摘 要 對長隧道中應用隧道掘進機的現狀、典型實例、問題以及發展趨勢作了論述。
關鍵詞 隧道掘進機（TBM） 現狀 典型實例 發展趨勢
1 概述
當隧道（洞）長度過長時,用常規鉆爆法進行隧道365JT施工將需要相當長的工期,隧道掘進機法施工則適合長隧道施工的需要。隧道掘進機英文名稱是Tunnel Boring Machine,簡稱TBM。
根據國外實踐證明：當隧道長度與直徑之比大于600時,采用TBM進行隧道施工是經濟的。TBM最大的優點是快速。其一般速率為常規鉆爆法的3～10倍。此外,采用TBM施工還有優質、安全、有利于環境保護和節省勞動力等優點。由于TBM提高了掘進速率,工期大為縮短,因此在整體上是經濟的。 TBM的缺點主要是對地質條件的適應性不如常規的鉆爆法；主機重量大：前期訂購TBM費用較多；要求施工人員365JT技術水平和管理水平高；對短隧道不能發揮其優越性。由于科學技術的不斷迅猛進步,現在TBM可以適應較為復雜的地質條件,從松散軟土到極堅硬的巖石都可以應用,使用范圍日益廣泛。TBM的365JT設計制造在一定程度上反映了一個國家的綜合科學技術和工業水平,體現了計算機、新材料、自動化、信息傳輸和多媒體等技術的綜合和密集水平。一門叫做“地質機械電子學”的學科應運而生。它把機械原理、電子學原理和機器人原理應用到巖土工程學中,包括所有巖土工程技術和TBM技術。未來的發展屬于自動化隧道掘進機。目前,人們已能在辦公室控制掘進機操作一一法國的斯特拉堡工地證實了這一事實[1]。
掘進機的針對性很強,不同的地質條件需要不同的掘進機,也就產生了不同的掘進機；有的適用于軟土,又稱為盾構機：有的適用于巖石。巖石掘進機可分為開敞式、單護盾式和雙護盾式,并且已研制出能進行斜井施工的,例如,已用于日本東京附近抽水蓄能電站壓力管道斜井的施工。軟土掘進機（盾構機）初期為氣壓手掘式,現今主要為泥漿加壓式和土壓平衡式,并且已研制出能掘進圓形連續多斷面隧道掘進機,已應用于日本Hiroshima新運輸線的Rijoh隧道：研制出垂直—水平連續隧道掘進機,已應用于日本東京污水隧道工程；研制出橢園形隧道掘進機,已應用于日本Nagoya的管道施工。此外,還研制出既能在巖石又能在軟土中掘進的兩用混合型掘進機,已應用于英吉利海峽隧道法國側隧道的施工、日本廣島污水隧道施工以及我國連接香港的九龍和新界的西鐵隧道施工。
世界上著名的巖石掘進機制造廠商是美國的羅賓斯（Robbins）公司和賈瓦（arva）公司、德國的沃斯（Wirth）公司和德馬克（Demag）公司以及瑞典的阿拉斯·科普柯（Atlas·Copco）公司。而軟土掘進機則以日本川崎重工業公司生產的最為著名。國外掘進機直徑已達14.14m（用于日本東京灣跨海公路隧道）。
我國1966年生產出第一臺直徑3.4m的掘進機,在杭州人防工程中進行過試驗。70年代進入工業性試驗階段,試制出SJ55、SJ58、SJ64、EJ30型掘進機。80年代進入實用性階段,研制出SJ58A、SJ58B、SJ40/45、EJ30/32、EJ50型掘進機,在河北引灤、福建龍門灘、青島引黃濟青、云南羊場煤礦、貴陽煤礦、山西古交和懷仁煤礦等工程中使用。但是,我國掘進機與國外掘進機相比較,在技術性能和可靠性等方面還有相當大的差距,需要加快掘進機的整機研究、設計和生產,迎頭趕上國際先進水平。
自1978年我國實行改革開放以采,已有甘肅省引大入秦工程、山西省萬家寨引黃工程和陜西省秦嶺鐵路隧道工程等項目引入國外大型TBM進行隧道施工,取得了成功。其中山西省萬家寨引黃工程創造最高日掘進113m和最高月掘進1650m以上的記錄。
隧道掘進機除主機外,還必須配備配套系統,稱為后配套系統。通常主機和配套系統總長度達150m ～300m。配套系統包括運碴、運料系統、支護設備、激光導向系統、供電裝置、供水系統、排水系統、通風防塵系統和安全保護系統。用于水工隧洞的還有注漿系統等。TBM法與鉆爆法相比,其主要優點是掘進速度快,所以配套系統是滿足連續快速掘進的關鍵因素,其運輸布置、運輸能力、供水、排水流量、通風方式及風壓、風量以及噴錨、混凝土管片安裝、豆礫石噴射、回填灌漿的速度,必須與掘進速度相匹配。
2 長隧道應用TBM的典型工程實例
2.1 英吉利海峽隧道
英吉利海峽隧道全長49.2km,海下37km,共有三條平行的隧道,其中兩條單線鐵路隧道,內徑7.6m,相距30m.,中間隧洞留作服務用,直徑為4.8m。每條主洞有一單線鐵路與一人行道。服務隧洞則用作通風、維修及整體安全,而在施工期間則作為超前地質預報。
隧道線路非直線也非水平,是依19世紀時已標定的藍色白堊層而定,此種巖層堅實但不太硬,又不透水,是掘進的理想地層。由古代沉積地層組成的英吉利海峽的地質狀況十分穩定,無斷層、無地震活動跡象、無褶皺、又無使地質情況復雜化的大斷層。然而在施工期間也有若干意外情況出現。隧道靠近藍色白堊層的平均下部三分之一層厚處。隧道的底坡不得大于1.1％,在海面下的最大深度為90m,即在海底下40m處。
英吉利海峽兩岸的地層也不對稱。英國一側海岸,地層褶皺平緩,白堊較完整。法國一側海岸,白堊層常有裂隙,加大了地層的透水性,有碰到不穩定地層的危險性。而且還穿過一層含水的灰色白堊層達藍色白堊層。故掘進技術不同。法國一側,隧道掘進機可在含水層中工作,而英國一側,隧道掘進機是設計專用于干燥的地層。另一方面,挖掘長度的分配也不一樣,英國海岸掘進總長為92.4km,而法國海岸僅57.6km,因那里的地層更難以工作。
隧道開挖會合處靠近法國海岸一邊,理論上是在法國一側,洞門起19km處。實際上會合處離之稍遠,因法國人進展得比預定的快。
隧道并不是單純的配有鐵軌的管道。隨著隧道掘進的進展,或在隧道完工后,各種網路的設施都支承在隧道的壁上。整個網路包括有信號電纜、700部電話、5000個擴音器、4組光纖電纜以及消防水管和照明設施等。另外,還有輸送部分冰凍水流的大水管通過隧道用以降溫。設有技術裝備的地下房室則有專門的通風與冷卻設施。.英吉利海峽海底隧道工地是20世紀最大的工地之一。1990年11月估計的工程最終投資為760.8億法郎；而集團投資增至879億法郎,差額即用作備用金。僅僅此工程浩大的費用說明了它的規模。各工地隔英吉利海峽而分成兩攤,其方法及組織均有一定的特殊性,因在全斯曼徹聯合公司名下的各承包公司以其地理上的相近關系而組合在一起的。五家法國承包公司在法國一側工作,而五家英國承包公司則在英國一側工作。
