试析TBM在煤矿巷道施工中的应用技术

孙 辉

（山西潞安工程有限公司， 山西 长治 046000）

引言

TBM（Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机）是一种集液压、电子、机械、电气、激光于一体，用于完成隧道掘进、支护等施工工程的施工设备，以其自动化控制能力强、施工速度快、应用效益好等优势，在众多领域得到广泛应用，成为促进隧洞工程集成化、现代化建设与发展的重要工具。为此，加强对TBM的研究，获取更多TBM应用经验，以提升TBM应用准确性、合理性、科学性与有效性。

1 煤矿巷道施工中TBM的应用理论

1.1 TBM组成结构

目前，在煤矿巷道施工中较为常见的TBM主要有两种：一是敞开式全断面隧道挖掘机，主要由机头架（轴承装置、润滑装置、传动系统、密封系统等）与大梁水平支撑、动力支撑组成；二是护盾式全断面隧道挖掘机，即配有结构保护盾的隧道挖掘机，在复杂地层中具有较强适用性。无论是敞开式TBM，还是护盾式TBM，其基本结构主要有刀盘（破岩、动力传动）、主轴承（向主驱动系统传递刀盘荷载）、支撑装置（为机械开挖提供反作用力，支撑的同时进行挖掘方向控制）、驱动系统（以变频电机为主设备，是系统动力来源所在）、液压系统（由高低压流量油泵构成，维护系统可持续作用）、机头架与主大梁（向刀盘、主轴承等传递支撑系统反作用力，达成TBM推进、挖掘等目的）[1]。TBM在煤矿隧道中的应用具有施工速度快、施工安全性高、施工质量好、机械化与自动化程度高、挖掘与出渣能力强等特征，是推动煤矿隧道施工自动化、集约化、系统化、现代化发展的重要手段。

1.2 TBM施工原理

TBM作为集液压、电子、机械、电气、激光等于一体的综合型设备，其工作原理在于各设备、各系统（包括主机监控系统、导向系统、超前系统、安全保护系统、支护系统、掘进系统等）相互协调作用。在煤矿巷道施工中所应用到TBM施工方法主要有以下两种：

1）导向控制法，即根据工程实际情况与施工要求，进行方向参数科学确定；挖掘机严格遵循指令向前掘进，使实践操作过程中的中心线与规划中心线保持一致。

2）掘进作用法，即根据超前地质预报，有针对性地落实超前处理措施（如遇破碎带，TBM应留在原位置，对岩石地层进行科学处理后恢复正常操作；如遇深水区，利用锚杆、水泥浆液等进行围岩加固处理；如遇渗水漏水问题，可通过施工前岩体固结、地下水封堵、引排水系统配置进行防控），并在此基础上根据掘进模式（自动控制、手动控制）进行掘进参数设置（如施工现场地质条件较好，可施行高转速低扭矩施工；在Ⅱ类、Ⅲa类硬岩条件下，开挖速度应控制在10%左右，在开挖一段时间后，适当提升速度；在Ⅲb类硬岩条件下，以自动扭转模式为主，在推进过程中根据扭矩波动进行参数调整）[2]。通过换步，调整掘进方向，实现掘进循环作业。

2 煤矿巷道施工中TBM的应用实践

2.1 工程概述

煤矿巷道全长约为1 576 m，施工现场位于地下500 m处。基于地质勘察发现：煤矿巷道断层明显，断层宽度在1.2～5.5 m之间；以混合岩为主（约占全线48%），岩体单轴抗压强度在41～106 MPa之间；岩层涌水情况、岩体完整度相对较好。在本次施工中，设计采用TBM施工法达到施工进度、质量、安全、成本协同优化目标。

2.2 施工方法

2.2.1 进行TBM的科学选型

1）了解煤矿巷道施工现场地质情况、周边环境特征，结合施工质量目标、施工安全目标、掘进要求等，确定TBM类型。就本工程而言，确定TBM设备为敞开式全断面隧道挖掘机。

2）依据煤矿巷道岩石属性、设计要求、施工要求，对比同类型挖掘机技术参数、结构特征等，从而确定挖掘机型号。在本工程中，设计选用的敞开式全断面隧道挖掘机为北方重工集团有限公司生产的QJYC045M煤矿巷道全断面掘进机。该型掘进机依托盘形滚破原理实现煤矿岩巷支护工艺、煤矿运输工艺与水平梁敞开式全断面掘进机工艺的有机结合，具有掘进、支护、出渣、通风、防爆、除尘等多种功能，在复杂地层、大直径、长距离、大埋深煤矿巷道施工中具有较高应用价值。

2.2.2 进行超前地质预报

为保证工程项目顺利进行，除在施工准备阶段做好地质勘察工作之外，在施工过程中也需要加强超前地质预报。例如，利用TSP地震波探测技术对施工地段地质数据进行采集，以实现施工现场围岩级别、地下水发育情况、软弱夹层、断层破碎带等的科学探测，使工作人员能够根据探测结果进行施工方案调整与规划，保证施工措施落实的准确、科学、合理与到位，降低施工不确定因素对工程质量、安全、效率的不利影响。

2.2.3 加强掘进初步设计

煤矿巷道掘进过程是一个循环操作过程，当一个作业循环完成之后，TBM回归初始时，为保证施工顺利进行，需加强初步设计，做好巷道支护工作。就本文所研究工程而言，由于工程围岩稳定性较强，在开展锚网支护时，可采用悬吊理论进行锚杆设计。锚杆长度（L）由锚杆伸出部分（L1）、锚杆有效长度（L2）以及锚杆锚固长度（L3）三部分构成，L1由锚杆类型而定，L2由岩巷跨度、岩石普氏系数而定；锚杆直径取决于锚杆锚固力与负载能力；锚杆之间的距离取决于岩石容重、安全系数、锚杆直径、错固力。值得注意的是：在支护设计过程中，需做好支护参数优化工作，以促进支护作用的最大化发挥。

2.2.4 提升换步作业控制力度

在掘进过程中每一次换步需要进行一次方向调整，只有保证方向调整精准，才能避免主机方位偏移、掘进方向偏移等问题的产生。对此，在实践操作过程中相关工作人员应提高对换步作业中掘进方向控制的重视程度。在此过程中，可通过人工测量初步确定控制参数，并利用PPS导向系统进行校核，进一步提高测量精度，使开挖导向始终控制在允许偏差范围内。

2.2.5 做好施工现场管理工作

技术的科学、有效应用离不开管理支撑。对此，在煤矿巷道施工过程中，施工企业以及工作人员应树立全过程动态管理理念，能够围绕TBM掘进建立科学、完善的施工管理体系与管理机制。例如，在先进管理理念指导下，利用先进管理工作做好设备故障检测与维修工作、预报检测工作等；落实岗位责任管理制度，在技术与质量交底制度、煤矿巷道施工材料与设备运输制度、施工技术管理制度等约束与指导下，优化施工流程，提升施工质量，保障施工安全；成立TBM成本控制小组，进行TBM施工成本管理[3]。

3 结语

将TBM应用于煤矿巷道施工中，对提升煤矿巷道施工质量、效率与安全存在积极影响。在明确掌握TBM组成结构、施工特点、施工原理等理论知识基础上，应善于结合工程实际情况，做好施工规划与管控工作，保证施工方法落实的科学与有效，促进TBM应用作用最大化发挥。