房淑海

神華新疆能源有限責(zé)任公司澇壩灣煤礦,新疆 烏魯木齊 830027

前言

神華新疆能源有限責(zé)任公司瑪納斯縣澇壩灣煤礦副平硐工程位于新疆烏魯木齊以西100km處瑪納斯縣塔西河鄉(xiāng)境內(nèi)。工程地點(diǎn)位于新疆省道S101線南側(cè)，沿S101向東114km與國道G216線相接，向西10km與縣道X156線相連；沿X156線向北42km抵達(dá)國道G312線，并與北疆鐵路及烏奎高速公路相通，交通便利。塔西河在本工程西部外2km處由南向北流過，年平均流量7.26m3/s，其水量和水質(zhì)均滿足工程用水要求。

本工程主要為副平硐及石門施工：副平硐南北走向，設(shè)計(jì)長度5318m,石門設(shè)計(jì)長度900m，圍巖系數(shù)f=3-8.9，擔(dān)負(fù)全礦井的材料、矸石、設(shè)備、人員運(yùn)輸，并部分進(jìn)風(fēng)。采用中鐵重工集團(tuán)生產(chǎn)的ZTE6420復(fù)合式硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工，工程已于2012年9月底開工建設(shè)，計(jì)劃2014年5月完成。設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面為直徑6.42米圓形巷道，掘進(jìn)斷面積32.34m2，硬巖實(shí)際月均單進(jìn)350米/月，比普通礦用綜掘機(jī)效率提高3～5倍。在煤礦系統(tǒng)，長距離巷道工程采用復(fù)合式硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM機(jī)）施工在國內(nèi)尚屬首例，它對煤礦建井技術(shù)是一場革命，對煤礦安全、高效建設(shè)具有極其重要的意義。

1 地質(zhì)概況

根據(jù)《澇壩灣煤礦副井平硐工程地質(zhì)勘查報(bào)告》，地勘4個(gè)孔分別為G2011-1、2、3、4，圍巖等級III、IV類，巖石強(qiáng)度16.3MPa～81.5MPa。穿越地層主要為粉砂巖細(xì)砂巖，部分地段破碎帶發(fā)育較明顯，其中：4#孔—3#孔沿線硐身圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)由IV類逐漸遞為III類，穩(wěn)定性由不穩(wěn)定遞變至中等穩(wěn)定，巖石完整性由差-破碎-遞變至中等；3#孔—2#孔沿線硐身圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)由III類逐漸遞為IV類，穩(wěn)定性由中等穩(wěn)定遞變至不穩(wěn)定，巖石完整性由中等-遞變至中等、較完整；2#孔—1#孔沿線硐身巖石完整性均為中等-較完整。

水文地質(zhì)方面：井田位于塔西河?xùn)|部，井田西邊界距塔西河1830m。該河流經(jīng)本井田西側(cè)的水位標(biāo)高為1396m，該標(biāo)高為井田范圍內(nèi)的當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面。地下水與地表水及各含水層之間的水力聯(lián)系，由于井田氣候環(huán)境及地形地貌條件，大氣降水比較豐富，加之廣布于井田內(nèi)透水性好的第四系松散層的存在，植被茂盛，大氣降水、雪融水易在此停留、蓄集，并通過覆于松散層之下的巖石風(fēng)化、構(gòu)造裂隙順層補(bǔ)給井田地下。井田西界外塔西河最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高高于井田北部ZK201、ZK401孔控制的B15、B17煤層頂板標(biāo)高。塔西河垂直切割地層的同時(shí)，可順層遠(yuǎn)距離滲透側(cè)向補(bǔ)給井田地下。兩種補(bǔ)給方式長期作用的結(jié)果，使得井田地下賦存一定量的孔隙裂隙水，并具有弱承壓性質(zhì)。

根據(jù)井上下對照圖，副平硐掘進(jìn)過程中需穿越石門子水庫東邊界，實(shí)地探測石門子水庫庫容保持在5000萬m3，副平硐巷道頂距離水庫底部垂直厚度約66m。所以施工過程中，平硐掘進(jìn)中的探放水工作是施工難點(diǎn)之一。

