张集煤矿-820m水平西翼轨道大巷TBM施工技术研究与实践

陈晨

淮河能源集团煤业公司张集煤矿，安徽淮南 232001

摘要：全断面掘进机(TBM，TunnelBoringMachine)施工法，作为一种先进的巷道施工方法，相对于传统的施工方法，具有快速、经济、安全、环保等优点。但引进一项新的技术，仅仅引进设备是远远不够的。需要从理论和实践中不断地总结和提高。本文介绍了TBM的工作原理。TBM技术是一项新型的巷道施工技术，其主要以TBM为核心设备，以大型现代化装载运输机械为辅助设备，采用全断面掘进机法施工，掘进、出渣、衬砌、灌浆等工序一次完成，全断面一次成型，施工进度快，安全性好，通风要求低，衬砌支护工程量少。

关键词：巷道；TBM；施工技术；原理

  TBM采用了类似机器人的技术，是集机、光、电、气、液、信息技术于一体的隧道施工成套专用设备。目前已广泛应用于地铁、公路、铁路、水电、市政等隧道工程，具有安全、快速、自动化程度高、对环境影响小、实现工厂化作业的特点。张集煤矿实施TBM施工技术巷道，取得较好效果。

1工作原理

首先利用旋转刀盘上的滚刀挤压破岩，通过旋转刀盘上的刮刀拾起石矸，落入链板机上向后输送，再通过连续皮带机实现运渣；其次在尾盾内拼装钢管片来支撑围岩，通过钢管片壁后注浆与岩壁形成整体，为刀盘和前盾体及后配套前行提供推进反力；最后用拆片机拆除管片运输至前方复用，暴露出的围岩利用机载临时支护防护，后进行永久锚网喷支护。

2 TBM施工的优缺点

2.1TBM施工的优点

　　（1）快速。TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴 、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。

　　（2）优质。TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。

　　（3）高效。TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。

　　（4）安全。用TBM施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。

　　（5）环保。TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境； 如果使用双护盾TBM还可以减少隧道内水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。

　　（6）自动化、信息化程度高。TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。

　  2.2 TBM施工的缺点

　　TBM的地质针对性较强，不同的地质条件和隧道断面，需要设计成满足不同施工要求的TBM，同时配置适应不同要求的辅助设备。

　　（1）地质适应性较差。

　　TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型高地应力巷道、软岩大变形巷道、可能发生较大规模突水涌泥的巷道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。

　　（2）不适宜中短距离隧道的施工。

　　由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。

3工程概况

张集煤矿-820m水平西翼轨道大巷是为解决西三采区A、B组煤下采区排水、通风、运输、下山掘进等问题，保障矿井健康可持续发展的系统工程；设计工程量3200m，设计掘进断面Ф5.5m，巷道位于-820m水平井底车场西侧，布置在4-2煤层底板、1煤顶板岩层中，作为西二A、B组煤采区系统的生根巷道，东与-820m水平井底车场连接，西至西三下采区，南与-820m水平西翼胶带机大巷平行。

4设备简介

（1）该设备集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高度机械化和自动化的大型掘进成套设备，具有破岩、出渣、行走、管片拼装、同步注浆、管片拆卸、锚杆网支护，以及超前探查、导向、防爆、集控等相关功能；

（2）开挖直径5550mm（管片外径5340m，壁厚注浆厚度105mm），设备总长度186m（含90m循环管片），主机长度7m（刀盘0.8m，前盾3.4m，尾盾3.8m）。

总装机功率2350kW，驱动功率1500 kW（6个250 kW变频调速三相异步电动机）；最大总推力 27790kN，主推油缸16个，直径390mm，最大推进行程1.6m，最大推进速度 100 mm/min；最小转弯半径100m；转速0～2.4～4.8rpm；驱动扭矩5140kNm，脱困扭矩6420 kNm。

（3）该设备适应煤矿软岩、断层、破碎带等复杂施工条件；岩石硬度f=3~15、坡度±15°，曲率半径不小于100m。

5创新技术

  5.1透明地质（超前探测技术）

利用地面精细三维地震勘探保障（三维） 、盾构掘进实时震电双探技术保障（物探） 、超前钻探地质保障（钻探），探明盾构机作业线施工前方岩性、构造破碎带、 层位及富水区等情况，保障盾构机作业线安全快速掘进，实现实时采集、自动处理、动态分析和超前预警、钻探验证综合地质保障。

5.2可复用管片支撑推进工艺

护盾式TBM利用采用拼装好的钢管片提供盾构机前进反力，每推进一环（1.5m左右）换步安装管片，再进行下一循环。

5.3可复用管片拆除、复用工艺

本工艺采用可复用钢管片设计，钢管片在尾端拆除，通过“吊梁+喂片机”运输到前端安装复用，倒锥形设计，方便钢管片由内部进行拆解。

5.4围岩超前治理技术

复杂条件下，开挖松软破碎岩体时，破碎岩石会随即掉落至掌子面，造成开挖腔体扩大，出货和注浆量增加，围岩动压影响加剧，先采用满仓推进，减少破碎围岩的垮落范围，在此设备推进仍困难，存在卡机现象时，就必须对围岩进行超前注浆加固治理。

5.5管壁注浆技术

对煤矿复杂地质条件承载钢管片壁后注浆关键技术参数进行探索，选取合适的注浆设备、材料及工艺，实现TBM快速推进和钢钢管片循环利用。

5.6管尾临时支护工艺

设计新型机载临时支护，具备伸缩前移功能，能够实现分片操作。安装在管片拆除机后方，在顶部管片拆除后，及时对空顶区域进行有效防护。

6工程施工应用现状

该工程于2022年6月16日早班开始试掘进， 由于选用技术先进、质量可靠、量身制造的TBM设备，采取有序的施工组织，利用TBM施工是完全可行的。通过对该巷道TBM选型及施工关键技术研究可知：（1）TBM集地质、施工、电气、机械、液压于一身，属于知识密集型生产项目施工，具有快速、高效、优质、经济、安全、环保的优势和特点。（2）巷道施工时将不可避免地遇到地质灾害性问题，主要是突涌水和岩爆，施工中需遵循“先探后掘”的原则，及时准确地进行超前地质预报，并采用多种地质预报手段相结合的综合方法，提高信息解译精度。