整個工程工期7年,對如此規模的工程來說,工期是很短的。任何在施工中的拖延都會減少實際受益期限。此外,沉重的貸款上的財務費用意味著每拖延一周,即約損失1億法郎,可以想象,每分鐘都是寶貴的。為贏得這場時間上的真正競賽,有11臺隧道掘進機同時開挖隧洞。隧道掘進機上的各班組日夜輪班不停,每一工作面有五個班組。其中三組每組8小時輪換,第四組在休息,第五組在休假。
承包公司的成功與否取決于隧道掘進機的良好運轉,掘進機的進展速度就表示出工程的進度。這是巨大又復雜的機械,直接以隧洞的全斷面尺寸開挖土石,機械過后留下的是已襯砌好的不透水的并裝備了相隨的各種網路的隧道。隧道掘進機既用以開鑿隧洞,又用以排出挖方料,安放拱楔塊,在拱楔塊后灌漿,并置放以公里計的掛在隧洞壁上的電纜及各種管道。.隧道掘進機的心臟部分——主機,長10 m～13m,重達1 200t,在切割頭的后面有一個挖方料的排出系統與一個安置拱楔塊的升降架。掘進機由一個厚7cm的金屬外殼保護以臨時支撐土石層。一列長250m,重約800t的技術列車（后配套系統）承擔一切后勤支援：排出挖方料,送交拱楔塊,通風、供電,敷設電纜及供水、供電管并鋪設鐵軌。
考慮到地層的不同性質,各隧道掘進機設計不一。英國一側藍色白堊能挺立不塌,可在掘進機護盾外殼后面立即鋪設拱楔塊。法國一側海岸,地質鉆探表明線路將遇到斷層,可能有滲水。由于開挖的隧道深達海面下90m,故應面對9×105Pa的水壓力。隧道掘進機設計不透水的隔膜及高壓墊圈把旋轉頭與隧道的其它部位分隔開。由涂有專門油脂的金屬刷組成的一個止水圈可使掘進機護盾外殼在已安設的拱楔塊上滑動。
隧道掘進機之后配套系統隨掘進機一起前進并載著全部運行設備。這是一個真正的流動工廠。緊接護盾之后是操縱室,從操縱室工程師和技術員控制著前進速度并經攝像顯示機觀察掌子面。在車廂的下層,皮帶輸送帶載著挖方料全速輸送。接著是一系列的車廂,一節車廂用以攪拌灌漿材料；而后是變壓器車廂,將
20 000 V降為380V；一節操縱千斤頂的液壓系統車廂；然后一節食堂與醫務室；一節水處理車廂；一節分料車廂,把挖方料分在兩列新的皮帶機上；一節載著20 000V電纜施放機的車廂,電纜隨開挖而固定在隧道的壁面上；一節車廂裝壓空機及滲水抽排接力站；一節車廂用以卸下水泥砂漿（供料列車可經隧道掘進機的支柱而到達此層）,一節是卸拱楔塊用,這些拱楔塊由專門的輸送機送至工作面；一節為通風車廂（其后各車廂都有兩條輸送帶,把挖方料卸在下面滑行的供應列車的翻斗內）；一節車廂用以進行裝修及補充灌漿；有兩節車廂裝有管道及電纜,隨進展而固定于壁上；最后一節則用以安設懸掛電纜、清掃隧道底拱并敷設服務列車的鐵軌。列車后面有加利福尼亞型的道岔。
導向問題是關鍵,因為不僅自英吉利海峽兩岸起挖通的隧洞應精密會合,而且要遵循拱楔塊制造及安放要求的尺寸。隧道掘進機的位置一直由計算機按每隔187m安設的測量標志網計算。首先利用人造衛星測定了10來個地面標志點的位置。最后一個標志點上有激光裝置對準隧道掘進機上的固定目標,隨時向操作員指出掘進機的位置是否與存儲于機上計算機內的理論軌跡相符。程序計算出修正的軌跡,依此軌跡,決定出在襯砌環圈上千斤頂的推力。
在地下經過約20km的進尺后,所得的在會合點的理論精確度約25cm,即兩個開挖段之間的偏差為50cm。這正是服務隧洞在海下會合點的偏差。英國一側的服務隧洞在地下經8km后出地.。面時僅有4mm的誤差。地下兩半截隧洞的會合以下法進行：當還剩下l00m待挖時,即停機并打一探測孔以檢驗是否在一條線上,然后以人工挖一人行孔以便兩側通訊。由于掘進機的直徑大于已經襯砌的隧洞,它們既不能后退又不能向前出去。法國一側的掘進機,回收其最大的部分而讓其鋼外殼留在隧洞的拱圈內,用氣焊槍割下能割的部分。英國一側的掘進機在偏離前進軸線的隧道側邊挖掘了它們自己的墳墓,就地遺棄,埋在混凝土中。
最后幾米的隧洞以傳統的方法開挖,以便保留以十字鎬開挖的最大巖石面。這樣就可進行象征隧道挖通的歷史性握手。歷史將記住,服務隧洞的探測孔是1990年10月30日20點25分打通的。
隧道內部全部襯以稱之為拱楔塊的鋼筋混凝土的弧形板塊,用以防備土石的可能下落并確保含水段的防滲。總共有72萬塊拱楔塊。拱楔塊的質量保證建筑物的安全與壽命（120年）。法國一側有25萬塊拱楔塊,英國一側有47萬塊,鋪砌在隧洞內部,其尺寸精度以毫米計。標準襯砌是1.4m～1.6m長的拱圈,法國一側由5塊拱楔塊及一塊拱頂鍵石組成,英國一側由6個拱楔塊加一拱頂鍵石組成。法國一側的拱楔塊有氯丁橡膠接縫以確保在10 t水壓下的防滲。拱楔塊由掘進機上的機械就位后即以螺栓固定,以使接縫間壓緊。這些螺栓在洞壁與拱楔塊之間灌注的砂漿凝固后抽出。
怎樣處理運出隧道的挖方料呢?這些挖方料的數量浩大：總共800×104m3,其中300×104m挖自法國一側。其余則挖自英國一側。各工地再次采用不同的解決措施。
法國一側,自工作面挖出的挖方料視土層里含水量的大小而呈現稀或稠的粘糊糊的泥漿,從隧道掘進機的螺旋輸送機或泥漿泵送出后,經各輸送裝置倒入運送挖方料的列車,然后送去桑加特365JT交通井。一列車有12節翻斗式車廂,一次翻轉6節,把料傾倒在井底。挖方料在井底加水經破碎機攪拌,破碎機由兩帶齒圓輥組成,以相反的方向旋轉,然后又經一鏈式破碎機使之成為流態的均勻泥漿,其稠度近乎酸乳酪。臺巨大的混凝土泵式的泥漿泵把泥漿打進一系列的管道中,揚高130m,打到距離為2km的豐皮里翁處,在小土坡上建一真正的土壩,長900m,高38m,泥漿打到這里并逐步地填滿此水庫。沉淀后的水再回收,過濾,然后注入海中,工程完工后,形成的新土山將予整治并裝點景色。
英國一側,挖出的挖方料基本上是干的,排出隧道后即倒在莎士比亞·克利夫平臺處。來自工作面的裝料車廂側卸于沿鐵道布置的料斗內,挖方料由鏈式輸送裝置運走,然后以每小時運2400噸土料的巨大的輸送帶經交通隧洞運出地面。挖方料部分加濕以免灰塵飛揚。然后由移動式輸送裝置或卡車傾入五個以人工堤圍起的瀉湖內。這些人工堤是隨工程的進展而逐漸建成的,堤由兩排板樁中間填混凝土形成。挖出的土石料將在海中圍墾出一塊新的45hm2的平臺。結束時,唯一留在工地現場的是通風與維修設施。此種把挖方料運至肯特附近的解決辦法被認為是較妥的。
