涝坝湾煤矿副平硐工程复合式硬岩掘进机（TBM机）施工工艺

房淑海

神华新疆能源有限责任公司涝坝湾煤矿,新疆 乌鲁木齐 830027

前言

神华新疆能源有限责任公司玛纳斯县涝坝湾煤矿副平硐工程位于新疆乌鲁木齐以西100km处玛纳斯县塔西河乡境内。工程地点位于新疆省道S101线南侧，沿S101向东114km与国道G216线相接，向西10km与县道X156线相连；沿X156线向北42km抵达国道G312线，并与北疆铁路及乌奎高速公路相通，交通便利。塔西河在本工程西部外2km处由南向北流过，年平均流量7.26m3/s，其水量和水质均满足工程用水要求。

本工程主要为副平硐及石门施工：副平硐南北走向，设计长度5318m,石门设计长度900m，围岩系数f=3-8.9，担负全矿井的材料、矸石、设备、人员运输，并部分进风。采用中铁重工集团生产的ZTE6420复合式硬岩掘进机掘进施工，工程已于2012年9月底开工建设，计划2014年5月完成。设计掘进断面为直径6.42米圆形巷道，掘进断面积32.34m2，硬岩实际月均单进350米/月，比普通矿用综掘机效率提高3～5倍。在煤矿系统，长距离巷道工程采用复合式硬岩掘进机（TBM机）施工在国内尚属首例，它对煤矿建井技术是一场革命，对煤矿安全、高效建设具有极其重要的意义。

1 地质概况

根据《涝坝湾煤矿副井平硐工程地质勘查报告》，地勘4个孔分别为G2011-1、2、3、4，围岩等级III、IV类，岩石强度16.3MPa～81.5MPa。穿越地层主要为粉砂岩细砂岩，部分地段破碎带发育较明显，其中：4#孔—3#孔沿线硐身围岩分类标准由IV类逐渐递为III类，稳定性由不稳定递变至中等稳定，岩石完整性由差-破碎-递变至中等；3#孔—2#孔沿线硐身围岩分类标准由III类逐渐递为IV类，稳定性由中等稳定递变至不稳定，岩石完整性由中等-递变至中等、较完整；2#孔—1#孔沿线硐身岩石完整性均为中等-较完整。

水文地质方面：井田位于塔西河东部，井田西边界距塔西河1830m。该河流经本井田西侧的水位标高为1396m，该标高为井田范围内的当地侵蚀基准面。地下水与地表水及各含水层之间的水力联系，由于井田气候环境及地形地貌条件，大气降水比较丰富，加之广布于井田内透水性好的第四系松散层的存在，植被茂盛，大气降水、雪融水易在此停留、蓄集，并通过覆于松散层之下的岩石风化、构造裂隙顺层补给井田地下。井田西界外塔西河最低侵蚀基准面标高高于井田北部ZK201、ZK401孔控制的B15、B17煤层顶板标高。塔西河垂直切割地层的同时，可顺层远距离渗透侧向补给井田地下。两种补给方式长期作用的结果，使得井田地下赋存一定量的孔隙裂隙水，并具有弱承压性质。

根据井上下对照图，副平硐掘进过程中需穿越石门子水库东边界，实地探测石门子水库库容保持在5000万m3，副平硐巷道顶距离水库底部垂直厚度约66m。所以施工过程中，平硐掘进中的探放水工作是施工难点之一。

2 副平硐工程相关设施、设备配置

2.1 工作面设备配置

ZTE6420掘进机在结构上包括刀盘、盾体、人舱、螺旋输送机、管片安装机、管片小车、皮带机和后配套拖车等；功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、注浆系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、激光导向系统及通风、供水、供电、气体监测系统等。

2.2 硐外运输设备配置

2.3 管片生产供应

管片生产供应是在地面建设管片厂及其配套设施，提前预制好工程所需管片。厂房厂区总面积约70350m2，其中：钢筋车间1750m2，成型车间1750m2，混凝土搅拌站及料场3500m2，储运场及养护池5000m2。

