盾构/TBM施工煤矿长距离斜井的技术挑战与展望

何 川

（西南交通大学，四川成都 610031）

盾构/TBM施工煤矿长距离斜井的技术挑战与展望

何 川

（西南交通大学，四川成都 610031）

采用盾构/TBM修建深埋长距离斜井是一个崭新的课题，对于缩短矿井建设周期，降低造价具有重要的意义。文章通过对传统矿山法与盾构/TBM法的技术参数与经济指标进行全面比较，分析了盾构/TBM技术在煤矿矿井建设中的应用前景，介绍了盾构/TBM施工斜井应用现状，在此基础上，着重从盾构/TBM的选型与适应性、斜井井壁结构设计、复杂环境中施工等方面分析了盾构/TBM施工煤矿长距离斜井所面临的挑战，综述了近期开展的相关技术研究与进展，主要包括：双模式盾构/TBM的研制、新型井壁结构体系的构建和复杂条件施工时的处置技术等。最后，讨论了尚存的问题以及相关问题研究的发展趋势。

盾构/TBM；煤矿斜井；新型井壁结构体系

0 引言

随着国民经济平稳快速的发展，煤炭作为我国能源结构的主体，消费量逐年持续增长，在未来相当长时期内煤炭仍然是我国的主要能源。虽然我国煤炭资源储量丰富，但在已探明储量中近53%埋深在1 000 m以下，许多矿区煤采时间较长或者煤炭资源埋藏深度大，开采深度以每年8～12 m的速度递增［1－2］。以神东、准格尔、平朔、大同、兖州、西山等为代表的山西、陕西、内蒙古、山东、辽宁和黑龙江等地区，多数大型煤矿已相继进入了深部开采阶段，采用斜井或立井快速进入综采工作面大量运用。与斜井相比，立井提升运营成本高、产量低［3］，而大型超长钢丝绳强力皮带和无轨胶轮车等先进技术的应用，使斜井长距离运输能力大大增强，已然成为当前大型矿井进入深部开采面的主要方式。然而，由于斜井纵坡往往较小（国内通常为6°左右）、长度极长，采用传统工法修建往往工期漫长、造价高昂，而盾构/TBM施工速度快，对缩短煤矿建设周期有重要价值。因此，采用盾构/TBM修建煤矿长距离斜井快速进入开采工作面，实现长距离深部掘采与高效运输已成为当前煤炭开采的重要课题［4］。

煤矿斜井的建设通常采用钻爆法，施工进度较慢（70～100 m/月），当穿越含水层、软弱破碎岩层时，常需结合冻结法、帷幕注浆或板桩法等特殊工法辅助开展，不仅施工速度大大降低、质量得不到保障，而且造价和生产运营费用高昂，安全管理难度大，对涌水、岩爆、围岩泥化等地质条件的适应性差，对围岩扰动大、巷道成型差。将其技术参数与经济指标与盾构/TBM进行比较，见表1。

表1 钻爆法与盾构/TBM法技术经济指标对比［5］Table 1 Comparison and contrast between drill and blast method and shield/TBM method in terms of technical indexes and economical indexes

可见，盾构/TBM集开挖掘进、支护和出渣运输工序于一体，可有效提升煤矿掘进效率与安全性，降低煤矿工人的劳动强度、改善工作条件，对于矿区自然环境影响小，尤其对于长距离斜井其优势更为明显，已越来越多地应用于矿山开采领域。可以预见，随着我国深层煤炭资源的开发，以及我国大型煤炭基地的建设，今后我国将不断出现煤矿长距离斜井开拓形式，而盾构/TBM必将在其建设中发挥重要作用。

1 盾构/TBM施工斜井应用现状

近年来，随着世界范围内交通、水电建设、能源开发等领域需求的增长，盾构/TBM技术在交通、市政、水利、输水、输气倾斜隧道（洞）、管道等的修建中已得到广泛运用，采用盾构/TBM进行大坡度隧道（斜井）施工目前已有大量成功的案例，见表2［6］。