英吉利海峽海底隧道主要由三條長50km的平行隧道組成,但它還包括有大量的地下建筑物,這些是真正的大型建筑物,例如用以安裝隧道掘進機的專門的大廳。有兩個大廳或稱為錯車室,長200m,寬20m,這樣大尺寸的地下建筑從未在此條件下開挖過。這些大廳用以列車錯車,以及5個地下泵站連同緩沖蓄水池以確保隧道的持續排水。
隧道掘進機的安裝在巨大的地下大廳里進行。法國一側的安裝大廳就在桑加特交通井下開挖的,以便吊入大尺寸的部件。大廳長500m,直徑為隧道掘進機直徑的一倍半以便在掘進開始前進行檢驗。
英國一側的安裝大廳在莎士比亞·克利夫地下綜合體內。高20m的大廳取名為“大教堂”,是依奧地利的靈活、快速的新方法（即新奧法）開挖的。
拱楔塊28天強度達到55MPa,這是高質量混凝土通常強度的兩倍。混凝土生產管理都由計算機控制。
根據拱楔塊在隧道中所在的位置而一塊一塊地鑒定。拱楔塊出廠由計算機控制的吊車進行,并在工廠旁是按組成整圈所需的6或8塊拱楔塊分類放在托架上,儲放10天至一個月。
1986年選用隧道的論點之一就是其固有的安全性。實際上,鐵路是最安全的長距離運輸手段。在單股道的隧洞內運行的列車無正面碰車的風險。脫軌時,隧道可保持列車在其運行的軌線上以防其傾覆。鐵軌則經常以超聲測試檢驗。每隔375m與主隧道相連通的服務隧洞同時是一個地下庇護所及急救的通道。需要時,列車可經每隔1／3隧道長度處的轉車大廳由一條隧道轉到另一條隧道去。但平時,兩條隧道是完全隔開的。穿梭列車也是很安全的。有兩個牽引車頭,但只要一個牽引車頭就可牽引列車。當控制失靈時,有一系統可使列車自動緩緩停車。控制中心以無線電與各列車聯絡管理全部列車的運行。電源由英吉利海峽兩岸共同供電,變壓器設在專門的隧洞內,洞用防水門關閉,有其各自的檢測系統與防火系統,供電電纜相互隔開,電纜有外裹層不致冒煙。
值得引起特別注意的是列車的高速運行,次數頻繁,隧道較長并且在洞內同時有兩萬人在場。為防運載汽車的穿梭列車突發火災的風險,考慮到汽車油箱內的汽油,火災風險可能是很嚴重的,故采取了各種措施：首先,禁止在車廂內啟動馬達與抽煙,在穿梭列車里的人員都應保持警惕,每節車廂內設有火焰、煙霧、一氧化碳、碳氫化合物的探測器,這些探測器與駕駛室內的計算機連接口設有好幾種手動及自動的滅火系統。有一普通類型的滅火器可在幾秒鐘內在燃燒著的汽油上噴上一層泡沫使其窒息。若乘客處于危險狀態時即使用另一種滅火器,噴出煙霧可有效地防御有毒火焰。若滅火器數量不夠,則防火門把乘客與火陷隔開至少可抵御半小時以上。
不銹鋼結構的車廂也防火,可使其運行直至總站,進入專門裝備的處理股道上去。當不可能把火車開出隧道或洞內有大火時,乘客們將引入服務隧洞,這是失火時的好庇護所,因其空氣始終處于超壓狀態,乘客自服務隧洞乘服務車或去其它隧洞乘救護列車出洞。強力通風可排出鐵路隧洞內的廢氣。
進行了60來次撤離測試與防火試驗以測定乘客的反應能力、探測系統及設備的耐火程度。乘客們被置于與原型自然尺寸一樣大的模型列車中,以便擬定數字模型予定出撤離出車廂的時間。依乘客年齡不同與有否煙霧,撤離時間自1分鐘至3分20秒不等。列車故障時外側有燈光照亮各車廂。不能排除炸彈襲擊。必須要很大的裝藥量并嵌入隧道結構內才能炸塌隧道。但在穿梭列車上放置一個小炸藥包就足以毀壞一節車廂,造成脫軌,并由之引起火災。對此種災難也采取了專門的預防措施,某些措施是用以探測炸藥,其它一些措施則是秘密的。
英吉利海峽隧道工程是人類在工程技術領域中一項杰出的創舉。這條歐洲隧道已于1994年年底正式運行,成為世界上最重要的運輸系統之一,為建立一個無國境的歐洲,為促進人類交往和經濟文化交流,會作出不可磨滅的貢獻。
2.2 日本東京灣跨海公路隧道工程
日本東京灣跨海公路西端連接產業區域的神奈川縣川崎市,東端連接自然田園區域的葉縣木更津市,全長15.1km。該工程于1966年4月開始進行環境及地質調查,1989年5月正式開工,1997年12月竣工并投入營運,與周圍的海岸高速公路、外環公路等形成公路網,大幅度改善了首都圈的交通狀態。
該公路在方案比選階段曾有3個大的方案：①大跨徑吊橋案、②橋梁與沉埋隧道結合方案、③橋梁與盾構隧道結合方案。由于吊橋塔高及架設施工設備的高度對航空管制空中域有負面影響,故未采納①方案,②方案存在對船舶航行、漁業、環境等的不良影響等,因而也未被采納。加之盾構掘進技術在日本已相當發達,故決定按③方案實施。該工程主要由人工島、盾構隧道及橋梁三部分構成,均在海岸上及海底內實施,因此工程技術相當復雜,是綜合技術的產物。
該公路設計車速80km／h,4車道×3.5m（隨著交通量的增加,將來可拓展為6車道）。隧道長9.5km,橋梁長4.4km,為了沉放盾構掘進機并作為施工基地,在大約隧道中部設置直徑195m的人工島（隧道施工完成后作為營運通風豎井）,并在隧道兩端設置人島或通風豎井（其中一端為橋隧結合部）。全線預測交通量：投入使用時間約3.3萬輛／日,20年后約6.4萬輛／日。總建設費用1 004 823億日元（約10 000億元人民幣）。
隧道為雙管道盾構隧道,外徑約為14m,隧道一次襯砌環由11塊管片用螺栓聯結而成,每塊管片厚0.65m,寬1.5m,長約4m,二次襯砌厚0.35m,為鋼筋混凝土結構。
在平均水深27.5m海底開挖隧道,結構要承受海水壓600kPa（最大）的壓力。為了防止海水透漏進入隧道,在管片之間,一次襯砌與二次襯砌之間、管片背面注漿、聯結螺栓防腐以及管片結構材料等方面采用了若干措施,取得好的效果。
在管片周邊粘貼遇水膨脹性止水帶,該止水材料要求具有耐水壓性和耐久性。在管片聯結螺栓周圍安設充填式防水墊圈。在（管片背面）注漿孔內設置緩膨脹性止水環,在其孔口處充填止水材料。為了防止海水進入隧道內,同時考慮減少一次襯砌與二次襯砌之間的約束力,防止二次襯砌開裂,故在一次襯砌與二次襯砌之間鋪設防水層。該防水層采用聚乙烯烴塑料板（EVA）,板厚0.8mm,或聚乙烯一瀝青板（ECB）,其板厚1.0mm,并與厚3mm的無紡布疊合采川,防水板與無紡布呈網格狀粘結（廠制）。二次襯砌不另設止水帶。
