣一來，刀具的更換要花更多的時間。當你要更換20或30把刀具或保養轉場，我們就不得不花上小掘進機的4至5倍的時間，甚至更多。
Hanamura 認為：盡管多頭掘進機在日本本土之外還沒有被接受，但是多頭掘進機為地鐵運營隧道的施工提供了最有效的施工模式。拿雙頭掘進機的造價來說，比兩臺6m直徑的單頭掘進機要高一些，但考慮管片襯砌的造價和開挖空間減小的造價節約后，雙頭掘進機施工的整個工程的造價和兩臺單頭掘進機或一臺直徑10 m（單洞雙線隧道）的掘進機的工程總造價持平或偏小。諾瓦特先生也認為使用大尺寸掘進機，實際上增加了掘進機的施工風險，因為整個工程依賴于一個機頭，施工運作變得相當線性和單一。相比之下，用一臺小的掘進機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機的過程中不得不添加了新的廠房，運輸同樣也是個問題。5m、6m 的掘進機可以作為一個整體來運輸，而為了運輸，必須將大掘進機進行分塊。Kondo也強調了運輸和工地組裝問題，特別是大軸承的運輸和組裝，他認為為運輸的需要將大掘進機分塊可能比機器設計本身更困難。在一定意義上講，一臺大掘進機的制造可能會制約整個工廠的生產，隨之而來的還有配件管理、后續技術的保證以及現場服務等諸多問題。
另一方面，大尺寸的掘進機有利于降低隧道的總造價（其組成的30%是掘進機費用、30%是施工費用、40%是襯砌費用）。ASCE日本分部的總裁、Taisei公司市政工程設計部總經理Hanamura如是說，“當直徑大于10m以后，掘進機的造價迅速增加，盡管考慮整個工程的總造價是重要的，對于高速公路來說，大的隧道斷面為通風除塵以及其它設施提供空間，但是對于鐵路隧道，大斷面的很大一部分空間沒被利用，這無疑增加了整個工程的造價。
2 單洞雙線地鐵
用隧道掘進機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，盡管如此，單洞雙線隧道還是得到了長足的發展。自二十世紀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。
單洞雙線設計肯定有安全方面的優勢，因為救援列車可以開近故障列車有利于較快的保護和疏散乘客，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，還有一些設計上的優勢，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生的昂貴費用。Ferroconsult的工程師Rui Pina根據里斯本地鐵得出結論：“我們的計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調。Hanamura認為這將使公、私市政企業在城區進行基礎設施計劃并得到政府部門的支持變得容易，他認為盡管對隧道的研究和設計還有一些亟待解決的問題，象用5-8m的掘進機得到大于每月250 m的施工速度并且具有5km的壽命、較好地使用單臺掘進機設備適應廣泛的地質條件、在長隧道中更高效地進行人員、材料和出土的運輸以及協調開挖和襯砌安裝同時進行的問題。
5月20號，川崎的Kondo先生在倫墩土建工程師協會給英國隧道學會的介紹當中將討論一個機器上裝有8 個甚至更多刀盤的更奇異的多頭掘進機以及其側面帶有一個附加刀盤進行垂直隧道方向開挖的機械系統。川崎的巴黎辦公室的Matsuda告訴本刊計劃中的東京周邊地下公路將需要直徑大于16m的隧道掘進機。
雖然除掘進機之外還有其他有效的辦法，奧地利的Voest Alpine 在掘進機的適應性方面，創造了輝煌的業績，在巴黎Eole工程中用舊盾構機，在羅馬地鐵用一臺二手的大尺寸掘進機施工。在論文[1]中，Peter Kogler Karl Gehring 認為泥水掘進系統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的泥水盾構機用于斷面為單洞雙線的隧道施工，它有一個星型結構的刀盤，穿越泥質粉砂層和泥質粉細砂層，達到250m/月的推進速度，而另一臺6.6m的盾構機穿越條件相同的地層也實現了大于250m/月推進速度。在Eole工程中所用的盾構機要同時對付淤泥-粉細砂質砂層和強度達到150Mpa的石灰巖及泥灰巖，直徑7.4m的掘進機裝配了型式為輪輞型的刀盤，其上帶有滾刀和切削刀具，推進速度大于300m/月。
作者認為除了影響掘進速度的最佳技術方案外，每一臺掘進機及其參數都是根據工程“量身定做”的。“雙洞單線地鐵隧道工程的記錄表明：擬合曲線和始發校正的需要導致第二臺掘進機的推進速度比第一臺要高出兩倍。
挖隧道的人都關心歐洲議會面臨著有效地禁止向隧道周邊間隙直接注入材料以保護地下水質的立法（見99年3月的《世界新聞》第7頁），如果此項立法獲得通過，將對本行業產生災難性的負面影響。在議會投票之前，有意參加此議案討論者歡迎發電子郵件致Fiec-bru@enter.org。
3 有關襯砌
在任何軟弱地層的隧道技術討論中，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。在歐洲經過了眾多的工程實踐后，最新建設的米蘭地鐵（1992~1996）的預制混凝土管片在保留傳統方法的同時，在吊裝、澆注和襯砌密封方面都進一步發展，并伴有隧道大型化的趨勢。
易北河的管片襯砌厚為700mm，每環有9塊組成，每2m間隔一個螺栓，合計64個螺栓。鋼筋混凝土管片含鋼量為100kg/m3，最大的管片重達18T，拼裝一環要花90分鐘的時間。
日本在管片拼裝機械系統發展方面，Hanamuna表示完全自動化的拼裝機是可以做到的，這其中主要的困難在自動螺栓擰緊系統。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Buclock。他說自定位、高強度、耐久和不腐蝕的該系統將對全自動化的襯砌系統的提高速度和保障安全起到積極的促進作用。Hanamuna也認為管片無螺栓設計不失為提高推進速度和協調管片拼裝與掘進機開挖的一個辦法。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計和應用，他們證實襯塊特性的關鍵問題是襯塊在管片槽中的定位和環間襯塊的匹配性，而不是襯塊本身；螺栓系統和較小的螺栓孔誤差保證了管片拼裝不出現接縫張開和錯臺。他們表示將提供低維護且壽命設計大于100年的襯砌。
4 二手貨市場
計劃資金的吃緊往往意味著二手機器派上用場，因為用戶只想花很少的錢。承受改革和競爭的結果，回購是一種很好的談判工具，盡管制造商要花時間去建立這種能力，但是回購和使用舊機器確是不容忽視的趨勢。
參考文獻
[1]《機械化施工隧道》 96年捷克共和國 Geotechnika `96 Ostrava 作者是Rome
[2]《機械施工隧道設計和施工趨勢》 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）