在国内，南水北调中线工程的穿黄盾构隧道、南京长江盾构隧道、广州地铁5号线穿越珠江和广州地铁小—新盾构区间隧道等已相继完成了5%坡度的施工实践。在国外，瑞士Kraftwerk Limmern水电站输水隧洞采用TBM完成了总长2.1 km、40°上坡的掘进施工；俄罗斯圣彼得堡自动扶梯通道采用土压平衡盾构完成了总长120 m、30°下坡的掘进施工，见图1；2008年，英国Glendoe水电站采用TBM完成了总长200 m、6.3°上坡的引水隧洞施工；在技术相对落后的南非，也采用泥水盾构于2006年完成了总长492 m、11.3°上坡和下坡的德班港隧道修建。

相较之下，目前盾构/TBM在煤矿矿井建设中使用较少。在国外，联邦德国20世纪70年代初，采用2级联合TBM掘进法先开挖3.0 m直径导洞、后扩孔至5.3 m直径，完成长1 550 m的采煤巷道施工；加拿大布雷顿角发展公司于1984年采用全断面护盾TBM以0～20%的不同坡度掘进，完成了直径7.6 m、距离超过3.5 km的煤矿斜井的掘进和支护。在国内，大同塔山煤矿于2003年采用美国Robbins生产的双护盾TBM进行了长2 911.6 m，直径4.82 m的主平硐施工。最高月进尺560 m，平均月进尺483 m，与钻爆法（平均月进尺150m）相比，掘进速度提高3倍多，取得了显著的经济效益。但由于距离短，埋深相对浅，掘进围岩、地层相对单一，不良地层如破碎带、富水地层、瓦斯等较少，所以施工难度相对不大，但也对后续长距离大坡度斜井中采用TBM施工提供了有力参考［7］。

盾构/TBM设备和施工技术已经比较成熟，相比于传统的钻爆法施工，其在安全、进度、质量、效益等多方面都呈现出显著的优势，应当在煤矿矿井建设中进行实践探索。可喜的是，随着我国大型煤矿开发加快，为缩短矿井建设周期，建设单位联合科研院所、施工单位开始尝试将最新的盾构/TBM技术引入煤矿斜井与巷道建设中。如：神华新街能源公司台格庙矿区已于近期开始采用TBM进行坡角为6°、长达6 314 m的主、副斜井建设的探索，见图2；山西朔州宁武煤田朔南矿区也正在开展采用TBM进行马营堡矿井主井建设的前期研究工作。

表2 国内外大坡度隧道（斜井）工程一览［6］Table 2 Tunnels（inclined shafts）with large gradient built in China and other countries

图1 俄罗斯圣彼得堡自动扶梯通道工程Fig.1 Escalator passage project in St.Petersburg in Russia

然而，采用盾构/TBM修建煤矿长距离巷道（斜井）是一个全新的领域，无现成规范和工程实例可借鉴，不仅涉及浅表部开挖、支护与衬砌设计理论，更面临着深部高地应力、高水压、开采扰动等恶劣、复杂工作环境的挑战。因此，在进行大量探索与实践过程中，许多关键问题必须予以厘清。

2 盾构/TBM施工煤矿长距离斜井所面临的挑战

煤矿长距离斜井的一大工程特点是结构埋深由浅埋过渡到深埋，这也就决定了斜井除了面临着与浅部开采共性的工程地质问题和岩石力学问题外，一系列浅部开采中不存在或不明显的工程地质问题和岩石力学问题也将开始出现，将会诱发产生冲击地压（岩爆）、矿压显现剧烈、巷道围岩大变形、突水、地温升高和瓦斯突出（爆炸）共6种工程灾害［8－9］。同时，长距离连续下坡条件下也对掘进设备及配套机具提出了更高的要求。这些工程特点的存在，在设备选型、结构设计和施工等方面均给盾构/TBM施工煤矿长距离斜井带来诸多挑战。