該隧道在海底要承受巨大的水壓力,因此作為隧道單元的管片要求具有很高的強度和密實性,管片采用高爐礦渣水泥,礦渣摻入率為50％,從而降低了透水系數,有效控制了混凝土溫度開裂,提高了管片的耐久性（長期強度）。對于加礦渣后（冬季）早期脫模強度較低和干燥收縮裂紋較多兩個缺點,工程上采取了加熱,旨料,用溫水拌和混凝土,并采取水中養生7日以上,加濕保養管片等措施,取得較好效果（早期強度要求1500MPa）。
隧道結構內存在若干金屬件,以及海水下混凝土均應考慮防腐蝕問題。在海底土層中,金屬件的腐蝕速度估計為0.03mm每年,考慮結構100年的耐用期,則鋼材的防腐厚度為3mm,管片混凝土表面增加5cm（外側）或4cm（內側）的防腐層,二次襯砌也考慮4cm的防腐層。螺栓表面采取鍍鋅鉻或氟化乙烯樹脂油漆。
東京灣是一個多地震地區,隧道主要在軟弱粘土地層（沖積層）中通過,又多處與豎升等鉛垂方向結構物相聯結,抗震性能要求極高。
該隧道進行了抗震設計。隧道橫截方向用響應位移法和地震響應法分別進行了校核,表明橫向聯結螺栓已滿足抗震要求。隧道軸向是抗震設計的重點,用動態解析法進行了校核,決定在軸向采用了高強且具有一定柔性的長螺栓（長62cm）聯結管片。
在結構解析中,未考慮二次襯砌,它的作用僅是增加隧道自重,并保護一次襯砌,因此二次襯砌只考慮自重荷載利水壓荷載即可。抗震設計所考慮的地層條件分別為地質構成、地層容重、地層的剛性及衰減系數。
為了能承受海水壓力等荷載,必須提高隧道橫截方向的剛度。為此,將每環等分為11管片,即加入了最后插入安裝的拱頂K管片的尺寸,并采取從前進方向插入安裝的辦法,使得管片呈等分狀,從而提高了盾構環圈的剛度。
該海底隧道長約9.5km,其安全設施及營運通風非常重要。安全設施分為二類：①公路利用者自行使用的（緊急電話、手動報警裝置、滅火器、消火栓、避難誘導標志、避難口）；②向公路利用者通報或警告用的（隧道入口及洞內情報板、信號燈、有線廣播、無線廣播）：③公路管理者使用的（火災檢測器、ITV攝像器、通風（排煙）設備、路面板下部空間通風設備、給水栓、送水口、滅火器、消火栓、水泡沫噴淋裝置、管理用升降口、管理人員通道、電梯、救援用直升飛機機場、船舶靠岸設施等）。
該隧道很重要的一個特點是將管理人員通道及公路利用者避難通道設于隧道路面板下部空間,避難通道入口設于隧道左側檢修道處,按每300m間距設置。該入口設有滑道,即人員一旦進入避.難口,很快可乘滑道到達隧道下部空間（安全檢查區域）。另在該入口附近還設有由下部管理通道上到路面的管理用升降口,以用于緊急情況時滅火、救援活動的通道,還可用于隧道保養維修。
該隧道內設有降煙霧用的水噴淋裝置,按5m間距設置噴嘴,50m為一個水噴霧區段,可在二個區段同時放水。為提高控制火災效果,采用水性泡沫滅火藥劑（3％型）與水混合的水噴霧。該噴霧裝置在消防隊到達現場前可有效控制火災的漫延。
當交通事故或火災發生時,救援人員或救援車輛從受災車輛后面到達現場較為困難,這時可從非火災段隧道通過川崎人工島的車道連接通道到達現場。另外,還可以浮島、木更津兩洞口利用管理通道（下部空間）到達現場,從而有效進行滅火、救援活動。
該隧道按每150m間距設置監視攝像器,可監視洞內任何位置的情況,與報警設施、滅火設施及避難設施等構成一個整體。東京灣海底隧道洞內情況,在日本道路公團東京第二管理局的交通管制室和設施控制室實行24小時不間斷監控。當火災檢測器檢測到火災發生時,要選擇火災聯動方式,即自動切換到將滅火水泵、照明設備、排煙設備、下部空間通風設施、緊急報警裝置等相聯動的狀態；另外,當用緊急.電話報告或ITV攝像器發現火災時,同樣地由設施控制室切換到聯動狀態。東京灣海底隧道的安全設施及其通風系統非常先進、齊全,造價當然也高昂,這是以“優先考慮人的生命”為設計思想形成的。
在川崎人工島（隧道中央部）、木更津人工島（橋隧結合部）、浮島（接岸部）三個盾構掘進出發基地建成,并運來盾構機等施工機械之后,即可進行隧道掘進。盾構掘進共分8個工區,即8個掘進面。總的工序是兩端（木更津島和浮島）先于中央（川崎島）掘進。
該隧道全部采用泥水加壓式盾構掘進機,分別由日立造船、川崎重工、三菱重工、三井造船、小松、石川島重工、日立建機等制造。掘進機外徑14.14m,主機長13.5m；板厚：前倉和中倉為70mm,尾倉為80mm或40mm,盾構掘進千斤頂48只,推進速度45mm／min。
該盾構掘進機在以下5個方面具有特點：
a. 管片的輸送、提升、安裝等工序采用全自動成套系統。
b. 為防止高壓水進入機械倉內,在盾構機后倉尾部擋板外設置了4段密封帚（層）及緊急止水裝置。密封帚由彈簧鋼、鋼絲刷、不銹鋼制鋼網構成,為了防銹,前二者采用氟化乙烯樹脂涂層,每段密封帚長0.25m（最外側為0.3m）。
緊急止水裝置設在（自掘進面后）第2和第3密封帚之間的位置。為提高止水性,在各密封帚之間注入潤滑脂（黃油）,采用黃油注入泵連續或非連續地注入。
c. 為防止管片變形,設置了上下擴張式真圓保持裝置。
d. 為探測掘進面前方有否障礙物以及監視掘進面情況,設置了地下雷達探測裝置。
e. 為了便于與對方掘進機對接,設置了探查鉆孔裝置和凍結管等裝置。整個掘進作業全面納入計算機管理,主要由三個大的系統來承擔,即①盾構掘進綜合管理系統：②掘進方向自動控制系統；③掘進面前方探查與控制系統。另外,為保證隧道平縱線形的正確性,在洞外測量、豎井導入測量、洞內測量、掘進控制測量等方面均采用了先進技術。
盾構機從隧道兩側掘進,對接的精度非常重要。當初從機械誤差及測量誤差考慮,預計對接時錯位誤差為200mm,但在兩臺盾構機到達相對面距離為50m處時錯位誤差為180mm,經過調整,對接時僅為5mm。
對接鉆探采用了無線電放射性同位素（R1）技術（猶如醫生的聽診器）。對接工程順序為：
a. 先期到達預定位置的盾構機停止掘進,撤除盾構機封隔墻后方部分設備,安裝探測鉆頭。
b. 后期到達的盾構機在相距50m處停住,先到盾構機向后到盾構機鉆探,采用無線電放射性同位素（R1）技術測定兩機相對錯位量,即第一次鉆探（探測傳感器設置于鉆桿前端）。
c. 后到盾構機根據此錯位量邊修正盾構機變位量邊掘進。
d. 后到盾構機掘進到30m處時,第二次鉆探測定相對錯位量。