3 施工工艺

副平硐采用复合式硬岩掘进机进行掘进施工，巷道全断面一次掘进成形。掘进机每掘进完1.5m后，错缝拼装1.5 m 宽预制钢筋混凝土管片，每环由6 块（FT、L1T、L2T、B1T、B2T、B3T）组成，外径6200mm，内径5700mm，厚度250mm，宽度1500mm，楔形量20mm；掘进与支护顺序作业。

3.1 施工顺序

首先布置测量控制点与TBM机测量系统构成系统，指导掘进，然后进行掘进并同步注浆，掘进完毕1.5m后进行管片拼装。

3.2 巷道掘进方式

采用硬岩掘进机进行掘进，土仓内渣土通过螺旋输送机输送到台车上皮带，通过皮带输送到渣土箱中，通过电机车运输出硐。

3.3 TBM机掘进及管片拼装

TBM机推进主要参数控制：根据地层不同特性分别采用不同掘进模式进行开挖。在不稳定地层中，掘进机可以采用土压平衡模式掘进；在稳定性较好地层中采用敞开式掘进；根据实际地层不同还可以采用半敞开式掘进，三种模式可灵活转换。通过这几种工作模式的组合工作，确保安全可靠掘进。

①平衡压力值设定原则

正面平衡压力：P=k0γh 其中：P-平衡压力（包括地下水）；γ-土体的平均重度（KN/m3）；h-隧道埋深（m）；k0-土的侧向静止平衡压力系数。

②推进出土量控制：每环理论出土量＝π/4×D×L＝π/4×6.422×1.5＝48.56m3/环。实际掘进过程中巷道围岩经岩石硬度测试，硬度系数f最高达到8.9，需加补充添加剂进行刀盘刀具降温，提高土质润滑性，方便出土，通常每环加水量在40方左右，故实际每环出土量在90方左右。

③推进速度：正常推进时速度在2cm/min～4cm/min之间。遇强度较高、完整性较好硬岩地段及过不良地层时，速度控制在1cm/min左右。

④掘进轴线控制：TBM轴线控制偏离设计轴线不得大于50mm。

⑤管片拼装控制：管片拼装程序见下图1。

3.4 同步注浆和二次补压浆

同步注浆目的是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形。每环的建筑空隙为1.5π（6.42*6.42－6.2*6.2）/4＝3.27m3，每环压浆量一般为建筑空隙的130%～160%，因该副平硐岩石硬度高，稳定性较好，为不破坏管片，取1的系数比较合适，即每推进一环同步注浆量为3.5m3左右。

图1 管片拼装程序框图

同步注浆材料确定：本工程实际施工中同步注浆先期采用可硬性浆液，材料为粉煤灰、砂、膨润土等（俗称双液浆）。但根据实际观测，发现效果较差，主要表现在管片错台误差超过规范要求，虽然双液浆具有流动性好，注浆便利，成本低等优势，但是存在凝固周期长，遇水易流失等缺点，特别是掘进工作面后部5环管片范围内，随着后配套台车压在管片上后，管片底部双液浆初凝阶段无法抵抗台车重量，造成管片沉降量大。所以在副平硐掘进2.8km后及时更换注浆系统，主要以注入砂浆为主，取得了较好效果。

衬砌壁后二次补压注浆及遇裂隙水段处理：衬砌壁后二次注浆采用双液浆，采取措施一是对有裂隙水段进行泄水，二是及时施工止水环箍，在有裂隙水发生区域前后20m之内进行环箍施工，环箍施工主要采用煤矿用封堵材料--玛丽散。环箍施工完毕后，采用双液浆填充裂隙水段，裂隙水成功封堵之后，对区域外流失的浆液进行补注。

4 工程施工难点及对策

4.1 工程重难点分析

表2 重难点施工对策表

①设备选型：设备功能和性能指标与本工程设计、工程地质符合性非常重要。涝坝湾煤矿副平硐选用ZTE6420复合式硬岩掘进机，总体来说比较成功，满足工程建设需要，但从工程实践看仍有许多改进之处，这一点在后述的经验教训中补充说明。

②基岩裂隙水、孔隙潜水和穿越地面石门子水库：副平硐沿线岩体中分布的泥质岩夹层具有相对隔水性，局部有基岩裂隙水、孔隙潜水赋存，同时，平硐还需穿越石门子水库东边界下方66m处左右，对施工安全有巨大危害，矿井突涌水预测和治理也是本工程的一个难点。

