TBM在某金属矿山长距离井巷掘进中的应用

黄建鑫

（紫金（厦门）工程设计有限公司）

目前，国内金属矿山井巷掘进仍以传统钻爆法为主，虽然机械化程度得到了一定程度的提升，用凿岩台车、锚杆支护台车、机械装药器、铲运机等替代了人工作业，加快掘进速度，但受制各作业循环的相互影响，如爆破、通风排烟、支护等时间，平巷月掘进速度仍保持在80～120 m。随着我国矿业行业的发展，矿山企业对矿山开发技术水平、基建工程建设效率有了更高的要求。特别是在一些工程量大，总进尺长的井巷施工项目中，采用传统钻爆法很难满足企业实现快速开发的需求。TBM（Tunnel Boring Machine，全断面隧道掘进机）掘进技术作为城市地铁隧道施工的一项成熟技术，具有掘进速度快、智能化程度高、零炸药消耗量、安全性好、作业环境好等优点，近年来逐步应用于煤矿井巷、金属矿山井巷、公路隧道等施工项目中。因此，TBM 在金属矿山井巷掘进过程中的适应性、匹配性、经济性、安全性等问题是一个值得研究的课题。

1 工程概况

1.1 工程简介

某金属矿山地处青藏高原，海拔高度4 710 m，该矿山的电机车运输平硐施工原设计为4.4 m×4.4 m的三心拱断面，巷道总长度18 km，由2 条进、出总平硐及5 条环形支巷组成。平硐内计划运行载质量108 t 电机车及25 m3矿车，轨道采用60 kg、1 435 mm轨距重型钢轨。采用TBM 掘进后的拟合断面为净断面φ6.47 m，根据地质条件不同，分别采用管片、钢拱架+锚网及锚网支护。原设计断面如图1 所示，TBM掘进断面如图2所示。

1.2 工程勘察情况

1.2.1 岩层情况

根据工程勘察结果，巷道沿线途经主要岩层为中新统花岗岩、侏罗系中统英安岩、千枚岩、板岩以及凝灰岩。以硐口为起始点，先后经过的主要地层分别为强风化凝灰岩、中风化凝灰岩、微风化凝灰岩、中风化千枚岩、微风化千枚岩、微风化英安岩、微风化花岗岩。各岩层特征如下：

（1）强风化凝灰岩风化裂隙极发育，主要矿物成分为石英、长石及少量暗色矿物，长石类矿物风化显著，因风化不均匀，局部夹中风化块，岩芯呈碎块状、少量短柱状，属极软岩，岩体破碎—极破碎，岩石基本质量等级为Ⅴ类。

（2）中风化凝灰岩主要矿物成分为石英、长石及少量暗色矿物，凝灰质结构，块状构造，以熔结凝灰岩为主，晶屑凝灰岩为辅；节理裂隙较发育，局部裂隙面呈暗红色铁质浸染，岩芯呈大块状，少量短柱状。岩岩石质量指标RQD 为26%～87%，岩体较破碎—较完整，属极软岩—软岩，岩体基本质量等级分类为Ⅳ～Ⅴ类。

（3）微风化凝灰岩主要矿物成分为石英、长石及少量暗色矿物，凝灰质结构，薄层状构造，以晶屑、尘凝灰岩为主，局部夹熔结凝灰岩，部分矿物稍有风化，节理裂隙稍发育—不发育，岩芯多呈短柱状、长柱状，岩质较软。岩石质量指标RQD 为92%～98%，岩体完整—较完整，属软岩，岩体基本质量等级分类为Ⅳ类。

（4）中风化千枚岩主要矿物成分为细小的绢云母和少量石英及绿泥石组成，片状变晶结构，千枚理构造，裂面上呈现强烈丝绢光泽，局部裂面浸染了黄褐色铁质矿物，节理裂隙较发育，岩芯呈柱状，块状。岩石质量指标RQD 值为30%～85%，岩体较破碎—较完整，属软岩，岩体基本质量等级分类为Ⅳ～Ⅴ类。

（5）微风化千枚岩主要矿物成分为细小的绢云母和少量石英及绿泥石组成，片状变晶结构，千枚理构造，裂面上呈现强烈丝绢光泽，局部裂面浸染了黄褐色铁质矿物，节理裂隙稍发育，岩芯呈柱状，短柱状。岩石质量指标RQD 值为91%～98%，岩体较完整—完整，属软岩—较软岩，岩体基本质量等级分类为Ⅲ～Ⅳ类。

（6）微风化英安岩由长石、石英等组成，部分矿物稍有风化，节理裂隙稍有发育，岩芯多呈短柱状、长柱状，少量块状，岩质坚硬。岩石质量指标RQD 为92%～96%，岩体完整，属较硬岩—坚硬岩，岩体基本质量等级分类为Ⅰ～Ⅱ类。