e. 再次邊修正邊掘進,在對接前夕,其刀刃面非常緩慢地靠近對方刀刃面,其間空隙為0.3m。
f. 這時對后到盾構機進行解體,并作凍土保護（地基改良）工程準備。
當兩機之間空隙為0.3m時,對該接合部的地層施作2m厚的環狀凍結處理。凍結管直徑89mm,長4m,按1m間距共48根,呈放射狀,從先到盾構機前面斜向插入地層中,進行凍結,另外,為了使盾構機周圍地層完全達到凍結程度,在兩臺對向的盾構機前端分別2.5m范圍內設置了緊貼式凍結管。為了縮短工期,該凍結管是在盾構機工廠制作時預先安裝上去的（一般的情況是掘進完成后在現場臨時安裝的）。為了確認凍結溫度,分別從兩臺盾構機各插入8根測溫管。待凍結厚度達到2m時,開始拆除盾構機密封墻。
凍結作業中非常重要的是凍結對隧道主體的影響,即凍結后土體體積增大,是否會造成盾構機變位,或引起管片環開裂,為此,設置了沉降測器進行觀測,并通過凍結溫度和速度來控制。
整個對接及貫通施工的作業順序：
a. 由先到盾構機實施鉆探,后到盾構機根據鉆探結果邊修正邊掘進,至到對接位置,然后拆除盾構機密封墻后方的設備（即第一次解體）。
b. 插入放射式凍結管,對地中接合部實施凍結,使其形成凍土,同時繼續進行第一次解體的工作。
c. 第一次解體工作完成后,剩下密封墻,在兩盾構機刀刃盤面之間焊接。型鋼制止水板（暫時留下密封墻是為了防止萬一的情況發生）。
d. 鋼止水板焊接工作完成后,對刀刃面周邊部位進行補強,然后拆除密封墻以及盾構機其它機械部分（即第二次解體）。
e. 在地中對接部設置3環鋼制管片,經鋪設防水板后,澆筑二次襯砌,然后,對凍土進行強制解凍,并實施襯背注漿。
送入洞內的管片由盾構機的自動裝置進行組裝。該裝置由具有3個功能的設備構成：①洞內運送管片的絞車及輸送機（能連續輸送11塊管片）；②升降式管片安裝機（能自動完成旋轉、伸縮等作業,具有自動定位功能）：③螺栓聯結并緊擰裝置（能自動作業）。
管片四周粘貼防水密封條和緩沖材料。密封條在抗壓性、耐久性和施工性三方面均作了試驗,保證能滿足設計的質量要求。
防水板各接口均在現場進行烙接,烙接方法采用熱式自動烙接機。為判斷烙接部的止水性,在該處設置檢查溝,為此采取了雙列烙接,搭接寬8 cm～10cm,烙接檢查采取負壓試驗。鋪掛防水板（含無紡布）時,需要安設鋼筋錨桿作為臨時吊掛支點,該處對防水板開孔,然后將螺母、墊圈、水膨脹橡膠襯圈與吊桿形成整體,并擰固。
二次襯砌工程包括仰拱、側墻、中壁、路面板、上半拱及檢修通道5部分,全部為鋼筋混凝土結構。
二次襯砌每段澆注長度為15m,其澆注接頭處的施工縫或微小錯臺縫需要作適當補修：混凝土澆注后,在區段中可能發生收縮開裂,同樣要作裂縫補修處理,以防止內部鋼筋出現銹蝕。施工縫或收縮裂縫均取0.5mm為管理基準值,補修材料分別采用氨基甲酸乙脂（類）粘接劑（亦稱尿烷類材料）、樹脂砂漿或瀝青類涂料。
東京灣跨海公路所處的水域,其水深約30m,海底地層為淤泥或軟弱厚層,又是地震多發地區,在這樣嚴峻的自然條件下,隧道采用了安全可靠且快捷施工的新技術。開發適合在大水深且海底軟弱地層中施工的大直徑盾構掘進機和相應的隧道結構設計是其具有代表性的新技術。在隧道防災技術方面也采用了新技術,例如將避難通道及管理通道設于隧道下半部窨,形成可避難、救援和消防的完整防災系統。總之,東京灣跨海公路隧道工程所開發出來的許多新技術可推廣應用于今后的盾構隧道工程。
2.3 中國山西省萬家寨引黃工程TBM施工
萬家寨引黃工程是從根本上解決山西水資源緊缺,促進山西工農業生產發展,提高人民生活水平,維系國家能源重化工基地發展的生命工程,由萬家寨水利樞紐、總干、南干、連接段、北干等部分組成。
樞紐工程是在偏關縣萬家寨村西黃河上修建一座90m高的混凝土重力壩,庫容8.96×108m3,壩后建一調峰電站,裝機容量108×104kW,年發電量27.5×108kWh。
引黃工程從萬家寨水利樞紐庫區取水。年引水總量12×108m3。由萬家寨向東至偏關縣下土寨村為總干線,全長44.35km,引水流量48m3/s；由下土寨村分水往南過偏關河穿越管涔山到寧武縣頭馬營村為南干線,全長102.4公里,引水流量25.8 m3/s,每年可向太原供水6.4×108m3；由下土寨村往東過朔州、神頭折北到大同趙家小村水庫為北干線,全長166.88km,引水流量22.2 m3/s,每年可向朔州、大同地區供水5.6×108m3；從寧武縣頭馬營村南干隧洞出口到太原市接水口呼延村水廠為連接段,全長138.60km,包括81.20km的天然河道和57.40km的輸水管線。
引黃工程分兩期完成。一期工程建設總干線、南干線、聯接段和部分機組的安裝,集中解決太原地區用水,一期工程概算112.97億元,其中利用世界銀行貸款4.0億美元,其余建設資金使用水資源補償費。二期工程建設北干線和南干泵站剩余機組的安裝。工程實行國內國際招投標制。工程建成后,基本滿足2020年前或更長一段時期山西省太原、大同、朔州等地區工業及365JT城市生活的用水需要。
總干線的6#、7#、8#洞全長約22km,已于1993年3月由意大利的CMC公司中標承建,使用一臺目前世界上最先進的隧洞施工機械即全斷面雙護盾隧道掘進機（TBM）施工；開挖直徑6.125m；成洞直徑5.46m。于1994年7月至1997年9月歷時三年兩個月貫通。隧洞經過的地質條件大部分為石灰巖地層,局部夾有N2紅土層；隧洞進出口部位均覆蓋著Q2、Q3黃土層；地下水不發育,未遇到較大的地質構造。
南干線的4#、5#、6#、7#隧洞全長約90km,由意大利的Impregil。公司和CMC公司以及中國水電四局組成的萬龍聯營體中標承建,用四臺全斷面雙護盾TBM對該工程全線進行施工。
南干4#、5#、6#、7#隧洞地質條件主要為灰巖（前57km）和砂巖、泥頁巖互層（后33km）。6#洞有溶洞、地下水和局部軟弱層。7#“洞有地下水、煤層、膨脹巖和摩天嶺大斷層,其影響帶約長300m。隧洞開挖直徑4.82 m ～4.94m,成洞直徑4.20 m ～4.30m。南干4#、5#、6#、7#隧洞于1997年9月至2001年5月歷時3年8個月貫通。