2.1 盾构/TBM的选型与适应性

目前工程中采用的盾构/TBM主要有土压平衡盾构、泥水平衡盾构、敞开式TBM、单护盾TBM和双护盾TBM。此外，当工程穿越多种地层时，可根据土层地质和水文条件对开挖面支撑方式以及刀具、出渣运输系统和其他设备进行调整组合，形成更好适应地层条件的掘进机。如：兼具土压平衡和泥水平衡模式的双模式盾构，可根据地层变化，快捷地在2种不同掘进模式之间相互切换；将单护盾TBM和土压平衡盾构相结合所形成的复合盾构，可同时具备单护盾TBM与土压平衡盾构的优势，既能够在中硬岩地层中高速顺利推进，也能够在不良地层中灵活摆脱束缚。

各种类型盾构/TBM适应性对照如表3所示，相应机器类型见图3。

图2 神华新街台格庙矿区斜井工程Fig.2 Inclined shaft of Taigemiao coal mine of Xinjie Co.，Ltd.，Shenhua Group

表3 各种类型盾构/TBM适应性对照表Table 3 Comparison and contrast among different types of shields/TBMs in terms of adaptability

图4给出了不同地层条件下盾构/TBM适应能力示意图（据日本川崎重工资料）。可见，盾构/TBM的选型需从斜井总体布置、工程地质及水文地质条件、沿线环境条件、衬砌结构、施工条件、工期及技术经济综合考虑。一般来说可按以下步骤进行：首先，根据地质条件、施工环境、工期要求和经济性等因素确定掘进机类型，进行敞开式与护盾式掘进机之间的选择；然后，根据斜井设计参数及地质条件进行同类掘进机之间结构、参数的比较选型，确定主机的主要技术参数；最后，根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则，确定后配套设备的技术参数与功能配置。

斜井长距离连续下坡将会不可避免地穿越地质条件不同的复杂地层，需要研制与之相适应的双模式盾构/TBM设备，并解决施工中双模式的快速模式转换问题。受下坡条件下设备自重荷载沿斜面分量的影响，后配套设备需解决防滑移和松弛问题。倾斜姿态下盾构/TBM设备刀具的磨损机制有可能发生改变，需建立相应的刀具磨损预测方法以及研发新型刀具，使之适应长距离连续下坡掘进条件。

图3 各种类型盾构/TBM机型示意图Fig.3 Different types of shields/TBMs

图4 不同地层条件盾构/TBM适应性简图Fig.4 Sketch of adaptability of shields/TBMs in different strata

2.2 斜井井壁结构设计的挑战

浅部的围岩体大多处于弹性应力状态，而深部岩体由于构造运动和围岩自重的作用往往处于塑性状态，由于围岩内赋存的高地应力可能大大超出其强度，当井巷开挖卸荷后二次应力场引起的高度应力集中将导致围岩压、剪应力超过岩石的强度，造成围岩很快由表及里进入破裂碎胀和塑性扩容状态，从而发生挤压大变形或表现为持续的流变。盾构/TBM对围岩扰动较小，管片结构施作及时，这对于浅部斜井井壁衬砌结构当然是极为有利的，但对于深部斜井，管片衬砌结构施作后围岩的变形并未停止，将进一步造成斜井衬砌结构的变形甚至破坏。由于不同支护方式对于荷载与变形的控制往往兼而有之，传统的井巷稳定性理论如压力拱理论、塌落拱理论和应变控制理论或均不能准确描述深部围岩与支护结构的相互作用。因此，不同支护方式、不同的支护时机以及不同的衬砌结构形式都将引起深部斜井衬砌结构—围岩相互作用关系的差异。

另一方面，浅部地下水主要来源是第四系含水层或地表水通过采动裂隙网络进入斜井，水压较小；而深部地下水随着深度加大，承压水位增高，渗透压力增大，并且由于采掘扰动易造成断层或裂隙活化，形成渗流通道，从而使巷道（斜井）围岩形成严重的突水灾害。对于传统钻爆法施工的斜井，往往采用“防排结合，以排为主”的综合治理原则，虽能减小衬砌水压力，但不能根治各种水害而且直接导致洞顶地下水位下降、地表水和井泉涸竭、地面岩溶塌陷、生态环境恶化，影响人们的生产和生活，而采用“以堵为主、限量排放”和管片衬砌等全封堵的地下水处治方案中，深部极高的水压力将成为衬砌结构的主要荷载。与此同时，对于裂隙发育的地段，巷道开挖后近表围岩内孔隙水压力大幅降低，导致斜井围岩有效应力增大超过岩体的强度，使围岩表面的裂隙向深处扩展。