（7）微风化花岗岩由长石、石英、云母等组成，呈花岗结构，块状构造，部分矿物稍有风化，节理裂隙稍发育—不发育，岩芯多呈短柱状、长柱状，少量块状，岩质坚硬。岩石质量指标RQD 为90%～98%，岩体完整，属较硬岩，岩体基本质量等级分类为Ⅱ类。

1.2.2 构造情况

场地内无大型活动性断裂与发震构造分布，新构造运动不强烈，但受前期构造运动及断裂带影响，场地内岩性岩相变化较大，破碎带较为发育。此外，受构造运动影响，场地内塑性岩层经常形成复杂的小揉皱，局部地段岩体内节理、劈理裂隙发育。各断层主要特征见表1。

1.2.3 水文地质条件

矿山地下水类型为上层滞水及基岩裂隙水。上层滞水主要赋存于第四系碎石土层中，水位变化因气候、季节而异，上层滞水主要受大气降水补给，水量一般较小。基岩裂隙水赋存于场地内下伏基岩裂隙中，可细分为基岩风化带裂隙水和基岩构造裂隙脉状水2个亚类。

总的来说，基岩裂隙水其水位、水量大小和径流、补给受裂隙的发育程度、连通性以及区域构造的影响，未形成连续水位面，基岩节理裂隙不发育—较发育地段水量一般较小，对巷道工程施工影响较小；基岩节理裂隙发育—很发育地段、构造破碎带及不同岩体接触带水量较大，对巷道工程施工影响较大。

2 井巷施工方法简介

随着近年我国智能化装备水平的提高，目前金属矿山井巷掘进施工方法形成了以机械化掘进为主，逐步淘汰纯人工钻爆法，并逐步引进全断面掘进机掘进的技术现状［1-4］。

纯人工钻爆法以手持浅孔钻机凿岩，人工支护、装药、爆破的方式施工，作业人员多、劳动强度大、效率低、安全隐患多、作业环境差，月进尺为60～80 m。

机械化钻爆法以凿岩台车、支护台车、装药器等机械化装备施工，大幅降低了工人劳动强度，提高了作业效率。由于仍需采用炸药爆破，掘进效率有所提高，但月进尺仍在80～120 m。

全断面掘进机（TBM）掘进采用刀盘直接破岩，取消了炸药爆破，实现了凿岩、支护、出渣、排水、通风一体化智能掘进，大幅提高了井巷掘进智能化装备水平，改善了井下作业环境，降低了工人劳动强度，效率得到大幅提升，月平均进尺可达400～600 m，对于部分特殊岩层掘进速度甚至可超过1 000 m/月。

3 TBM掘进技术工程应用分析

3.1 TBM设备介绍

TBM 是一种集机、电、液、光、气、电子等学科于一体的一次完成矿山岩巷、排矸与衬砌的大型施工装备，由电动机（或电动机—液压马达）驱动刀盘旋转、液压缸推进，使刀盘在一定推力作用下贴紧岩石壁面，通过安装在刀盘上的刀具破碎岩石，使隧道断面一次成型［5-6］。

TBM 施工具有自动化程度高、施工速度快、安全经济好、一次成型快，不受外界气候影响，开挖时可以控制地面沉陷，对原始岩层扰动小，无需炸药爆破等优点，是岩石隧道掘进最有发展潜力的机械设备。该设备在中国铁道、水电、交通、市政等隧洞工程中已大量应用。

3.2 工程应用背景

本工程项目具有距离长、自然环境恶劣、工期要求高等特点。按照传统机械钻爆法施工，掘进速度按80～100 m/月，并考虑多个工作面同时施工，计算工期需62 个月，不能满足矿山开发的需求。且该项目地处青藏高原，作业环境恶劣，安全风险高。

本工程为矿山开发的关键项目，为满足36 个月完成该项目施工并投入使用的要求，矿山引进TBM掘进技术，以求实现高速度掘进，大幅降低施工工期，降低工人在高原环境下的劳动强度，控制施工安全风险等目标。

3.3 应用条件分析

本项目施工范围内没有大的断裂构造破碎带，局部通过一些小断层，地层相对稳定，水文地质条件较简单，涌水量小。通过对比实际施工案例，本项目具备采用TBM 施工的条件，卡机风险小。原设计井巷转弯半径为100 m，为适应本项目所选TBM 机型，将井巷转弯半径调整为200 m，可以实现该TBM 机型的顺利掘进。井巷坡度为3‰～5‰，完全可以适应TBM掘进坡度要求。

