巷道施工：TBM在塔山煤矿特殊条件下的使用.doc

TBM在塔山煤矿特殊条件下施工中的应用
刘 文
大同煤矿集团技术中心，山西 大同 037003

摘要：介绍了TBM在塔山煤矿掘进施工中的应用，总结了TBM系统用于煤矿建井中的施工流程和主要工艺，以及在煤矿特殊条件下的施工技术。应用结果表明，TBM系统是煤矿建井实现快速、高效、安全、环保的一条新途径。
关键词：TBM；煤矿；施工工艺
Application of the TBM under the special condition constructs in Ta Shan coal mine
Liu Wen
（Technology Centre Da Tong Coalmine Group Co. Ltd. Shan Xi Da Tong 037003）
Abstract: Introduced TBM digs into the under construction application in Ta Shan coal mine. Tallying up the system of T used for the coal mine to set up the construction in the well process and main crafts. And under the condition of coal mine special of construction technique. Apply the result enunciation ,TB M is a coal mine to set up the well realization fast, efficiently, safety, environmental protection of a new path.
Key words :TBM；coal mine；the process of construction

TBM（Tunnel Boring Machine，即：隧道掘进机）是集机械、电子、液压、激光、控制等技术为一体的高度机械化和自动化的大型地下隧道开挖、衬砌支护的成套装备系统，主要应用在水工和公路隧道工程中。在煤矿全岩巷道掘进中，基本上仍采用传统的钻爆法施工，塔山矿井系国家“八五”新建项目，2003年2月6日开工建设，预计
2006年5月1日正式投产出煤。为缩短矿井建设周期，大同煤矿集团有限责任公司首次在塔山煤矿的主平硐施工中应用了TBM系统。
1、TBM系统简介
塔山煤矿使用160系列155—274型 TBM全断面隧道掘进机是由美国罗宾斯公司制造，于1992年引进，曾在著名的山西省
引黄隧道工程中应用。该系统由主机和后配套系统组成，后配套平台车上的主要设备由辅助设备液压电力系统、皮带机、物料进出设备系统、推车器、吊运设备系统、巷道支护系统以及风水供应系统等，全运行在隧硐底部铺设的轨道上。全部系统组装后总长度超过300m，总重量约为600t。
2、巷道施工流程与施工工艺
巷道施工流程如下图

2.1、准备巷施工与TBM地面组装
准备巷道设计长度为100m，根据实际掘进揭露情况，其中表土段为26m，风化岩段和基岩段为84m。表土层选用明槽开挖的方式施工，基岩段采用钻爆法施工。
TBM在硐口外的组装场组装。组装在进硐前的滑轨之上进行。TBM在进入表土硐段时，仍在滑轨上借助外力缓缓滑行，在后配套跟进过程中，依序铺设轨枕和轨道。TBM在滑行进入基岩段的起始段后就可以依靠自身的力量和功能开始进行掘进施工了
2.2、TBM 施工工艺
2.2.1、开挖工艺
开挖时，前护盾和刀盘在主液压缸的推动下前进。刀盘在马达带动下旋转时，使刀盘上均匀分布的刀具紧压岩石并围绕自身轴转动。岩石在刀具的强大压力下破裂，被转动的铲斗收集进入皮带机输送系统。抓器互盾（后互盾）上的一对大型支撑掌在4只液压缸作用下紧紧撑住硐壁，为前护盾和刀盘的前进提供推力。TBM运行循环包括两个阶段。
第一阶段，刀盘在马达带动下选择掘进时，后护盾保持不动为其提供推力。皮带机向出渣车装料，整个后配套系统保持静止。
第二阶段，刀头停止转动，前护盾被稳定器支撑而固定于隧硐围岩壁。这时，通过液压缸反作用来拖拽后护盾向前运动。本阶段结束时由专用液压缸带动牵引杆拖动后配套前进。如此往复，然后接着进行下一个开挖循环。
在上述第一阶段，TBM还需完成轨枕的安装（当未安装钢轨的轨枕长度达到12.5m时，接长钢轨）。位于开挖断面底部的预制的钢筋砼轨枕在就位时，应安放好塑料连接销，并在辅助液压推力缸的作用下挤紧。当安装钢轨时，应在每组固定螺栓处的轨枕表面上安放一片塑料垫片作为缓冲。钢轨通过压板由螺栓紧固在事先预埋有塑料螺纹套管的螺孔内。
在第二阶段，在后配套平台车向前移动时，多种用于隧洞内服务的设施（通风管、电缆、高压软水管及轨道）将通过各自的装置自动延伸。
计算机控制的ZED激光导向系统可向操作员提供刀盘和前护盾位置相对于理论隧硐轴线的、精度达到毫米的误差。
操作员在驾驶室通过液压系统来控制TBM的掘进速度，监测TBM的位置和开挖方向。需要时操作员可随时进行TBM的方向修正。
开挖出的渣料，通过出渣系统输送到硐外。出渣系统为轨道车输送系统。
2.2.2、整帮成型
断面扩挖在TBM后配套后的适当部位进行，采用爆破法。其作业在TBM工作时间内进行；而其清渣则可部分利用停机检修时间。钻孔、清孔、裂石、清渣。开挖过程可以分成较短的工作段，既可连续进行，也可以间隔进行。
2.2.3、支护
锚喷支护在后配套的滚动支撑段内进行。喷射砼采用湿喷、低回弹技术。
喷射砼原材料在巷道外面进行配合，然后运进硐内。
2.2.4、其他工艺系统
采用轨道运输车出渣的运输方式。出渣列车的装运量为TBM 两个掘进循环（每个循环进尺为1.2m）的渣料。当运渣列车到达硐口时，一个岔道口将把列车置换到配有推车器的渣斗翻车机所在的后部轨道上。
隧硐通风以压入式通风为基础，根据煤矿施工的特点以及煤矿安全规程的有关规定，将原机组配套使用的2×55kW二级串联轴流风机直径为600mm的柔性风筒更改为2×75kW串联对旋风机直径为1200mm的柔性风筒将新鲜空气输送到施工工作面，满足了煤矿施工时防治瓦斯、一氧化碳等有害气体的要求，从而保证了巷道的安全施工。
根据下山巷道掘进施工的特点，采用ZW40-16污水泵3台， 3″排水管3根将工作面的积水排入后配套污水箱内，经污水箱净化后，通过排污泵150D-30×6及6″排水管将积水排出硐外。
2.3、TBM解体与撤退
根据煤矿施工的特殊性，TBM掘进到位后，必须在其掘进机机头处开掘一个解体硐室，TBM在此位置进行机组解体撤退 。
2.3.1、解体硐室规格与施工
解体硐室规格规格为：长×宽×高＝25000×8000×10000mm（半圆拱形）。采用台阶爆破法分四阶段掘进，首先从在TBM机头后搭设的工作平台以45°倾角，采用导硐法向上掘进到解体硐室的顶板，在沿顶板掘支第一台阶，到位后将导硐由外向里刷大到设计宽度，其余三个台阶均以全宽掘进。
2.3.2、机组解体撤退