再则，大多数巷道要经受硕大的回采空间引起的强烈支承压力作用，使受采动影响的巷道的围岩压力数倍、甚至近10倍于原岩应力，从而造成在浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部可能表现出软岩大变形、大地压、难支护的特征。

在复杂力学环境下，锚喷（网）支护结构、单层装配式管片衬砌结构、管片衬砌内施加二次衬砌共同承载的结构等传统支护方式是否仍然有效，围岩与支护间相互作用方式将如何变化，井巷及支护的稳定性及长期安全性如何？这些问题都亟待解决。

深部围岩在强度和变形性质上与浅部围岩差异较大，加之深部围岩受高渗透水压、高地温以及开采扰动的影响，使得“三高一扰动”耦合作用下围岩的变形机制极为复杂，浅部斜井围岩—井壁结构的相互作用关系已无法满足深部复杂围岩条件的要求。对于深部围岩而言，支护方式的不同将造成围岩—结构相互作用关系和形式的不同，而现有深部斜井井壁衬砌结构的荷载理论研究多针对钻爆法的锚喷支护结构展开，鉴于盾构/TBM在开挖与支护方式上与钻爆法有明显区别，因此，管片衬砌在深部围岩条件下的荷载理论和形态无法采用常规锚喷对应支护结构的荷载分析方法，究竟采取何种荷载理论是进行衬砌结构设计首先要解决的问题。

此外，高水压、高地压、高地温作用下究竟采用何种衬砌型式，其工作性态如何，斜向条件对衬砌结构力学性能的影响都尚待研究。而深部斜井在高地压、高水压等复杂条件下衬砌接头可能出现错台、开裂、接缝局部压溃等损伤和破坏也尚无有效的应对措施，这些均是结构设计中必须回答的问题。

2.3 复杂环境中施工的挑战

盾构/TBM在下坡条件下，其斜向始发基座体系、抗扭体系、支承反力体系等均与传统始发技术存在较大区别，如何结合煤矿工程水文地质特点和深长斜井盾构/TBM施工特点，设计研发安全、可靠、经济、易行的斜向始发基座体系、抗扭体系、支承反力体系，在此基础上形成盾构/TBM施工长距离煤矿斜井的始发技术，是工程施工过程中面临的一大挑战。

针对斜井穿越破碎、软弱、富水等特殊不良地层，结合盾构/TBM施工特点，研究相应的预处理方法和突发情况下的快速脱困技术，并研究解决不同支护结构型式及其过渡段转换、下坡掘进机体防滑移和栽头、衬砌防松弛和防水等施工技术难题，以及针对斜井通风距离长、反坡排水与材料运输难度大等特点，研究通风排水和材料运输方案设计，也是确保盾构/TBM施工顺利实施的重要保障。

在盾构/TBM施工过程中，如何综合考虑掘进参数、施工状态与支护结构受力间相互影响，设计研发集成的盾构/TBM运行监控、过程可视化监控综合化管理系统，将决定着施工能否安全进行。

此外，与浅埋地下工程相比，盾构/TBM施工完成深埋长距离斜井后，显然不存在设备解体吊运出洞的条件，因此，研发盾构/TBM设备的原位地下拆解及配套技术并成功实施，也是工程施工中必须解决的一大问题。

