胡陽　毛安　徐彬　王洪濤　李天國　劉震宇　張風(fēng)林　唐彬

摘? 要：為保證全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM）組裝硐室安全高效施工，通過理論計算以及施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析，對TBM組裝硐室支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，理論計算了煤礦TBM組裝硐室支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化支護(hù)方案。分析了組裝硐室易破壞部位并結(jié)合實例給出了相應(yīng)的解決方案，總結(jié)了TBM組裝硐室圍巖穩(wěn)定性控制策略，為以后煤礦深部地層TBM組裝硐室支護(hù)工程實踐提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦 TBM 組裝硐室 支護(hù)優(yōu)化

Optimal Design of TBM Assembly Chamber Support in the Deep Strata of Coal Mines

HU Yang MAO An XU Bin WANG Hongtao LI Tianguo LIU Zhenyu ZHANG Fenglin TANG Bin

1. Huainan Mining （Group） Co.， Ltd.; 2.School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology; 3.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mine， Anhui University of Science and Technology， Huainan， Anhui Province， 232001 China）

Abstract： In order to ensure the safe and efficient construction of the TBM assembly chamber， through theoretical calculations and the data analysis of the construction site， the supporting scheme of the TBM assembly chamber is optimized， and the supporting parameters of the TBM assembly chamber of the coal mine are calculated theoretically to optimize the supporting scheme. The vulnerable parts of the assembly chamber are analyzed， the corresponding solutions are given in combination with examples， and the control strategy for the stability of the surrounding rock of the TBM assembly chamber is summarized， which provides a reference for the practice of the support engineering of the TBM assembly chamber in the deep strata of coal mines in the future.

Key Words： Coal mine; TBM; Assembly chamber; Support optimization

隨著我國煤礦礦井開挖及建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，為解決不同地層和圍巖狀況的開挖難題，針對煤礦深部的巷道施工，國內(nèi)開始采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Full-section Tunnel Boring Machine，TBM）進(jìn)行深部地層煤礦巷道開挖和建設(shè)。TBM施工技術(shù)相對于傳統(tǒng)的鉆爆法不僅有著較高的掘進(jìn)速率并且安全性和經(jīng)濟(jì)性高，已廣泛運用于隧道開挖以及各類工程項目^[1]。

隨著TBM在煤礦深層開挖中使用，對于深部組裝硐室也提出了新的要求，TBM組裝硐室多為臨時結(jié)構(gòu)，材料一般不選取混凝土因其凝結(jié)周期長且造價高。其次由于TBM具有較大的尺寸與自重，所以支護(hù)要有效的控制圍巖的破壞與變形因此組裝硐室的支護(hù)問題是保障TBM工程按時按量且安全工作的重要保障，合理的支護(hù)方式可以更有效的保障工程質(zhì)量。為了解決組裝硐室出現(xiàn)的頂板破碎和巷道大變形問題，著重于頂板的支護(hù)和底板的硬化，這是支護(hù)的重難點，合理的支護(hù)方案既可以做到安全施工也可以節(jié)約成本^[2]。

對于上述情況，本文以張集礦TBM組裝硐室作為工程實例背景，結(jié)合現(xiàn)場檢測和理論計算的手段，通過分析計算結(jié)果和現(xiàn)場圍巖和應(yīng)力場的變化特性，驗證支護(hù)設(shè)計的合理性，給后期TBM組裝硐室的支護(hù)提供理論計算基礎(chǔ)和優(yōu)化參考依據(jù)。

1 工程背景?????????

TBM組裝硐室埋深-820 m，組裝硐室揭露以砂質(zhì)泥巖為主要巖性，泥巖和砂泥巖互層。組裝硐室寬8 m，高9 m，長20 m?，F(xiàn)場采用爆破掘進(jìn)的方式進(jìn)行施工，基于組裝硐室的截面積大，難以一次性完成成形工作，因此將施工分為拱頂，幫部和底部三層開挖。支護(hù)手段主要采用錨網(wǎng)噴并加以錨索加強(qiáng)支護(hù)。

2 組裝硐室支護(hù)方案

采用φ22×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿和φ22×8 300 mm鋼絞線錨索作為主要支護(hù)結(jié)構(gòu)?；谙飵退轿灰戚^大應(yīng)力小，頂?shù)装遑Q向位移小應(yīng)力大的特征，頂板和幫部噴射C20混凝土，厚度為100 mm。底板澆筑C40混凝土地坪，厚度為400 mm。錨桿錨索參數(shù)如表1所示。

