【摘要】TBM是地下工程施工中所使用的重要機(jī)械設(shè)備，煤礦長(zhǎng)斜井隧道施工是一種特殊的隧道工程，使用TBM進(jìn)行長(zhǎng)斜井施工是一種新型技術(shù)的嘗試，具有突破性的意義。本文就TBM法在煤礦長(zhǎng)斜井的綜合施工中技術(shù)參數(shù)的選擇進(jìn)行分析，討論煤礦長(zhǎng)斜井施工中的TBM選型和施工中存在的主要技術(shù)問(wèn)題，分析TBM法在長(zhǎng)斜井施工中應(yīng)用的可行性。

【關(guān)鍵詞】煤礦；斜井；掘進(jìn)機(jī)；施工技術(shù)

煤礦的長(zhǎng)斜井根據(jù)用途可分為主井和副井兩類，具有長(zhǎng)度長(zhǎng)、埋深大的特點(diǎn)，需要穿過(guò)復(fù)雜的地層和煤系地層。在煤礦斜井的施工中，采用TBM法還屬于一種新型的技術(shù)，施工經(jīng)驗(yàn)少，處于使用的探索階段，發(fā)展還不夠成熟，缺乏案例支撐。對(duì)于我國(guó)煤礦長(zhǎng)斜井的施工中，使用TBM法是一種技術(shù)的變革，對(duì)我國(guó)的煤礦建井技術(shù)來(lái)說(shuō)具有開拓性的意義。常規(guī)的礦井施工多以鉆爆法為主，相對(duì)于鉆爆法來(lái)說(shuō)，TBM具有開挖效率高、開挖面質(zhì)量高、使用經(jīng)濟(jì)、安全性高等特點(diǎn)。正是由于TBM法具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在煤礦斜井中采用TBM法進(jìn)行施工，也是我國(guó)煤礦斜井施工的發(fā)展趨勢(shì)。

1、斜井主要技術(shù)參數(shù)選定

1.1斜井坡度

斜井要滿足功能性要求，首先要就有盡可能大的運(yùn)力，因?yàn)樾本獫M足煤礦運(yùn)輸上井、人們的上下通行、排矸和投放設(shè)備等要求。對(duì)于斜井來(lái)說(shuō)，其坡度越大，長(zhǎng)度就越短，經(jīng)濟(jì)性也就越好，但是這樣一來(lái)在施運(yùn)輸、施工和管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的難度也就相應(yīng)的增加。斜井的最大坡度的設(shè)計(jì)需要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：第一方面，管片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力。我們通過(guò)對(duì)斜井襯砌的管片機(jī)構(gòu)受力中的下滑力和摩擦阻力進(jìn)行計(jì)算分析得出，如果將斜井坡度保持在15%的范圍以下，管片結(jié)構(gòu)的自我穩(wěn)定良好，如果坡度大于9度，則管片有下滑的可能，需要對(duì)管片進(jìn)行加固。第二方面，平皮帶運(yùn)輸?shù)陌残嵌取ＭǔＦ狡н\(yùn)輸?shù)陌残嵌茸畲笾翟?6度，如果大過(guò)這個(gè)度數(shù)，則平皮帶出渣就實(shí)施困難。礦井在開挖過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)通常采用平皮帶出渣和螺旋輸送出渣兩種方式。平皮帶與掘進(jìn)機(jī)的夾角大小對(duì)平皮帶出渣的效率有直接的影響，也就是說(shuō)，一定要保持安歇角在16度的范圍之內(nèi)。第三方面，與輔助運(yùn)輸方式關(guān)聯(lián)。要充分考慮到多功能運(yùn)輸車的爬坡能力，目前運(yùn)輸車的最大爬坡能力為11度。

1.2斷面界限

斜井采用TBM掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，其斷面界限的要求有以下幾點(diǎn)：第一，主井和副井的永久運(yùn)輸。對(duì)于支護(hù)架的運(yùn)輸、設(shè)備的運(yùn)輸、人員和材料的運(yùn)輸?shù)榷家獫M足，斷面尺寸內(nèi)凈空間在7米以上。第二，襯砌厚度。埋深的不斷變化，使得水壓和地壓都在不斷的變化之中，為了結(jié)構(gòu)安全，需要對(duì)襯砌管片的厚度設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，一般不能低于400mm。第三，施工安全要求。要有良好的通風(fēng)，滿足安全供水、供電、排水的要求。