3 近期开展的相关技术研究与进展

近年来，国内外许多学者围绕盾构/TBM技术在长距离斜井中应用问题，从施工机具研制、结构体系研发和不良地质地段施工对策等方面开展了大量的工作。

3.1 双模式盾构/TBM研制

中国铁建重工集团根据神华新街能源公司台格庙矿区斜井工程复杂的地质条件，综合考虑盾构和TBM的优缺点，并充分考虑6°下坡的排水、砂质泥岩中刀盘结泥饼等问题，研制出具有TBM和盾构2种模式的TBM设备，且可实现2种模式间的快速转换［10］，如图5所示。设备的配置包括：可双向旋转出碴的双模式刀盘、主驱动系统、可密闭的接碴斗、具有密闭功能和防滚动的盾体防涌门、安装在盾体上的稳定器、防爆型排水系统、防爆型通风除尘系统、1号皮带机、2号皮带机、管片拼装机、可以偏转角度的推进油缸系统和物料快速倒运系统等。2种模式下主机剖面图如图6和图7所示。刀盘为具备双向出渣功能的双模式TBM刀盘，遭遇特殊地层时可在斜井内改装成复合式盾构模式刀盘。刀盘主要由刀盘体钢结构、刀具和回转接头等组成。EPB模式下刀盘开口率约为32%。刀盘配置如图8所示。

图5 铁建重工研制的我国首台煤矿斜井用TBMFig.5 TBM to be used to build inclined shaft of coal mine

图6 TBM模式下主机剖面图Fig.6 Profile of main machine under TBM working mode

图7 盾构模式下主机剖面图Fig.7 Profile of main machine under shield working mode

图8 2种模式下刀盘配置图Fig.8 Two types of cutter heads for two working modes respectively

设备具体方案如下：

1）采用具有密闭功能的盾体、可密闭的接碴斗、防爆型排水系统以及防爆型通风除尘系统，可解决长距离大坡度斜井工程中大量涌水、大量有害气体等突发问题，保证设备和施工人员安全。

2）采用预制混凝土管片衬砌支护，利用豆砾石和素水泥浆填充管片与隧道之间的间隙，并在仰拱底部注入速凝细石混凝土防止管片沉降，保证快速、有效、安全地衬砌支护隧道。

3）采用适应大坡度长距离斜井的物料快速倒运系统，其包括隧道内胶轮车运输编组、后配套物料卸载吊机、后配套内部的物料倒运卷扬小车、管片卸载器、管片吊机以及豆砾石吊机、砂浆罐吊机以及砂浆泵送系统，从而提高长距离大坡度斜井施工用辅助物料（如管片、豆砾石、混凝土砂浆、水泥浆等）的供给速度。

4）将刀盘的旋转中心线向上偏离盾体中心线一定距离，此时隧道底部开挖量减少顶部开挖量增加，随着刀盘边滚刀磨损量增加，隧道底部逐渐形成一条向上的曲线，迫使整个主机向上抬头，以解决在长距离大坡度斜井隧道掘进过程中TBM主机容易栽头的问题。

5）利用底部焊接有防滚条的盾体和安装在盾体上部的稳定器增加隧道与盾体间的摩擦力，并配合可调整角度的推进油缸提供与滚动方向相反的扭矩，共同防止和纠正TBM主机的侧向滚动。

此外，针对类似斜井工程施工可能遇到的掘进控制问题，西南交通大学开发了系列盾构/TBM掘进施工模拟实验平台（见图9），以期通过实验手段探讨在不同地区、不同地层条件以及特殊地质地段中盾构/TBM的适应性与施工控制预案。

3.2 新型井壁结构体系的构建

盾构多用于破碎岩体、软土或复合地层，而TBM通常指适用于岩石地层的隧道掘进机。虽然随着土木和机械技术的不断进步，盾构/TBM的地层适应性越来越强，然而针对不同掘进机类型的支护体系仍较为单一、衬砌设计理论较为传统，目前常采用的衬砌结构型式主要有：锚喷（网）支护结构、单层装配式管片衬砌结构与管片衬砌内施加二次衬砌共同承载的结构，如图10所示。

锚喷（网）支护结构多用于敞开式TBM，在采用单（双）护盾式TBM或盾构施工时，常采用单层装配式管片衬砌结构，其通常由钢筋混凝土管片按照不同的拼装方式用环向螺栓和纵向螺栓拼装构成。仅当靠单层管片衬砌难以满足使用属性时才于管片衬砌内部设置二次衬砌，从而使外层管片衬砌与内层二次衬砌共同承载。