2 副平硐工程相關(guān)設(shè)施、設(shè)備配置

2.1 工作面設(shè)備配置

ZTE6420掘進(jìn)機(jī)在結(jié)構(gòu)上包括刀盤、盾體、人艙、螺旋輸送機(jī)、管片安裝機(jī)、管片小車、皮帶機(jī)和后配套拖車等；功能上包括開挖系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、出碴系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、油脂系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、激光導(dǎo)向系統(tǒng)及通風(fēng)、供水、供電、氣體監(jiān)測系統(tǒng)等。

2.2 硐外運(yùn)輸設(shè)備配置

2.3 管片生產(chǎn)供應(yīng)

管片生產(chǎn)供應(yīng)是在地面建設(shè)管片廠及其配套設(shè)施，提前預(yù)制好工程所需管片。廠房廠區(qū)總面積約70350m2，其中：鋼筋車間1750m2，成型車間1750m2，混凝土攪拌站及料場3500m2，儲(chǔ)運(yùn)場及養(yǎng)護(hù)池5000m2。

3 施工工藝

副平硐采用復(fù)合式硬巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工，巷道全斷面一次掘進(jìn)成形。掘進(jìn)機(jī)每掘進(jìn)完1.5m后，錯(cuò)縫拼裝1.5 m 寬預(yù)制鋼筋混凝土管片，每環(huán)由6 塊（FT、L1T、L2T、B1T、B2T、B3T）組成，外徑6200mm，內(nèi)徑5700mm，厚度250mm，寬度1500mm，楔形量20mm；掘進(jìn)與支護(hù)順序作業(yè)。

3.1 施工順序

首先布置測量控制點(diǎn)與TBM機(jī)測量系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)，指導(dǎo)掘進(jìn)，然后進(jìn)行掘進(jìn)并同步注漿，掘進(jìn)完畢1.5m后進(jìn)行管片拼裝。

3.2 巷道掘進(jìn)方式

采用硬巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，土倉內(nèi)渣土通過螺旋輸送機(jī)輸送到臺(tái)車上皮帶，通過皮帶輸送到渣土箱中，通過電機(jī)車運(yùn)輸出硐。

3.3 TBM機(jī)掘進(jìn)及管片拼裝

TBM機(jī)推進(jìn)主要參數(shù)控制：根據(jù)地層不同特性分別采用不同掘進(jìn)模式進(jìn)行開挖。在不穩(wěn)定地層中，掘進(jìn)機(jī)可以采用土壓平衡模式掘進(jìn)；在穩(wěn)定性較好地層中采用敞開式掘進(jìn)；根據(jù)實(shí)際地層不同還可以采用半敞開式掘進(jìn)，三種模式可靈活轉(zhuǎn)換。通過這幾種工作模式的組合工作，確保安全可靠掘進(jìn)。

①平衡壓力值設(shè)定原則

正面平衡壓力：P=k0γh 其中：P-平衡壓力（包括地下水）；γ-土體的平均重度（KN/m3）；h-隧道埋深（m）；k0-土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)。

②推進(jìn)出土量控制：每環(huán)理論出土量＝π/4×D×L＝π/4×6.422×1.5＝48.56m3/環(huán)。實(shí)際掘進(jìn)過程中巷道圍巖經(jīng)巖石硬度測試，硬度系數(shù)f最高達(dá)到8.9，需加補(bǔ)充添加劑進(jìn)行刀盤刀具降溫，提高土質(zhì)潤滑性，方便出土，通常每環(huán)加水量在40方左右，故實(shí)際每環(huán)出土量在90方左右。

③推進(jìn)速度：正常推進(jìn)時(shí)速度在2cm/min～4cm/min之間。遇強(qiáng)度較高、完整性較好硬巖地段及過不良地層時(shí)，速度控制在1cm/min左右。