3 TBM組裝硐室支護(hù)參數(shù)計算

組裝硐室處于以泥巖為主的地段，不考慮分層。在施工現(xiàn)場對巖石進(jìn)行取樣，并在室內(nèi)進(jìn)行力學(xué)實驗，取得巖石相關(guān)的基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)。通過在深部圍巖中錨固錨索，用來調(diào)動深部圍巖強(qiáng)度，以達(dá)到對錨桿錨固的巖體起到懸吊和保護(hù)的作用。巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.1 錨桿長度計算

3.2 錨桿錨固力

3.3 錨桿的直徑

3.4 錨索長度

3.5 錨索間排距的確定

3.6 錨索的錨固力

3.7 永久支護(hù)參數(shù)設(shè)計

錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計。支護(hù)參數(shù)設(shè)計原則，就是將錨桿約束作用合理分配，這樣既能保證支護(hù)的效果，也可以為加快成巷速度創(chuàng)造條件，因此需要分析圍巖的完整性、錨桿作用等。

3.7.1 按懸吊理論計算錨桿參數(shù)

3.7.2 按組合拱理論計算錨桿參數(shù)

3.8 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計

最小錨固長度：樹脂錨固應(yīng)大于1.5 m，使用3支 MSK（中）2850型樹脂藥卷，錨固長度1.5 m，符合要求。

錨索長度：巷道為全巖施工，使用錨索長度為6.3 m。

錨索間排距：S≤L/2（L為錨索孔長度，單位m；S為錨索間排距，單位m）?，F(xiàn)場錨索孔最低6 m，S≤3 m，實際錨索排距2 m，符合要求。

錨索錨固力：預(yù)應(yīng)力錨索單根設(shè)計錨固力應(yīng)大于200 kN，符合要求。通過理論計算，結(jié)合以往大型硐室施工經(jīng)驗和現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，確定組裝硐室支護(hù)參數(shù)。采用φ22×2 200 mm錨桿，間排距900 mm×900 mm。采用φ17.8×6 300 mm錨索，間排距1 800 mm×1 800 mm。支護(hù)設(shè)計如圖2所示。

4 煤礦深埋大型TBM組裝硐室支護(hù)策略

4.1 控制片幫

由于在巷道掘進(jìn)過程中會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力對的重分布，在巷幫一圈會出現(xiàn)應(yīng)力下降的現(xiàn)象，且會在深部出現(xiàn)高應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著開采的進(jìn)行巷幫周圍會出現(xiàn)塑性區(qū)域，此區(qū)域會有裂縫發(fā)育，且水平應(yīng)力會由于開挖所形成的自由面而降低為零。相當(dāng)于僅存在壓應(yīng)力，進(jìn)而在巷幫深處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。在此應(yīng)力條件作用下，會有翼型張裂紋發(fā)生在先前存在的裂紋尖端，這些裂紋到自由面的距離通常很短，基本平行于壓應(yīng)力方向^[3-5]。在外力作用下，微裂紋加寬并導(dǎo)致裂紋合并，最終形成大裂紋，煤壁沿自由面形成薄殼，會進(jìn)一步加劇煤壁裂隙發(fā)育及片幫的風(fēng)險?？梢圆捎美L制片幫素描圖來判斷片幫的主要類型，從而得到其受力模型，進(jìn)一步確定易發(fā)生問題的位置，采取針對性的預(yù)防措施^[6]。

巷道兩幫應(yīng)力影響區(qū)隨巷幫高度增大而增大，相應(yīng)應(yīng)力集中系數(shù)較高，如果應(yīng)力很高，巷道周邊附近應(yīng)力就會超過巖體承載能力而產(chǎn)生破裂片幫。同時，由于一次成巷斷面大，支護(hù)不及時容易造成幫部松動，尚未開始支護(hù)就片幫。改進(jìn)巷道施工程序，分上下兩段進(jìn)行大斷面盾構(gòu)巷道斷面成形施工，先沿巷道頂板進(jìn)行掘進(jìn)，清除殘余部分，對幫部進(jìn)行掛網(wǎng)打錨桿加固再開始進(jìn)行下部開挖，即采用錯層法施工，直至開挖完成達(dá)到設(shè)計規(guī)范，再繼續(xù)進(jìn)行幫部補(bǔ)強(qiáng)，這樣的施工方式可以解決巷道形成過程中過早支護(hù)的問題，同時盡可能地保留巷幫自身的承載能力。采用臺階式掘進(jìn)時，巷道幫部區(qū)域會受到較大水平力的影響，此時采用錨桿支護(hù)的方式對幫部進(jìn)行及時的加固。在巷道水平應(yīng)力持續(xù)增加的過程中，其水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力逐漸持平，幫部的自我承載力得到增強(qiáng)，使得圍巖的穩(wěn)定性得到很大程度的提升^[7]。