煤矿长距离斜井长度长、深度较大，通常要从浅表层逐步进入深部岩层，其间将穿越黏土、砂砾层和卵石层等第四系覆盖层以及不同风化程度的岩层，各岩土体的物理力学属性差异较大，并常常面临软弱夹层、断层破碎带和富水裂隙带等不良地质现象，这一系列复杂的地质环境也将使支护方式、衬砌结构型式复杂多样化。有的斜井穿越松散软弱层层厚可达百m以上，若仅采用常规的单层管片衬砌通常难以满足承载要求，必须采用特殊结构措施予以应对。

图9 西南交通大学开发的系列盾构/TBM掘进施工模拟实验平台Fig.9 Models of shields/TBMs developed by Southwest Jiaotong University

图10 TBM（盾构）常用的衬砌结构型式示意图Fig.10 Different lining types commonly adopted for tunnels bored by shields/TBMs

针对采用盾构/TBM修建斜井时所面临的高地压、大变形和高水压等挑战，西南交通大学课题组根据中铁第四勘测设计研究院集团有限公司等单位关于神华新街台格庙矿区斜井井壁衬砌结构的设计方案以及国内外的相关研究，归纳了现有常见井壁衬砌结构型式，并针对性提出了一些可能适用的新型井壁衬砌结构型式，如：对于高地压地段，可采用管片衬砌结构配合锚杆（或“可压缩层”）的联合支护结构来改善围岩自稳能力或在管片衬砌内部施加二次衬砌以增加衬砌刚度。对于软岩大变形地段或挤压地层，可采用“预留可压缩层”以减缓围岩形变压力。其中，管片衬砌结构配合锚杆的联合支护结构是在管片衬砌施作后，通过管片上的预设孔洞在管片衬砌周围打入锚杆，并通过钢螺栓建立起锚杆与管片衬砌的有效连接，以提高围岩与管片结构的稳定性，如图11所示。对于高水压富水地段，地下水或与之有水力联系的其他水体可能突然涌入斜井，发生涌水突水灾害，为避免这一问题出现，目前常采用超前注浆进行分区隔断排水的措施，通过采用泄压式管片衬砌在管片上设置泄压孔道进行排水，如图12所示。

图11 适用于软岩大变形地段的管片衬砌配合锚杆（或“可压缩层”）的联合支护结构Fig.11 Composite support structure consisting of segment lining and rock bolting applicable in squeezing soft rock section

图12 适用于高压富水地段的泄压式管片衬砌结构Fig.12 Segment lining allowing water pressure releasing in high water pressure section

上述井壁衬砌结构中，锚喷（网）支护结构与单层装配式管片衬砌结构应用广泛，设计经验与理论较为成熟；管片衬砌内施加二次衬砌共同承载的结构由于工程实例较少，其设计方法与分析理论尚待完善；而对于新型衬砌结构，现有认识尚浅，设计方法和理论尚为空白。鉴于此，西南交通大学、中国矿业大学（北京）与中国煤炭科工集团武汉设计研究院联合，依托煤炭联合基金重点项目“复杂条件下TBM（盾构）修建煤矿巷道（斜井）的衬砌结构设计基础理论”，拟采用“衬砌结构—地层—水压复合体模拟试验系统”（见图13）、西南交通大学新研制的“三维隧道开挖模拟系统”（见图14）与“结构纵向模型试验系统”（见图15）从模型尺度上针对深部高地压、高水压以及采动等恶劣、复杂环境作用下各类型斜井衬砌结构的适应性，以及横向、纵向的受力与变形性能开展研究，以求建立不同荷载条件、地层状况、结构参数下深长巷道（斜井）的合理衬砌结构体系。

图13 衬砌结构—地层—水压复合体模拟试验系统（西南交通大学）Fig.13 Lining-ground-water pressure simulation system developed by Southwest Jiaotong University

图14 三维隧道开挖模拟系统（西南交通大学）Fig.14 3D tunnel driving simulation system developed by Southwest Jiaotong University

图15 结构纵向模型试验系统（西南交通大学）Fig.15 Longitudinal model test system developed by Southwest Jiaotong University