④掘進(jìn)軸線控制：TBM軸線控制偏離設(shè)計(jì)軸線不得大于50mm。

⑤管片拼裝控制：管片拼裝程序見下圖1。

3.4 同步注漿和二次補(bǔ)壓漿

同步注漿目的是充填土體與管片圓環(huán)間的建筑間隙和減少后期變形。每環(huán)的建筑空隙為1.5π（6.42*6.42－6.2*6.2）/4＝3.27m3，每環(huán)壓漿量一般為建筑空隙的130%～160%，因該副平硐巖石硬度高，穩(wěn)定性較好，為不破壞管片，取1的系數(shù)比較合適，即每推進(jìn)一環(huán)同步注漿量為3.5m3左右。

圖1 管片拼裝程序框圖

同步注漿材料確定：本工程實(shí)際施工中同步注漿先期采用可硬性漿液，材料為粉煤灰、砂、膨潤土等（俗稱雙液漿）。但根據(jù)實(shí)際觀測，發(fā)現(xiàn)效果較差，主要表現(xiàn)在管片錯(cuò)臺(tái)誤差超過規(guī)范要求，雖然雙液漿具有流動(dòng)性好，注漿便利，成本低等優(yōu)勢，但是存在凝固周期長，遇水易流失等缺點(diǎn)，特別是掘進(jìn)工作面后部5環(huán)管片范圍內(nèi)，隨著后配套臺(tái)車壓在管片上后，管片底部雙液漿初凝階段無法抵抗臺(tái)車重量，造成管片沉降量大。所以在副平硐掘進(jìn)2.8km后及時(shí)更換注漿系統(tǒng)，主要以注入砂漿為主，取得了較好效果。

襯砌壁后二次補(bǔ)壓注漿及遇裂隙水段處理：襯砌壁后二次注漿采用雙液漿，采取措施一是對有裂隙水段進(jìn)行泄水，二是及時(shí)施工止水環(huán)箍，在有裂隙水發(fā)生區(qū)域前后20m之內(nèi)進(jìn)行環(huán)箍施工，環(huán)箍施工主要采用煤礦用封堵材料--瑪麗散。環(huán)箍施工完畢后，采用雙液漿填充裂隙水段，裂隙水成功封堵之后，對區(qū)域外流失的漿液進(jìn)行補(bǔ)注。

4 工程施工難點(diǎn)及對策

4.1 工程重難點(diǎn)分析

表2 重難點(diǎn)施工對策表

①設(shè)備選型：設(shè)備功能和性能指標(biāo)與本工程設(shè)計(jì)、工程地質(zhì)符合性非常重要。澇壩灣煤礦副平硐選用ZTE6420復(fù)合式硬巖掘進(jìn)機(jī)，總體來說比較成功，滿足工程建設(shè)需要，但從工程實(shí)踐看仍有許多改進(jìn)之處，這一點(diǎn)在后述的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中補(bǔ)充說明。

②基巖裂隙水、孔隙潛水和穿越地面石門子水庫：副平硐沿線巖體中分布的泥質(zhì)巖夾層具有相對隔水性，局部有基巖裂隙水、孔隙潛水賦存，同時(shí)，平硐還需穿越石門子水庫東邊界下方66m處左右，對施工安全有巨大危害，礦井突涌水預(yù)測和治理也是本工程的一個(gè)難點(diǎn)。

③TBM機(jī)檢修和保養(yǎng)非常關(guān)鍵：掘進(jìn)機(jī)屬于大型掘進(jìn)設(shè)備，主機(jī)和后配套均必須進(jìn)行日常檢修和保養(yǎng)。

④長距離通風(fēng)是創(chuàng)造良好施工環(huán)境的關(guān)鍵：煤礦副平硐受地形條件及工法的限制，無法布置通風(fēng)支洞和豎井。特別是本工程屬煤礦巷道，瓦斯等有害氣體危害很大，因此施工通風(fēng)也是副平硐施工難點(diǎn)之一。

⑤施工運(yùn)輸：洞內(nèi)出渣運(yùn)輸和材料運(yùn)輸全部采用軌道運(yùn)輸。

⑥冬季施工：新疆山區(qū)冬季嚴(yán)寒，氣溫多在20℃以下，混凝土施工、漿液拌合及施工供水必須采取保溫措施，以保證冬季順利施工。

4.2 工程重難點(diǎn)對策（見表2）

5.經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及建議

通過對澇壩灣煤礦TBM機(jī)施工工藝初步研究，我們認(rèn)為TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)是