拆机工序为：TBM电缆拆除→TBM液压管路及附件拆除→给排水管路拆除→后配套拆除→皮带机拆除→1#底车拆除→主机拆除。
主机需在井下用氧乙炔气切割分块，并焊接起重吊耳后装运出井。
所有部件的装运都采用井下专门设计安装的龙门吊，并配合各种规格型号倒链和千斤顶等装上专用重型平板车运输出硐。
3、特殊条件下的施工技术
掘进至桩号2+053m 时，TBM 掘进工作面前方呈现大面积方解石，经钻孔与炮掘探测，发现溶洞，溶洞充满水。经过一段时间排水后观察到溶洞向隧洞轴线左前方、机组内侧发展，具体体积、深度无法估计；且随着排水的进行，水面下降，溶洞内壁出现裂缝。溶洞出现后，采取潜水探测等各种手段对溶洞进行了分析，溶洞结构见下图。

由溶洞结构图可以看出，除隧洞轴线左下侧溶洞水深不明外，其余尺寸均很明了。根据这一结论，通过方案比选，最终确定了应用导硐回填施工法过溶洞的工艺技术：先用钻爆法施工导硐向前掘进，渣料回填到溶洞内，待溶洞填满(表面)后，铺设TBM 滑轨，TBM 滑行通过溶洞。历时45天，成功穿越寒武纪溶洞。
主平峒掘进到桩号2+690～2+942，巷道岩性为铝矾土的地段时，由于铝矾土遇水膨胀，隧洞多处出现垮塌和冒顶，给隧洞施工安全留下隐患，采取了有特殊支护的有效措施，安全通过该地段。
由于特殊的地质构造，以及矿井设计，巷道在掘进到桩号1+990～2+008和巷道收尾阶段遇见3～5#煤，煤质松软，瓦斯涌出量为0.52m3/min，采用了特殊支护，以及防治瓦斯的有效措施，实现了安全掘进并顺利到位停掘。
4、应用效果
TBM全断面隧道掘进机在塔山矿井主平硐的应用，施工巷道3400m，最高月进560m，平均月进483m，与钻爆法相比(平均月进150m)，掘进速度提高3倍多，比原计划提前15个月完成主平硐的开掘，缩短了矿井的建设工期，可使该矿井比原计划提前1a投产；全自动化的应用实现了远程操作，使得所有施工作业均在可靠支护下进行，进一步提高了作业安全性，生产效率也得到很大提高；避免了放炮产生的烟雾粉尘，改善了施工作业环境，保障了工作人员的健康水平；提高了巷道原岩自撑能力，减少了巷道维护费用，增加了巷道的服务年限。
5、结论
（1）在现代大型煤矿井建中，采用大型、高效、智能化TBM全断面隧道掘进系统，掘进速度可达480m/月，是煤矿建井实现快速、高效、安全、环保的一条新途径。
（2）成功解决了TBM在穿煤层、寒武纪灰岩大溶洞、铝矾土质软岩以及岩石破碎带等特殊条件下的施工技术难题，拓展了TBM的施工领域和应用范围。
（3）TBM全断面隧道掘进系统在塔山煤矿的成功应用，为我国煤炭行业使用该装备积累了经验，可在今后的应用中推广。

作者简介：刘文（1964-），男，山西省大同市人，大学，高级工程师，大同煤矿集团有限公司技术中心采矿所副所长。通讯地址：大同煤矿集团有限公司技术中心采矿所，邮编037003，联系电话：[phone]。