此外，采用新开发的“盾构隧道原型衬砌结构试验系统”（见图16）探求高地压、高水压作用下管片衬砌接头抗弯与抗剪性能，以及不同类型衬砌的组合结构工作性能。同时，采用新开发的“结构电化学快速腐蚀与测试试验系统”（见图17）对于高地温作用下井壁结构的长期性能劣化问题开展研究。

图16 盾构隧道原型衬砌结构试验系统（西南交通大学）Fig.16 Segment lining test system developed by Southwest Jiaotong University

图17 结构电化学快速腐蚀与测试试验系统（西南交通大学）Fig.17 Electrochemical corrosion and test system developed by Southwest Jiaotong University

与此同时，依托国家科技支撑计划项目“盾构法建设煤矿长距离斜井关键技术研究与示范”，以神华新街台格庙矿区斜井为工程对象，斜井井壁衬砌结构体的水、土压力与结构内力的现场测试试验正在开展，如图18所示。

图18 现场测试试验拟采用的试验方案Fig.18 Test program to be adopted in field testing

3.3 复杂条件施工时的处置技术

盾构施工煤矿长距离斜井遇到的特殊不良地质条件，主要包括软弱围岩变形、高压、富水和突涌水等。目前，隧道及地下工程软弱围岩变形问题的研究主要集中在钻爆法施工的山岭隧道方面，并且在理论研究和工程实践方面均存在一些不足，主要表现在下面几个方面：1）理论方面，关于围岩大变形还没有建立起一个明确的定义，尚处于起步阶段；2）研究者们仅从具体的隧道工点开展相关的围岩大变形问题的研究，故其研究成果有一定的局限性；3）在围岩大变形的预测及工程对策方面缺乏系统性的测试方法与手段。对于盾构隧道穿越软弱围岩大变形地段研究成果更少，缺乏相关的技术措施。

富水、高压和突涌水是隧道及地下工程的又一难题，其中尤以突水和携带大量碎屑物质的涌水危害性最大。涌水多发于节理裂隙密集带、构造形成的风化破碎带；突水灾害多发于岩溶洞穴、溶隙发育地段、含水层与隔水层交界面。目前，我国对富水高压隧道的研究大多是从地质的角度对节理裂隙的形式、发育规律、特点以及形成条件等方面进行，研究成果尚不系统、深入。特别是针对高水压、富水条件下隧道修建技术的研究不多，可供借鉴的成熟经验也较少。近年来对富水高压虽提出了排水减压、释能减压等处理技术，但主要应用于钻爆法施工的山岭隧道，同时，富水高压段隧道结构设计也处于工程经验类比阶段。另外，富水高压断层破碎带，由于围岩破碎，自稳能力差，加之高压富水的影响，极易发生突水突泥灾害，影响隧道工程的建设。目前主要是采取注浆加固的方式进行处理，但在注浆技术方面缺乏相关的理论支撑，虽对注浆机制、注浆材料和注浆范围等方面进行了研究，但大多数是依托具体工点开展，缺乏系统性的研究成果。因此，软弱围岩变形和富水、高压、突涌水问题已成为隧道工程方面的世界性难题之一。

4 展望

随着“绿色矿山”建设的大力提倡，盾构/TBM作为安全、环保、高效的矿井建设手段，其技术必将在煤矿长距离斜井修建中得到更为广泛的应用与发展，可以预见，未来几年的研究重点将集中在井壁衬砌结构安全性评价体系的建构与不良地质地段的处置技术等方面。

4.1 井壁衬砌结构安全性评价体系的建构

作为煤矿企业，安全是一切工作的前提和基础，只有搞好安全才能谈生产，才能谈绿色发展。因此，必须将斜井施工和服役期衬砌结构的安全性评价作为一项重要工作开展。

总的看来，目前国内外针对盾构/TBM施工、支护结构受荷、结构内力状态的实时监测技术都有了长足的进步，但综合考虑掘进参数、施工状态与支护结构受力间相互影响的实时远程监测和评价技术尚未形成。作为现代科学与通信技术不断发展的重要标志，开展盾构施工煤矿长距离斜井数字化远程监控技术研究，有效结合了国家重大工程建设重大需求，对于推动矿山开采领域技术进步，提升煤炭行业自主创新能力，具有重要作用。