聯接段7#隧洞長13.5km,采用一臺全斷面雙護盾TBM施工,并且已經由意大利CMC公司中標承建。隧洞地質條件為灰巖、泥質灰巖和泥質白云巖,地下水位低于洞線。隧洞開挖直徑4.819m,成洞直徑4.14m。目前,該隧洞正在掘進中,并創造了最高日掘進113m和最高月進尺1645m的記錄。預計2001年年底以前該洞能建成完工。
綜上所述,山西省萬家寨引黃工程總計采用6臺TBM進行無壓引水隧洞的施工,其掘進總長度為125.5km。
掘進機是這樣工作的：后盾通過緊固裝置,牢牢地固定在洞壁上,而后驅動電動機在推進液壓缸的作用下,帶動刀頭破巖,此時配套輔助設備均停留在洞內,棄碴由周邊鏟斗不停地鏟起,通過漏斗和溜槽卸到工作面的皮帶運輸機上,出碴列車在皮帶機底部接碴。在后盾的安裝室,同時進行調運和安裝混凝土管片,并在安裝好的管片背后和圍巖之間充填豆礫石和灌漿。在掘進過程中,可控制推進液壓缸的油量來完成掘進機的轉向。
當刀頭與前盾向前推進完成掘進,暫停工作后,前盾借助加緊裝置固定在巖壁上,后盾則通過推力液壓機缸的反作用力,向前推進,后續列車由固定在刀頭支架上的一組特別牽引液壓機缸向前推進。在后續列車前移時,通過操縱相應的裝置,自動延伸風筒、水管、電纜和軌道,至此即完成了一個循環的破巖、石碴裝運,延伸管線的工作。
掘進方向的掌握是依靠安裝在機頭上的激光導向系統產生的激光束反映到光目標上,再反映到測斜儀上,為操作人員提供刀頭和前護盾的位置信息,該信息與理論軸線的差異可以精確到毫米。根據掘進的速度及進尺每隔100m左右向前移動一次激光機。對TBM單向掘進貫通精度的要求如表1所示。
表1 TBM單向掘進貫通精度的要求
全部貫通測量精度
橫向≤280mm
縱向≤570mm
豎向≤40mm～60mm
注：表中豎向精度根據無壓引水隧洞底坡的大小決定。底坡大,取上限值。底坡小,取下限值。
此外,在TBM上安裝瓦斯探測器對可能存在的瓦斯進行監測,發出警告聲,并能自動中止TBM的工作。
雙護盾TBM的特點是開挖、襯砌一次完成,邊開挖、邊襯砌。混凝土預制管片做成六邊形蜂窩狀。安裝程序是將預制管片由專門運輸車運到距開挖工作面約40m處,再改由專門起吊裝卸設備轉運到距開挖工作面約8m～10m的后護盾內,先裝底拱片,再裝邊拱片,最后裝頂拱片。由于形狀為六邊形,所以每環的底片和兩側邊拱片相差半片寬度,邊片和頂片也相差半片寬度。這就使得每環的環縫均不在同一斷面上,各片各環間形成相互約束。
襯砌管片安裝后和TBM掘進的洞徑之間存在著5cm左右的空隙,這也就是TBM護盾殼的厚度及其對圍巖的摩損形成的,必須用混凝土填充,使其密實。因此采用先回填豆礫石（粒徑為5 mm～10mm）再用水泥漿灌注,使其成為預壓骨料混凝土,既保證了施工期間管片的穩定又能使管片和圍巖接觸緊密,形成整體共同承受外力的作用。回填程序為先填底拱片,再填兩側邊拱片,最后填頂拱片。豆礫石也是由專門罐車運入洞內,由泵通過軟管及管片上的預留孔打入空隙,灌注水泥漿時壓力不超過0.2MPa。
每臺TBM有三個班組,其中一個班組每日上午進行機械檢修、保養、清理、測量等工作,其他時間為正式掘進、管片安裝、回填豆礫石、灌水泥漿等工作,由其余的兩個班組輪換工作。
預制混凝土管片每環均分為4片。根據不同洞徑,管片厚度分別為22cm、25cm和28cm：管片寬度分別為1.2m、1.4m和1.6m。又根據圍巖類別分別設計為A、B、C三種型號和A、B、C、D、E五種型號。混凝土管片在預制廠進行加工生產,根據掘進速度及進度要求,確定預制廠的生產規模及作業班次。管片廠采用蒸汽養護快速生產的工藝流程,包括鋼筋加工、混凝土澆注和養護。混凝土入倉后通過液壓振動臺及人工插入振搗聯合作業振搗,澆注好一片后推入預熱窯,經過0.5h和50℃的預熱后馬上轉入高溫窯進行蒸養,溫度為80℃,養護時間為2 h～3h。出窯脫模后,吊運到廠房內部的預冷場預冷一晝夜,然后再轉移到露天存放或使用。在預冷期間要對每個管片進行外觀檢查,如發現有蜂窩、麻面、掉邊角等質量問題,則馬上進行修補,對不能修補或修補后仍有損強度或其他質量問題的,則運到廢品處放置或作他用。
掘進中遇到的問題有以下幾方面：
a. 溶洞
該工程在TBM掘進到總干6#洞時曾經遇到兩處較大的溶洞,其體積約為30 m3~50m3。采用以下方法處理：先停機,然后通過機頭上的人孔對溶洞的情況進行觀察,再根據對溶洞的檢查情況,首先對底部進行豆礫石或混凝土回填并使其密實,當底部全部填到洞子開挖直徑的高程時,則開動機子,邊前進、邊安裝管片,對兩邊管片上開鑿人孔對兩側及頂拱溶洞的其他部位進行填筑骨料灌漿或填筑混凝土,使溶洞部分都用混凝土填密實,并且和安裝的管片結合成整體,起到完整圍巖的作用。
為了預防因巖溶造成機頭下沉的事故,用于巖溶發育地段施工的TBM應配有超前鉆探設備。超前鉆探的深度應大于每日的掘進長度,以確保TBM掘進的安全。時間可安排在每日TBM檢修時進行。
對于一些小溶洞的處理,可在TBM掘進通過后,向襯砌管片與圍巖間回填豆礫石后,再通過灌漿固結即可。南干6#洞也遇到溶洞,同樣進行了處理。
b. 斷層
摩天嶺大斷層是南干7#洞內一區域性大斷層,其影響帶大約為300m長,為構造角礫巖1999年5月28日,掘進機開挖至摩天嶺斷層影響帶,發生了卡機事故,不得不停止掘進。
卡機事故發生后,首先是打超前鉆,進行超前化學灌漿、水泥灌漿：接著打上導洞,對TBM前、上方進行化學灌漿和水泥灌漿,再對前方塌方體進行了水泥灌漿。8月8日,上導洞前方發現一大空洞,再用水泥回填灌漿。在對塌方體進行固結灌漿的同時,將TBM刀盤附近的松散巖體進行開挖,確保了TBM在8月31日啟動成功。
因松散巖層對TBM后護盾壓力過大,造成后護盾變形,管片安裝護盾的一半連接螺栓折斷。采取了加焊鋼板的措施,使TBM在邊掘進邊處理中穩步通過。
經過100多天的晝夜奮戰,TBM掘進機于9月7日順利通過大斷層。
c. 膨脹巖
由于膨脹巖的膨脹、收縮、崩解、軟化等一系列不良的工程特性,TBM在通過7#洞2.5km長的中、強膨脹巖地層時采取以下措施：a.加強襯砌支護：有關資料表明,7#隧洞強膨脹性巖的飽和極限膨脹壓力可達到3.0MPa以上,因此在襯砌管片的結構設計時,充分考慮圍巖膨脹力對管片可能施加的荷載,確保襯砌結構安全。b.做好止水防滲：施工時,特別注意襯砌管片接縫寬度的控制和止水條安裝的質量。膨脹巖的含水量損失越小越好,防止圍巖崩解、軟化而使TBM下沉等事故的發生。c.增大開挖斷面：為了預留一定的圍巖膨脹變形量,施工時增大邊緣滾刀的外凸量或在TBM刀盤邊緣加焊鏟齒,以實現擴挖的目的。擴挖量的大小應根據TBM通過巖層的工程性質及圍巖和隧洞的穩定性監測數據來調整。