一種集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)和通風(fēng)除塵等諸多功能為一體的大型高效聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

5.1 機(jī)械化程度高，使用勞動(dòng)力少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)環(huán)境好，作業(yè)連續(xù)，效率高，可進(jìn)行多種功能的一條龍作業(yè)，施工速度為鉆爆法的5倍以上。

5.2 對圍巖擾動(dòng)少，開挖輪廓超挖量少，減少支護(hù)量，降低工程費(fèi)用。避免了因爆破振動(dòng)可能引起的圍巖松動(dòng)坍塌，施工安全性大大提高。

5.3 綜合解決困擾煤礦掘進(jìn)工作面兩大難題：一是煤礦巷道掘進(jìn)中永久支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)之間的合理、安全銜接。TBM機(jī)掘進(jìn)支護(hù)時(shí)管片對接全過程在護(hù)盾下安裝對接，不存在控頂距，安全保障程度高。二是掘進(jìn)面粉塵治理大大改善。TBM機(jī)施工可以做到全封閉，TBM機(jī)艙外粉塵較少，工人在平硐作業(yè)場所內(nèi)空氣質(zhì)量與外部地面空氣相當(dāng)，作業(yè)環(huán)境大大改善。

總之，TBM機(jī)在煤礦平硐施工中具有對圍巖破壞少、掘進(jìn)速度高、作業(yè)環(huán)境好，后續(xù)施工工序簡化等優(yōu)勢，尤其在以人為本，環(huán)保理念越來越被重視的今天，這些優(yōu)點(diǎn)顯得尤為重要。相信TBM機(jī)在我國煤礦未來建設(shè)中的比重將會(huì)越來越大，其發(fā)展應(yīng)用的前景十分廣闊。但是，這種先進(jìn)的現(xiàn)代化巷道掘進(jìn)工藝如果要完全適應(yīng)煤礦建設(shè)存在許多值得總結(jié)的地方，結(jié)合我礦TBM機(jī)實(shí)際施工中遇到的問題，教訓(xùn)及建議如下：

⑴TBM機(jī)渣土外運(yùn)十分困難，主要因TBM機(jī)掘進(jìn)中注入了大量潤滑劑，導(dǎo)致渣土含水量增加，外排渣土全部成稀糊狀，造成出洞口后渣土外排十分困難，特別是冬季外排更為困難。建議從源頭控制住水量，降低渣土含水量。

⑵TBM機(jī)施工對巷道地質(zhì)勘探程度要求較高，翔實(shí)的地勘資料，對設(shè)備選型及后期掘進(jìn)更有利。而澇壩灣煤礦副平硐井筒地質(zhì)勘探資料少，有一定局限性。所以做好巷道地勘是保證TBM機(jī)快速掘進(jìn)的基礎(chǔ)。

⑶建議TBM機(jī)施工長距離巷道通風(fēng)必須達(dá)到煤礦巷道掘進(jìn)中風(fēng)筒續(xù)接不停風(fēng)和掘進(jìn)面雙風(fēng)機(jī)雙電源要求。同時(shí)，滿足國家執(zhí)行的《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道掘進(jìn)中的風(fēng)電閉鎖和瓦斯電閉鎖要求。

⑷建議解決TBM機(jī)及后配套設(shè)備等非防爆問題以及隧道施工隊(duì)伍從事煤礦掘進(jìn)工程的施工資質(zhì)問題。

⑸建議促進(jìn)TBM機(jī)自配的氣體監(jiān)測與煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的科學(xué)無縫對接。

6 結(jié)束語

通過對澇壩灣煤礦副平硐工程TBM機(jī)施工工藝初步研究，期望這種有益的嘗試能夠促進(jìn)主要用于鐵路隧道施工的先進(jìn)工藝順利引入煤礦建設(shè)，為我國煤礦建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為煤礦礦井建設(shè)以后的工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]雷升祥主編.斜井TBM法施工技術(shù).北京:中國鐵道出版社,2012.

[2]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]唐經(jīng)世,唐元寧.掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)機(jī).北京:中國鐵道出版社，2009.