孫 輝

（山西潞安工程有限公司， 山西 長治 046000）

引言

TBM（Tunnel Boring Machine，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)）是一種集液壓、電子、機(jī)械、電氣、激光于一體，用于完成隧道掘進(jìn)、支護(hù)等施工工程的施工設(shè)備，以其自動(dòng)化控制能力強(qiáng)、施工速度快、應(yīng)用效益好等優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為促進(jìn)隧洞工程集成化、現(xiàn)代化建設(shè)與發(fā)展的重要工具。為此，加強(qiáng)對TBM的研究，獲取更多TBM應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以提升TBM應(yīng)用準(zhǔn)確性、合理性、科學(xué)性與有效性。

1 煤礦巷道施工中TBM的應(yīng)用理論

1.1 TBM組成結(jié)構(gòu)

目前，在煤礦巷道施工中較為常見的TBM主要有兩種：一是敞開式全斷面隧道挖掘機(jī)，主要由機(jī)頭架（軸承裝置、潤滑裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等）與大梁水平支撐、動(dòng)力支撐組成；二是護(hù)盾式全斷面隧道挖掘機(jī)，即配有結(jié)構(gòu)保護(hù)盾的隧道挖掘機(jī)，在復(fù)雜地層中具有較強(qiáng)適用性。無論是敞開式TBM，還是護(hù)盾式TBM，其基本結(jié)構(gòu)主要有刀盤（破巖、動(dòng)力傳動(dòng)）、主軸承（向主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞刀盤荷載）、支撐裝置（為機(jī)械開挖提供反作用力，支撐的同時(shí)進(jìn)行挖掘方向控制）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（以變頻電機(jī)為主設(shè)備，是系統(tǒng)動(dòng)力來源所在）、液壓系統(tǒng)（由高低壓流量油泵構(gòu)成，維護(hù)系統(tǒng)可持續(xù)作用）、機(jī)頭架與主大梁（向刀盤、主軸承等傳遞支撐系統(tǒng)反作用力，達(dá)成TBM推進(jìn)、挖掘等目的）[1]。TBM在煤礦隧道中的應(yīng)用具有施工速度快、施工安全性高、施工質(zhì)量好、機(jī)械化與自動(dòng)化程度高、挖掘與出渣能力強(qiáng)等特征，是推動(dòng)煤礦隧道施工自動(dòng)化、集約化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代化發(fā)展的重要手段。

1.2 TBM施工原理

TBM作為集液壓、電子、機(jī)械、電氣、激光等于一體的綜合型設(shè)備，其工作原理在于各設(shè)備、各系統(tǒng)（包括主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、超前系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)等）相互協(xié)調(diào)作用。在煤礦巷道施工中所應(yīng)用到TBM施工方法主要有以下兩種：

1）導(dǎo)向控制法，即根據(jù)工程實(shí)際情況與施工要求，進(jìn)行方向參數(shù)科學(xué)確定；挖掘機(jī)嚴(yán)格遵循指令向前掘進(jìn)，使實(shí)踐操作過程中的中心線與規(guī)劃中心線保持一致。

2）掘進(jìn)作用法，即根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，有針對性地落實(shí)超前處理措施（如遇破碎帶，TBM應(yīng)留在原位置，對巖石地層進(jìn)行科學(xué)處理后恢復(fù)正常操作；如遇深水區(qū)，利用錨桿、水泥漿液等進(jìn)行圍巖加固處理；如遇滲水漏水問題，可通過施工前巖體固結(jié)、地下水封堵、引排水系統(tǒng)配置進(jìn)行防控），并在此基礎(chǔ)上根據(jù)掘進(jìn)模式（自動(dòng)控制、手動(dòng)控制）進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置（如施工現(xiàn)場地質(zhì)條件較好，可施行高轉(zhuǎn)速低扭矩施工；在Ⅱ類、Ⅲa類硬巖條件下，開挖速度應(yīng)控制在10%左右，在開挖一段時(shí)間后，適當(dāng)提升速度；在Ⅲb類硬巖條件下，以自動(dòng)扭轉(zhuǎn)模式為主，在推進(jìn)過程中根據(jù)扭矩波動(dòng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整）[2]。通過換步，調(diào)整掘進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)循環(huán)作業(yè)。

2 煤礦巷道施工中TBM的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 工程概述

煤礦巷道全長約為1 576 m，施工現(xiàn)場位于地下500 m處。基于地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)：煤礦巷道斷層明顯，斷層寬度在1.2～5.5 m之間；以混合巖為主（約占全線48%），巖體單軸抗壓強(qiáng)度在41～106 MPa之間；巖層涌水情況、巖體完整度相對較好。在本次施工中，設(shè)計(jì)采用TBM施工法達(dá)到施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)。

2.2 施工方法

2.2.1 進(jìn)行TBM的科學(xué)選型

1）了解煤礦巷道施工現(xiàn)場地質(zhì)情況、周邊環(huán)境特征，結(jié)合施工質(zhì)量目標(biāo)、施工安全目標(biāo)、掘進(jìn)要求等，確定TBM類型。就本工程而言，確定TBM設(shè)備為敞開式全斷面隧道挖掘機(jī)。