4.2 控制頂板

在硐室裝卸的過程中，基于對硐室整體性的考慮，其中作為承重主體結(jié)構(gòu)的頂板采用共同支撐，提高支護(hù)安全系數(shù)的同時，需根據(jù)施工現(xiàn)場后期的作業(yè)情況，在相應(yīng)的位置增設(shè)一定量的支護(hù)，可在頂板或肩窩上增設(shè)錨索，以達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果，從而強(qiáng)化頂板的支護(hù)，提高支護(hù)的可靠程度。也可采用長短錨桿為主導(dǎo)的多層支護(hù)技術(shù)，與現(xiàn)場施工相結(jié)合，選取合適的支護(hù)方式，從而確保硐室安全^[8]。

組裝硐室任意位置的圍巖失穩(wěn)都可能導(dǎo)致硐室整體發(fā)生失穩(wěn)，三處頂板臺階作為煤礦安全生產(chǎn)中的一個關(guān)鍵組成部分，需要作為重點防范對象處理。在三個臺階處發(fā)生的變形最為嚴(yán)重，最大變形量的臺階是沿著巷道延伸方向發(fā)展的，預(yù)計影響這三個臺階垮落的不是因為垂直變形，而是因為水平變形的擴(kuò)容導(dǎo)致遺留臺階的墜落，因此，需要對三處臺階進(jìn)行處理，處理方式可以通過掘進(jìn)方式解決，也可已通過爆破方式解決^[9]。

4.3 預(yù)防底鼓

隨著采深增加、巷道圍巖應(yīng)力增大，在淺部表現(xiàn)為較硬的煤巖層，到深部后表現(xiàn)為軟巖特征，巷道變形量大、易于底鼓，受采動支承壓力作用后，巷道強(qiáng)烈底鼓，維護(hù)困難。然而，影響巷道底鼓的因素很多，而且底鼓也具有時效性^[10]。結(jié)合圍巖力學(xué)環(huán)境分析主要有：工作面采動應(yīng)力、圍巖性質(zhì)、支護(hù)強(qiáng)度、水理作用等。巷道底板巖層不同深度位移方向和量級存在差異。巷道底部附近巖層的位移矢量指向巷道方向，而下方巖層的位移矢量指向更深處的地方，因此也可以得到位移矢量方向的變化。地下一定深度的巖層的一點或表面的位移為0或最小值。巖層處于零位移點向上的位置會受到拉應(yīng)力的作用并向上隆起，巖層處于零位移點向下的位置會受到壓應(yīng)力作用并發(fā)生沉陷。由于拉應(yīng)力的作用在零位移點上方的巖層會發(fā)生破壞，但下方的巖層不易被破壞，因此當(dāng)巷道發(fā)生底鼓時，只有巷道較淺的巖層向上隆起，深層巖層下。所以，最有效的加固法控制底鼓，就要增加零位移點之上底板巖層的剛度，采取加強(qiáng)支護(hù)，改變圍巖物理性質(zhì)等治理方案并結(jié)合實際施工進(jìn)行優(yōu)化，從而取得良好的控制效果^[11-14]。

5 結(jié)論

隨著煤礦TBM掘進(jìn)的應(yīng)用，為應(yīng)對深部地層復(fù)雜條件，對TBM組裝硐室支護(hù)的安全性和高效性提出了更高的要求。針對不同的地層和圍巖情況采用合理的支護(hù)方案，對各種支護(hù)方案結(jié)合現(xiàn)場以及數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化以達(dá)到更安全且高效的目的。在綜合考慮TBM組裝硐室施工效率和圍巖支護(hù)效果，可采用“循環(huán)臥底”正臺階法進(jìn)行施工，在確保施工安全的同時可以進(jìn)行支護(hù)等工藝，提高施工效率。對于組裝硐室大斷面和始發(fā)過程中施加的大荷載，提出了“兩防一控”即“控制片幫、控制頂板和預(yù)防底鼓”的圍巖控制方法和支護(hù)體系。

通過對TBM組裝硐室施工的檢測結(jié)果可知，在開挖之后會出現(xiàn)徑向應(yīng)力松弛和切向應(yīng)力集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致硐室局部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。垂直應(yīng)力對巷幫的變形破壞占主導(dǎo)作用，一是由劈裂形式導(dǎo)致的張開變形；二是垂直應(yīng)力在巷幫缺少圍壓的情況下所引起的節(jié)理發(fā)育部位巖塊剪切破壞。

綜合分析TBM組裝硐室圍壓支護(hù)效果以及硐室支護(hù)的施工效率，選用正臺階法進(jìn)行施工，該工法在確保施工安全的同時，也同步進(jìn)行了掘進(jìn)支護(hù)等工藝進(jìn)而提高施工效率。

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