d. 土層
掘進中總干6#洞遇到較長一段N2紅土層,而且含水量較大,形成塑性從而造成粘刀頭的現象,使切削下來的粘泥不能較順利地從出渣漏斗排出。只好采用人工從出渣漏斗一點一點往外掏的辦法將其排除,進度非常緩慢。當然,如果所掘進的地質條件全部屬于這種地層,則可選用盾構機。
土層中還遇到機頭下沉,這在總干7#洞的Q2、Q3黃土層內出現過,其中有一處最大值達30 cm～50cm,使洞底在此處形成低洼段。主要是TBM操作者沒有提前將機頭上抬、使其逐步爬坡以抵消其下沉。其原因是沒有對此類地層承載能力能否滿足TBM機頭這樣大的壓力估計不足造成。
e. 錯臺
錯臺是管片安裝中普遍存在的一個問題,總干6#、7#、8#和南干4#、5#、6#、7#隧洞襯砌的每一圓環都是由4片管片組成,塊與塊間,環與環間都應嚴格按照設計要求組裝。但由于管片和圍巖有5cm左右的間隙,要求安裝管片時一是精心對縫,二是要立即回填豆礫石和灌漿,將管片和圍巖間空隙填死,使管片穩固和不產生變位。合同要求接縫平整度不超過5mm,實際有些竟達到20mm～30mm之多。產生錯臺原因主要是操作不熟練和操作不認真。錯臺表面用砂漿摻膨脹劑進行勾縫。
在聯接段7#洞TBM施工中,承包商與業主、設計單位、監理單位合作,對管片設計、管片安裝、回填豆礫石與灌漿等等方面進行了改進,使接縫90％以上合格（即錯臺小于5mm）。
f. 密封問題
TBM的大密封損壞是一件大事,大密封是用于封閉旋轉刀盤和TBM護盾之間的間隙,避免灰塵雜物進入驅動缸體或護盾殼內,要求密封條應耐磨有彈性,能適應由于弱性變形引起的密封間隙加寬現象。這要求密封材料具有最大的適應變形的能力,在溫度不超過100℃的情況下,材料特性保持不變。TBM開挖室的溫度一般在40℃以上,加上電動機散熱,使密封唇摩擦生熱很快超過允許溫度。因此,需用多排密封并列放置,形成環形室,再通過向環形室注油來控制密封升溫,同時加強監測工作保證TBM正常運轉。當然,有時由于護盾刀口變形超過密封允許形值,使開挖石渣進入刀頭與護盾殼間,加上刀盤旋轉產生的抽吸作用使密封損壞,也有時由于支撐力從刀頭傳遞到主軸承發生偏心。
山西省萬家寨引黃工程引水隧洞先后使用了6臺雙護盾TBM進行施工,是到目前為止國內應用TBM最多的工程。
實踐中的經驗教訓可初步歸納以下幾方面。
a. 長隧道采用雙護盾TBM進行施工,具有快速、安全、掘進和襯砌同時完成的優點。萬家寨引黃工程TBM施工證實了這一結論。
通過業主、設計、施工和監理諸方面的合作,總結經驗,吸取教訓,從總干6#、7#、8#隧洞施工質量不能令人滿意,到聯接段7#隧洞施工質量達到以下令人滿意的指標：
①開挖誤差控制到水平方向±150mm,垂直方向（即豎向）±50mm。
②管片安裝錯臺90％控制在5mm范圍內,管片接縫基本合格。
③豆礫石回填和水泥灌漿基本達到滿填滿灌,一次完成。
④管片接縫勾縫平滑、均勻、無微細裂縫,粘結緊密。
⑤管片生產、安裝無明顯破損或其他質量缺陷。
⑥創造了TBM最高日進尺113m和最高月進尺1645m的記錄。
b. 長隧洞采用TBM施工必須進行地質超前預測預報,否則遇到不良地質將不僅會拖延工程進度,而且會使工程陷于被動。
c. 長隧洞采用TBM施工而成洞直徑不大（例如本項工程南干D=4.30 m～4.20）時,要十分重視洞內輕軌車輛交通安全,避免人員傷亡。萬家寨引黃工程南干TBM施工的洞內交通事故死亡5人,傷2人。
d. 采用雙護盾TBM進行隧洞施工時,必須對管片安裝人員先培訓后上崗,或聘用具有管片安裝經驗的操作人員,否則初期管片安裝質量和進度不能得到保證。
e. 雙護盾TBM掘進時產生的巖粉,沉積在隧洞底部120°范圍內,并且巖粉被主機自重壓得十分密實,水泥灌漿難能灌入巖粉層,形成強度低于灌漿后豆礫石層的一個弱層。
f. 由于萬家寨引黃工程所用的6臺TBM全部是雙護盾式,只能在護盾底部或側面觀察小窗口了解圍巖情況,使得地質填圖工作十分困難,這是雙護盾TBM的缺點。
g. 采用雙護盾TBM并配合預制管片襯砌進行隧洞施工的工程,只適用于無壓引水的水利水電工程。當然,公路和鐵路的隧道不輸送水,這種型式TBM是能充分發揮作用的。
3 長隧道TBM施工中的若干問題
3.1 超前地質探測問題
由于長隧道在施工前的地質勘查不可能做得十分詳盡,因此常常在施工中出現一些不可預見的地質災害,例如涌水、巖溶、瓦斯、斷層、膨脹巖、高地應力、圍巖大變形等。我國在60年代修建的成昆鐵路全線共有415座隧道,其中發生涌水問題的占93.5％。在危地馬拉的Rio Chixoy水電站的27km長的供水隧道中,因遇到巖溶,一臺TBM被埋在一個侵蝕洞穴。委內瑞拉的Yacambu隧道長27km,其圍巖收斂變形每分鐘達到20cm,致使TBM無法完成掘進而停工。萬家寨引黃工程南干7#隧洞遇到摩天嶺大斷層（影響帶長達300m）,因進行工程處理而延誤工期達3個月之久。因此,TBM在掘進過程中,必須有超前地質探測的保證。
TBM在掘進過程中,通常每天在停機維護的期間,用多方向支撐液壓鉆機進行超前鉆探,預測可能影響掘進的問題或異常現象。但一般超前鉆探約20m～30m,TBM掘進速率每天超過20m～30m時,則不能滿足預測的需要。地質超前預報還有隧道地震預報法、高密度電阻率CT法和地下雷達法。
在20世紀70年代末,美國科學家發明了地下雷達（又稱地質雷達或探地雷達）。80年代以來,逐步臻于完善,進入了實用階段。我國于90年代研制出了PEIR－9001型礦用本安型探地雷達和TL一1A型探地雷達[4]。
法國巴黎Eole工程在TBM掘進過程中利用地下雷達進行了超前探測[1]。該工程共進行了十二組雷達搜索,總長577m,徑向范圍為鉆孔周圍5m范圍內。地下雷達探測獲得了以下三方面的信息：低非均質雷達區,指示減壓區、低密度泥灰巖；局部能量反射,指示有石膏體、水囊、或空穴存在；光點,說明可能有破碎帶或界面變化。掘進過程證實了雷達結果。日本東京灣跨海公路隧道（1989—1997）也利用了地下雷達進行超前探測[3] 。地下雷達的主要優點在于可無損、快速、準確探測到TBM前方的具體地質困難及其位置,以便及時采取有效措施進行處理。今后地下雷達必將在TBM施工中發揮重要的作用。