深长斜井体系庞大而复杂，衬砌结构不仅受到高地压和高水压的作用，在服役期还将面临着采动、矿震、温度应力与环境侵蚀等耐久性影响因素的长期作用，对井巷衬砌结构稳定性、服务期限内的安全性有重大影响，如图19所示。

现有针对采动、矿震、高温作用以及侵蚀环境对煤矿斜井井壁衬砌结构的稳定性与长期安全性的研究尚属空白，而对于大型矿井深长斜井衬砌结构，这一问题尤其重要，开展相关研究意义重大。

图19 开采周期内深部复杂多因素作用下斜井衬砌受荷示意图Fig.19 Loads acting on lining structure of inclined shaft under complex conditions during its service life

4.2 不良地质地段的处置技术

针对长距离斜井可能穿越围岩松散、软岩变形、断层破碎带、地层富水、高水压和含有害气体等特殊不良地质地段需要解决的一系列关键技术难题，需重点对特殊不良地质地段综合处置技术进行研究，包括盾构施工软岩变形地段综合处置技术、施工富水地段防排水处置技术、施工高水压地段泄水降压技术、有害气体处置技术以及施工软弱松散围岩及断层破碎带施工技术。

5 体会

采用盾构/TBM修建煤矿长距离斜井是一个崭新的课题，必将面临许许多多的问题和挑战，但思者常新，随着我国大型煤矿的不断兴建和盾构/TBM装备与施工技术的不断进步，盾构/TBM必将在煤矿矿井建设中得到广泛运用，这也必将引起我国煤矿建井技术的一场革命，并推动我国煤矿开采技术的新一轮高速发展。

（References）：

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Challenges and Prospectives of Construction of Long-distance Inclined Shafts of Coal Mines by Shield/TBM

HE Chuan
（Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China）

It is a new topic to build long-distance inclined shafts of coal mines by shield/TBM，which has great significance in shortening the construction period and reducing the construction cost.In this paper，comparison and contrast is made between the conventional mining method and the shield/TBM method in terms of technical indexes and economic indexes，the prospectives of the application of shield/TBM in the construction of long-distance inclined shafts of coal mines are analyzed，and the state-of-art of the application of shield/TBM in the construction of inclined shafts is presented.The challenges in the construction of long-distance inclined shafts by shield/TBM are analyzed in terms of selection of proper types of shield/TBM，adaptability of shield/TBM selected，design of inclined shaft lining structure，and construction under complex environment.The results of researches made recently，including the development of dual-mode shield/TBM equipment，the establishment of a new type of inclined shaft lining structure，and technologies to cope with difficult conditions under complex environment，are summarized.Finally，problems to be further solved and the trend of studies on these problems are discussed.

shield/TBM；inclined shaft of coal mine；new type of shaft lining structure

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.001

U 455.4

A

1672－741X（2014）04－0287－11

2014－02－20

煤炭联合基金重点项目（U1361210）；国家科技支撑计划（2013BAB10B04）

何川（1964—），男，重庆云阳人，1999年毕业于早稻田大学，土木工学科，博士，教授，博士生导师，西南交通大学地下工程系主任，交通隧道工程教育部重点实验室负责人，国家杰出青年科学基金获得者，长江学者特聘教授，教育部创新团队学术带头人，新世纪百千万人才工程国家级人选，享受政府特殊津贴专家。获2012年度何梁何利基金科学与技术奖、第十一届詹天佑铁道科学技术成就奖、第十一届茅以升铁道科学技术奖。长期围绕铁路隧道、公路隧道、城市地铁等领域开展研究与教学工作。主持承担国家863计划课题、973计划课题、国家科技支撑计划课题、国家杰出青年科学基金项目、高速铁路联合基金重点项目、煤炭联合基金重点项目等各类科研项目与课题60多项。获省部级科技进步一、二等奖13项，2项成果获国家科技进步二等奖。获发明专利9项、实用新型专利13项、出版专著5部、发表期刊论文200余篇。培养毕业硕士70余名、毕业博士20余名、博士后6名。