2）依據(jù)煤礦巷道巖石屬性、設(shè)計(jì)要求、施工要求，對比同類型挖掘機(jī)技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征等，從而確定挖掘機(jī)型號。在本工程中，設(shè)計(jì)選用的敞開式全斷面隧道挖掘機(jī)為北方重工集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的QJYC045M煤礦巷道全斷面掘進(jìn)機(jī)。該型掘進(jìn)機(jī)依托盤形滾破原理實(shí)現(xiàn)煤礦巖巷支護(hù)工藝、煤礦運(yùn)輸工藝與水平梁敞開式全斷面掘進(jìn)機(jī)工藝的有機(jī)結(jié)合，具有掘進(jìn)、支護(hù)、出渣、通風(fēng)、防爆、除塵等多種功能，在復(fù)雜地層、大直徑、長距離、大埋深煤礦巷道施工中具有較高應(yīng)用價(jià)值。

2.2.2 進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為保證工程項(xiàng)目順利進(jìn)行，除在施工準(zhǔn)備階段做好地質(zhì)勘察工作之外，在施工過程中也需要加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。例如，利用TSP地震波探測技術(shù)對施工地段地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場圍巖級別、地下水發(fā)育情況、軟弱夾層、斷層破碎帶等的科學(xué)探測，使工作人員能夠根據(jù)探測結(jié)果進(jìn)行施工方案調(diào)整與規(guī)劃，保證施工措施落實(shí)的準(zhǔn)確、科學(xué)、合理與到位，降低施工不確定因素對工程質(zhì)量、安全、效率的不利影響。

2.2.3 加強(qiáng)掘進(jìn)初步設(shè)計(jì)

煤礦巷道掘進(jìn)過程是一個(gè)循環(huán)操作過程，當(dāng)一個(gè)作業(yè)循環(huán)完成之后，TBM回歸初始時(shí)，為保證施工順利進(jìn)行，需加強(qiáng)初步設(shè)計(jì)，做好巷道支護(hù)工作。就本文所研究工程而言，由于工程圍巖穩(wěn)定性較強(qiáng)，在開展錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，可采用懸吊理論進(jìn)行錨桿設(shè)計(jì)。錨桿長度（L）由錨桿伸出部分（L1）、錨桿有效長度（L2）以及錨桿錨固長度（L3）三部分構(gòu)成，L1由錨桿類型而定，L2由巖巷跨度、巖石普氏系數(shù)而定；錨桿直徑取決于錨桿錨固力與負(fù)載能力；錨桿之間的距離取決于巖石容重、安全系數(shù)、錨桿直徑、錯(cuò)固力。值得注意的是：在支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，需做好支護(hù)參數(shù)優(yōu)化工作，以促進(jìn)支護(hù)作用的最大化發(fā)揮。

2.2.4 提升換步作業(yè)控制力度

在掘進(jìn)過程中每一次換步需要進(jìn)行一次方向調(diào)整，只有保證方向調(diào)整精準(zhǔn)，才能避免主機(jī)方位偏移、掘進(jìn)方向偏移等問題的產(chǎn)生。對此，在實(shí)踐操作過程中相關(guān)工作人員應(yīng)提高對換步作業(yè)中掘進(jìn)方向控制的重視程度。在此過程中，可通過人工測量初步確定控制參數(shù)，并利用PPS導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行校核，進(jìn)一步提高測量精度，使開挖導(dǎo)向始終控制在允許偏差范圍內(nèi)。

2.2.5 做好施工現(xiàn)場管理工作

技術(shù)的科學(xué)、有效應(yīng)用離不開管理支撐。對此，在煤礦巷道施工過程中，施工企業(yè)以及工作人員應(yīng)樹立全過程動(dòng)態(tài)管理理念，能夠圍繞TBM掘進(jìn)建立科學(xué)、完善的施工管理體系與管理機(jī)制。例如，在先進(jìn)管理理念指導(dǎo)下，利用先進(jìn)管理工作做好設(shè)備故障檢測與維修工作、預(yù)報(bào)檢測工作等；落實(shí)崗位責(zé)任管理制度，在技術(shù)與質(zhì)量交底制度、煤礦巷道施工材料與設(shè)備運(yùn)輸制度、施工技術(shù)管理制度等約束與指導(dǎo)下，優(yōu)化施工流程，提升施工質(zhì)量，保障施工安全；成立TBM成本控制小組，進(jìn)行TBM施工成本管理[3]。

3 結(jié)語

將TBM應(yīng)用于煤礦巷道施工中，對提升煤礦巷道施工質(zhì)量、效率與安全存在積極影響。在明確掌握TBM組成結(jié)構(gòu)、施工特點(diǎn)、施工原理等理論知識基礎(chǔ)上，應(yīng)善于結(jié)合工程實(shí)際情況，做好施工規(guī)劃與管控工作，保證施工方法落實(shí)的科學(xué)與有效，促進(jìn)TBM應(yīng)用作用最大化發(fā)揮。