3.4 TBM掘进技术方案

3.4.1 机型的选择

针对矿山地质条件，由于硐口附近地层较软且破碎带较多，但除此之外的地层又较坚硬、稳定，结合以往施工经验，任何一种单一TBM 模式在矿山上应用均有一定的局限性。因此，最终选择双模双支护TBM 掘进机，以适应矿山的工程特点，并兼顾施工的安全性和经济性。

双模双支护掘进机能结合单护盾、敞开式、土压平衡盾构机的优点，可以在绝大部分完整性良好的岩层中采用不带压模式掘进，以获得较高掘进效率；在局部存在软土的地层中采用土压平衡模式掘进，保证施工安全。不带压模式掘进时，采用钢拱架+锚网支护，掘进效率高，支护成本低；土压平衡模式掘进，采用土压盾构、预制管片拼装模式，可有效控制沉降和提高施工安全性。

3.4.2 设备规格及配置确定

为保证巷道成形后矿山生产设备与巷道岩壁之间的安全距离及人行道宽度要求，通过断面拟合，最终选择开挖直径6 470 mm 的双护盾TBM。结合工程需要，TBM 整机配备有螺旋出渣机、主皮带出渣机、锚杆拼装机、管片拼装机、除尘设备、供氧设备、空压机、喷混系统、豆砾石系统、排水系统、通风系统等。

后配套材料运输及出渣系统，选择55 t内燃机车牵引18 m3矿车、6 m3混凝土罐车、6 m3豆砾石罐车、5 t平板车、12 t管片车、人车等进行列车编组。

3.4.3 支护方案

根据各区段的岩石条件，在软弱岩层及构造破碎带采用管片支护，管片内径5 500 mm、外径6 200 mm、厚度350 mm、宽度1 500 mm。在一般Ⅳ类围岩中采用钢拱架+锚网支护，在Ⅱ、Ⅲ类稳定围岩中采用锚网+锚杆支护。

3.4.4 回填方案

由于TBM 巷道掘进成巷为圆形断面，为了满足矿山巷道的使用要求，需对底部部分圆弧无效空间进行回填。根据工程经验，TBM 掘进常用的回填方式有混凝土、预制仰拱块、预制仰拱块+混凝土、碎石+混凝土地面回填等。考虑经济性及使用要求，最终采用压实碎石+混凝土地面的回填方式。

3.4.5 掘进线路选择

根据本项目井巷线路布置情况，选择将硐口A作为始发硐口，施工完A 硐主巷后，先后施工环线支巷Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅴ，而后施工B 硐主巷，由硐口B 结束。最终，采用TBM 施工巷道总长度为12.2 km，整个项目施工工期为36个月。

3.5 TBM掘进技术与钻爆法掘进技术对比

3.5.1 掘进进度比较

根据TBM 在该矿山的实际应用情况可知，TBM很好地解决了在软岩、破碎带等复杂地段的施工问题，并顺利地过渡到稳定岩层，采用不带压模式掘进。施工记录显示，最快掘进速度为550 m/月，综合平均掘进速度为400 m/月，明显快于传统钻爆法施工速度80～120 m/月。实际施工工期为36 个月（含前期设备组装及施工准备时间），较传统钻爆法施工工期62个月节省26个月。

3.5.2 施工成本比较

根据现场实际施工情况，TBM 掘进成本与传统钻爆法成本对比情况见表2。

注：TBM掘进净断面φ6.47 m，钻爆法掘进净断面4.4 m×4.4 m。

由表2 可知，TBM 掘进施工成本高于钻爆法掘进，但由于TBM 掘进可以大幅减少建设时间，使矿山提前投产，提前获得矿山开发收益，降低财务时间成本，由此带来的矿山开发整体效益增加远远超过增加的施工成本。

3.5.3 其他方面优势

本矿山地处青藏高原，施工条件恶劣，安全环保要求高。采用TBM 施工，无需使用炸药爆破，可以明显改善井下作业的通风环境、卫生环境，降低安全风险；同时，由于该设备的智能化水平高，各工序均为机械化作业，并配备制氧设备，可以大幅降低工人的劳动强度，保证工人在高原环境下施工的身体健康。

4 结语

某金属矿山井巷工程量大，施工工期要求高，通过对项目沿线开展工程勘察，进行TBM 与本项目适配性分析，并综合考虑矿山开发整体效益，最终采用了TBM 掘进技术。应用后实现了矿山企业要求36个月完成本项目建设并投入使用的计划，实现了早投产早见效的目标，同时，施工过程中的安全、环保、职业卫生条件得到了更好地改善。TBM 掘进技术的应用对未来金属矿山井巷掘进智能化装备的应用有很好的借鉴作用。