2、斜井隧道施工TBM選型

2.1TBM選型中主要考慮的因素

（1）工程的地質(zhì)條件。不同的地質(zhì)條件和水文條件，要選擇合適的TBM設(shè)備。敞開式掘進(jìn)機(jī)適用于巖體完整，自穩(wěn)性良好、硬度在50～150MPa的硬巖地層。如果具有有效的支護(hù)手段，可以在軟巖隧道的掘進(jìn)中使用，但是要嚴(yán)格限制掘進(jìn)的速度；雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)適用于巖體比較完整、有一定自穩(wěn)性，硬度在30～90MPa的地層；單護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)使用于硬度在5～60MPa的軟巖地層。（2）掘進(jìn)性能和速度。敞開式掘進(jìn)的掘進(jìn)參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件進(jìn)行隨時(shí)的調(diào)整。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)與敞開式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)性能差不多。但是敞開式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度受地質(zhì)影響較大，護(hù)盾式掘進(jìn)受地質(zhì)條件的影響較小，能夠根據(jù)地質(zhì)情況對(duì)掘進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整。（3）支護(hù)速度和安全性。在地質(zhì)條件良好的施工條件下，敞開式掘進(jìn)機(jī)的支護(hù)工作量較小，因素掘進(jìn)速度也快。但是在地質(zhì)條件較差的情況下，使用敞開式掘進(jìn)機(jī)需要超前進(jìn)行地層加固，支護(hù)量大，相應(yīng)的速度也慢。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)能夠根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行掘進(jìn)模式的調(diào)整，采用管片支護(hù)，速度快。另外護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)工人在施工中有護(hù)盾做保護(hù)，相對(duì)于敞開式掘進(jìn)機(jī)來(lái)說(shuō)，安全性高。（4）應(yīng)急處理的靈活性與速度。敞開式掘進(jìn)機(jī)在遇到緊急問(wèn)題，如：斷層、基巖裂隙水等，水和沙土?xí)苯忧秩氲阶饔每臻g，應(yīng)急處理難度大。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)的靈活度也是有線的，但是可以將出土轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪鐾粒`活性更高一些。

2.2不同掘進(jìn)工藝技術(shù)比較分析

敞開式TBM適用于圍巖自穩(wěn)性好的地層施工。雙護(hù)盾TBM的兩節(jié)護(hù)盾對(duì)于開挖面坍塌有交互的防護(hù)功能，更適用于混合地層的開挖作業(yè)，如果地質(zhì)條件較好，其還能夠?qū)崿F(xiàn)管片拼裝和開挖掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行，掘進(jìn)效率高。單護(hù)盾TBM在地質(zhì)條件較好的地層具有較快的掘進(jìn)速度，相比于雙護(hù)盾TBM來(lái)說(shuō)，投資成本更低。

3、主要技術(shù)難題和解決策略

3.1施工排水

根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)資料和水文資料，對(duì)地下的水文情況進(jìn)行確定。確定涌水量的最大值后，按照水量的2倍系數(shù)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于煤礦長(zhǎng)斜井來(lái)說(shuō)，如果使用單級(jí)泵進(jìn)行排水比較困難，在設(shè)計(jì)上選擇多級(jí)泵輸送的排水系統(tǒng)。考慮到斜井?dāng)嗝娴那闆r，對(duì)斜井?dāng)嗝娴默F(xiàn)狀加以利用，在側(cè)邊布置臨時(shí)水箱，并在側(cè)邊擴(kuò)挖水倉(cāng)，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析后，設(shè)計(jì)兩種應(yīng)對(duì)方案。一種方案是采用十余級(jí)泵站的小揚(yáng)程小儲(chǔ)量臨時(shí)水處理箱多級(jí)泵站；另一種方案是采用 3級(jí)水倉(cāng)的大揚(yáng)程大儲(chǔ)量多級(jí)泵站。為保證排水的安全性，采用多重保險(xiǎn)的排水策略。

3.2長(zhǎng)距離運(yùn)輸

采用皮帶機(jī)進(jìn)行出渣運(yùn)輸，其余的運(yùn)輸作業(yè)量，如材料、水泥、人員等由輔助運(yùn)輸系統(tǒng)完成運(yùn)輸要求。其它洞內(nèi)材料用無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)，采用MSV多功能運(yùn)輸車進(jìn)行運(yùn)輸。

3.3不良地質(zhì)段的處理

對(duì)TBM前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，如果有不良地質(zhì)條件存在，在不良地質(zhì)段的掘進(jìn)施工之前，將掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)模式進(jìn)行調(diào)整，將敞開式轉(zhuǎn)換土壓平衡式，對(duì)刀盤的轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整，改變切削量和出渣量，保持壓力平衡的狀態(tài)下進(jìn)行掘進(jìn)。對(duì)于含瓦斯的煤系地層，在穿越時(shí)，需要從隧道施工技術(shù)方面采取必要的措施，盡量減少瓦斯對(duì)施工的影響，可從隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)、電氣管理、瓦斯監(jiān)測(cè)等三個(gè)方面為重點(diǎn)進(jìn)行研究，有針對(duì)性的解決瓦斯帶來(lái)的難題，盡可能的建設(shè)瓦斯對(duì)盾構(gòu)隧道施工的影響。

4、結(jié)語(yǔ)

采用TBM法對(duì)煤礦長(zhǎng)斜井進(jìn)行施工，在技術(shù)方面是具有一定的可行性的，但是也存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難題，如排水問(wèn)題、襯砌結(jié)構(gòu)問(wèn)題、長(zhǎng)距離運(yùn)輸問(wèn)題等，需要仔細(xì)的分析，采取恰當(dāng)?shù)拇胧?duì)這些問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行解決和控制。隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在煤礦長(zhǎng)斜井的施工技術(shù)中也需要有所創(chuàng)新，對(duì)于關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行立項(xiàng)鉆研，探索解決的方法。在煤礦長(zhǎng)斜井中采用TBM法施工，對(duì)于我國(guó)煤礦高效建井具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)值。

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基金項(xiàng)目

沈陽(yáng)市科技創(chuàng)新條件與環(huán)境建設(shè)—重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)專項(xiàng)

項(xiàng)目名稱：“沈陽(yáng)市全斷面掘進(jìn)機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”

項(xiàng)目編號(hào)：F12-257-1-00