3.2 長隧道工程質量的檢查驗收問題
TBM施工長隧道具有快速高效的特點。但是,對這些長隧道施工質量的檢查驗收通常靠利用回彈儀、鉆孔抽查等常規手段。這些手段不能對隧道全線的工程質量作出全面完整的可靠的檢驗。瑞士安伯格測量技術有限公司研制出TS360型系列隧道掃描器[5]滿足了隧道全線工程質量檢測的需要。其中的TS360BT型隧道掃描器能測繪出襯砌表面后的缺陷。此儀器安置在運載車上,以每小時2km～4km的速率沿隧道前進,儀器上的掃描鏡呈360°的旋轉,于是掃描器記錄下隧道沿程一條螺旋線上的溫度差異的信息。經過對記錄下的信息資料的數據處理,便可了解到襯砌質量的狀況。此儀器已被多項隧道工程用來進行質量狀況的檢測,例如瑞士的Baregg隧道（1990年）、蘇格蘭的Inver隧道（1991年）、英格蘭的Saltwood隧道（1992年）、瑞士的Fuchsenwinkel隧道（1993年）和法國的St.Germain隧道（1994年）。可以預見隧道掃描器將在長隧道TBM施工質量檢測中得到進一步的應用。
3.3 長隧道中TBM施工的安全問題
TBM在長隧道中施工,萬一發生事故,施工人員是難能迅速撤離出洞的。因此,TBM必須配備可靠的安全保護系統。總的采講,TBM施工的事故遠比鉆爆法小[2]。例如,TBM法施工的長49.2km的英吉利海峽隧道事故死亡10人；而鉆爆法施工的長度與英吉利海峽隧道相近的日本青涵隧道長53.9km死亡達34人。
TBM施工中發生水、火災害的風險不大,但是丹麥GreatBelt工程[1]隧道4臺TBM在施工中就遇到了罕見的水、火災害。1991年10月14日在該工程西面掘進的兩臺TBM中的南線TBM工作面,發生了嚴重的涌水事件,在沒有任何前兆的情況,海水突然沖破了約12m的覆蓋層,進入了機體,涌水形成了洪水,沖壞了西面的兩臺TBM。后來又在1994年6月11日該工程東面的一臺TBM發生了嚴重的火災,TBM驅動刀頭的12臺液壓馬達中的一臺的液壓管路被燒斷,噴油著火,燒毀了該臺TBM。幸運的是這兩次事件均未造成人員傷亡,特別需要指出的是嚴重的火災持續了17小時,周圍溫度高達700°左右,優秀的防爆系統和安全保護系統自動啟動,防爆緊急電源開始工作,自動氧氣罩的供給,保證了施工人員的安全撤離。這個實例強有力地說明TBM施工必須有可靠的安全保護系統,同時也充分地說明只要采用了可靠的安全保護系統,TBM的施工安全是可以得到保證的。
3.4 長隧道的出口
當隧道采用TBM獨頭掘進長度超過20km,又無條件增設支洞或豎井時,將會由于向洞外出渣運距加長,向洞內運送人員、物資時間增加等原因,而降低TBM的效率。同時萬一洞內發生意外事故,增加人員的危險性。因此,通常在單條長隧道情況下,大約需要每隔l0km～15km設置一出口。
3.5 洞內交通安全
長隧道內徑不大的洞內交通安全是一項需要引起足夠重視的問題。本文工程實例之一的我國山西省萬家寨引黃工程南干4#、5#、6#、7# 隧洞使用4臺TBM施工（總長約90km,內徑4.30 m～4.20m）,施工人員因忽視洞內列車往來的安全,導致5人死亡2人受傷。
3.6 TBM的部件儲備
長隧道采用TBM時,TBM的一些零部件容易摩損,需要更換。因此,必須有一定數量的易損部件的儲備,否則會導致停機待料,延誤工期,造成損失。通常部件庫存量應是整機數量的10％,其供應系統應有充足的貨源,完善的庫房,良好的運輸和通訊條件以及高效的管理人員。
4 發展趨勢
世界各國大力發展經濟,提高生產,導致大量的物資交換和文化交流,同時也要求不斷改善環境。這必將推動長隧道的修建。隨著歐洲聯盟各國的政治經濟一體化,運輸系統的運輸能力需要迅速提高,預計在今后20年里運輸量翻番,而阿爾卑斯山脈為歐洲南北運輸筑起了一道天然屏障,大部分貨物只得通過高速公路由汽車運輸,造成環境問題（當地自然條件的破壞、大氣污染和噪音等）,使居民越來越無法忍受。為此,計劃從Rosenheim穿過阿爾卑斯山脈至Verona修建一條自動化地下貨運鐵路線,按雙洞單軌布置,單洞總長大于500km。在國外擬建的長隧道還有：法國Lyon至意.大利Torin的長約54km的隧道；西班牙與摩洛哥之間穿過直布羅陀海峽的長約50km的隧洞；聯接亞洲與美洲的長約90km的白令海峽隧道；南非萊索托高原水利工程6條隧洞總長200km。在國內除南水北調西線第一期工程隧道總長244.1km,其中最長的73km的隧道以外,計劃的還有渤海海峽隧道長約57km；瓊州海峽隧道長約30km以及祖國實現統一后長約144km的臺灣海峽隧道等。
上述這些長隧道工程要求不斷完善TBM,使之能更好地滿足工程建筑的需要。TBM的發展趨勢可歸納如下：
a. 要求TBM能更適應不利的地質條件。例如,上面提到的穿越阿爾卑斯山脈單洞總長大于500km的鐵路隧道,其覆蓋深度達1200m至2400m,圍巖初始應力高,圍巖徑向變形可能在10cm～20cm范圍內,在某些極端情況下,可達30cm,甚至更大,要求TBM的開挖直徑是可變的。此項工程開挖直徑約6.5m,共需20多臺TBM同時在不同的圍巖中掘進。因此,對TBM應進行專門的設計以滿足開挖直徑可變的要求。這樣從發展趨勢來講,將趨向于兩極化。這就是既要設計能適合復雜地質條件使用的、費用高的多功能TBM,又要生產用于地質條件簡單的、廉價的TBM。
b. 目前公路隧洞因多車道的需要,要求大斷面。三車道或三車道以上要求路面寬至少大于20m,有的甚至達到30m[1]。直徑達20m～30m的TBM正處于“預研究”階段。預計今后TBM將更大直徑化[6]。因此,大直徑TBM的設計制造和部件運輸組裝是其技術上的主要趨勢之一。
c. 未來的發展方向之一是全自動化TBM[1]。
d. 由于計算機硬件和軟件的迅速發展,TBM計算機優化設計和施工系統的開發也是發展方向之一。e. 目前主要用于工業和民用管道施工的微型TBM發展很快[7]。微型TBM技術水平日本居世界首位,
其次為西歐。
總之,TBM已在全球長隧道工程中得到越來越多的應用,并且其技術水平日益得到提高。展望未來,TBM的應用前景將是寬廣而喜人的！