③TBM机检修和保养非常关键：掘进机属于大型掘进设备，主机和后配套均必须进行日常检修和保养。

④长距离通风是创造良好施工环境的关键：煤矿副平硐受地形条件及工法的限制，无法布置通风支洞和竖井。特别是本工程属煤矿巷道，瓦斯等有害气体危害很大，因此施工通风也是副平硐施工难点之一。

⑤施工运输：洞内出渣运输和材料运输全部采用轨道运输。

⑥冬季施工：新疆山区冬季严寒，气温多在20℃以下，混凝土施工、浆液拌合及施工供水必须采取保温措施，以保证冬季顺利施工。

4.2 工程重难点对策（见表2）

5.经验教训及建议

通过对涝坝湾煤矿TBM机施工工艺初步研究，我们认为TBM硬岩掘进机是

一种集掘进、出渣、支护和通风除尘等诸多功能为一体的大型高效联合作业机械。与传统的钻爆法相比，具备以下优点：

5.1 机械化程度高，使用劳动力少，劳动强度低，作业环境好，作业连续，效率高，可进行多种功能的一条龙作业，施工速度为钻爆法的5倍以上。

5.2 对围岩扰动少，开挖轮廓超挖量少，减少支护量，降低工程费用。避免了因爆破振动可能引起的围岩松动坍塌，施工安全性大大提高。

5.3 综合解决困扰煤矿掘进工作面两大难题：一是煤矿巷道掘进中永久支护与临时支护之间的合理、安全衔接。TBM机掘进支护时管片对接全过程在护盾下安装对接，不存在控顶距，安全保障程度高。二是掘进面粉尘治理大大改善。TBM机施工可以做到全封闭，TBM机舱外粉尘较少，工人在平硐作业场所内空气质量与外部地面空气相当，作业环境大大改善。

总之，TBM机在煤矿平硐施工中具有对围岩破坏少、掘进速度高、作业环境好，后续施工工序简化等优势，尤其在以人为本，环保理念越来越被重视的今天，这些优点显得尤为重要。相信TBM机在我国煤矿未来建设中的比重将会越来越大，其发展应用的前景十分广阔。但是，这种先进的现代化巷道掘进工艺如果要完全适应煤矿建设存在许多值得总结的地方，结合我矿TBM机实际施工中遇到的问题，教训及建议如下：

⑴TBM机渣土外运十分困难，主要因TBM机掘进中注入了大量润滑剂，导致渣土含水量增加，外排渣土全部成稀糊状，造成出洞口后渣土外排十分困难，特别是冬季外排更为困难。建议从源头控制住水量，降低渣土含水量。

⑵TBM机施工对巷道地质勘探程度要求较高，翔实的地勘资料，对设备选型及后期掘进更有利。而涝坝湾煤矿副平硐井筒地质勘探资料少，有一定局限性。所以做好巷道地勘是保证TBM机快速掘进的基础。

⑶建议TBM机施工长距离巷道通风必须达到煤矿巷道掘进中风筒续接不停风和掘进面双风机双电源要求。同时，满足国家执行的《煤矿安全规程》相关规范要求，实现煤矿巷道掘进中的风电闭锁和瓦斯电闭锁要求。

⑷建议解决TBM机及后配套设备等非防爆问题以及隧道施工队伍从事煤矿掘进工程的施工资质问题。

⑸建议促进TBM机自配的气体监测与煤矿安全监测系统的科学无缝对接。

6 结束语

通过对涝坝湾煤矿副平硐工程TBM机施工工艺初步研究，期望这种有益的尝试能够促进主要用于铁路隧道施工的先进工艺顺利引入煤矿建设，为我国煤矿建设积累了宝贵的经验，为煤矿矿井建设以后的工作奠定了良好的基础。

[1]雷升祥主编.斜井TBM法施工技术.北京:中国铁道出版社,2012.

[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用.北京:中国建筑工业出版社，2004.

[3]唐经世,唐元宁.掘进机与盾构机.北京:中国铁道出版社，2009.