敞開(kāi)式TBM撐靴處處理圍巖坍塌技術(shù)研究

任大勇 王旭升 許君

摘要：礦井建設(shè)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化施工也不斷創(chuàng)新發(fā)展。面對(duì)勞動(dòng)力市場(chǎng)日益緊張和復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境因素，TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)成為現(xiàn)代礦井巷道施工的引領(lǐng)者。但面對(duì)斷層、破碎帶、軟弱地層、高溫高壓等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境因素，需要不斷進(jìn)行TBM設(shè)備的革新改良，以更好的適應(yīng)施工環(huán)境，創(chuàng)造安全高效的施工條件。本文針對(duì)山東新巨龍采用TBM法施工中，通過(guò)沙袋法、木垛法、地錨法、注漿法、澆砼法、傳力棚法等處理軟弱巖幫，確保TBM撐靴處圍巖穩(wěn)定，保證撐靴支撐力，保持TBM推進(jìn)力進(jìn)行的技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：礦井建設(shè);TBM;撐靴;軟弱圍巖，技術(shù)

目前，礦井建設(shè)施工由20世紀(jì)50年代人工鋼釬大錘打眼放炮的土工作業(yè)模式，隨著國(guó)外先進(jìn)采掘設(shè)備、技術(shù)引進(jìn)和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)制造水平的提高，礦井建設(shè)水平取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已接近世界先進(jìn)國(guó)家，從20世紀(jì)70年代TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始由萍鄉(xiāng)礦務(wù)局、西安煤機(jī)廠等單位進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，到現(xiàn)在20-30臺(tái)TBM應(yīng)用于礦井建設(shè)，形成全斷面掘進(jìn)工廠化作業(yè)線。

1研究背景

21世紀(jì)是知識(shí)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代、信息的時(shí)代和科技的時(shí)代。在習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想指導(dǎo)下，各行各業(yè)都改革創(chuàng)新，飛速發(fā)展。礦井建設(shè)機(jī)械化也在迅猛發(fā)展，全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TunnelBoringMachine，簡(jiǎn)稱TBM）是在硬巖環(huán)境中，利用旋轉(zhuǎn)刀盤上的滾刀擠壓剪切破巖，通過(guò)旋轉(zhuǎn)刀盤鏟斗齒拾起石渣，落入主機(jī)皮帶上向后運(yùn)輸，再通過(guò)礦車或轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶至洞外。TBM是集成掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序并連續(xù)作業(yè)，是機(jī)、電、液、光、氣等系統(tǒng)集成的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進(jìn)速度快，利于環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)。

本文主要以應(yīng)用在山東新巨龍采用敞開(kāi)式TBM巖石隧道掘進(jìn)機(jī)施工為例進(jìn)行技術(shù)研究。開(kāi)敞式TBM，也稱支撐式TBM或撐靴式TBM，由刀盤、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主梁、推進(jìn)系統(tǒng)（包括推進(jìn)機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)、換步機(jī)構(gòu)、調(diào)向機(jī)構(gòu)）、支護(hù)系統(tǒng)和后配套等組成。特點(diǎn)是適應(yīng)硬巖地層，施工推進(jìn)主要是利用撐靴撐緊圍巖產(chǎn)生的摩擦力作為反作用力來(lái)平衡刀盤通過(guò)主梁、推進(jìn)液壓缸傳遞到撐靴上的推進(jìn)力，TBM有兩個(gè)撐靴，對(duì)稱布置，撐靴與鞍架、主梁、推進(jìn)液壓缸、鉸接液壓缸、支撐液壓缸協(xié)同工作，通過(guò)收縮伸長(zhǎng)交替實(shí)現(xiàn)推進(jìn)、上下坡和轉(zhuǎn)彎功能。

保持敞開(kāi)式TBM推進(jìn)力，撐靴是重要組成部分，推進(jìn)中它將設(shè)備的重力以及刀盤傳遞過(guò)來(lái)的推力和扭矩通過(guò)撐靴傳遞到圍巖上。為了增加推進(jìn)力，除了TBM設(shè)備可以增加撐靴的面積，調(diào)整油缸的方向、預(yù)留鋼筋棚槽口等進(jìn)行設(shè)備的改制，最重要的需改善撐靴處圍巖的穩(wěn)定性，普通巖層硬度較低，互層較多，難以保持整體穩(wěn)定性，圍巖被撐靴擠壓受力容易造成坍塌垮落，如何應(yīng)對(duì)坍塌保持推進(jìn)力成為施工中的一個(gè)重要課題。

2撐靴處坍塌處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1沙袋法

（1）適用范圍：坍塌部位巖石強(qiáng)度大，塌腔范圍小于撐靴面積，局部凹突的圍巖。（2）處理方法及措施：將沙袋運(yùn)送至坍塌位置，將撐靴與洞壁

間的塌腔填平，開(kāi)始撐撐靴，操作人員需注意觀察撐靴壓力和巷道圍巖變化情況，低壓撐到洞壁后，應(yīng)采取點(diǎn)動(dòng)使撐靴壓力緩慢上升，當(dāng)達(dá)到最大壓力，巷道圍巖無(wú)嚴(yán)重變化時(shí)，即可正常掘進(jìn)，并對(duì)圍巖進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（3）優(yōu)缺點(diǎn)：搬運(yùn)方便、快速高效，可以反復(fù)使用，能夠增大撐靴的接觸面積。但對(duì)圍巖穩(wěn)定要求高，沙袋變形大，不能單獨(dú)受力，需要與周邊圍巖聯(lián)合受力，后期仍要對(duì)圍巖進(jìn)行永久支護(hù)。

2.2木垛法

（1）適用范圍：坍塌部位大于撐靴面積，塌方深度20-60cm，周邊圍巖相對(duì)穩(wěn)定。（2）處理方法及措施：將長(zhǎng)度大于撐靴寬度20-50cm，規(guī)格為10-

20cm方木，運(yùn)送至坍塌位置，然后開(kāi)始撐撐靴至幫壁，在撐靴與幫壁間從底部向上順次擺放方木到頂，撐緊撐靴至最大壓力，正常推進(jìn)，安排專人觀察圍巖。（3）優(yōu)缺點(diǎn)：搬運(yùn)方便、快速高效，耗材較少。但上部圍巖不穩(wěn)定時(shí)有安全隱患，后期仍要對(duì)圍巖進(jìn)行二次支護(hù)，木材容易被壓壞。

2.3地錨法

（1）適用范圍：節(jié)理發(fā)育、較破碎、不穩(wěn)定巖層。（2）處理方法及措施：在預(yù)定撐靴位置，采用長(zhǎng)1.5-2m管縫式錨桿，配合φ6金屬網(wǎng)，進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿在撐靴邊緣范圍內(nèi)5-10cm打設(shè)，中間另布置一組，間距50-80cm，采用C20噴砼覆蓋錨桿，平整度參考撐靴弧面。噴漿料中含速凝劑，噴完后，清理場(chǎng)地，撐撐靴至最大壓力，正常推進(jìn)。（3）優(yōu)缺點(diǎn)：施工作業(yè)簡(jiǎn)單、安全可靠、受力穩(wěn)定，無(wú)二次破壞風(fēng)險(xiǎn)，后期補(bǔ)錨桿復(fù)噴即可。但不能平行作業(yè)，占時(shí)略長(zhǎng)，耗材較多。

2.4注漿法

（1）適用范圍：節(jié)理發(fā)育、較破碎巖層，未大面積塌方。（2）處理方法及措施：在巖石脫出盾體后，進(jìn)行C20噴漿噴厚5cm封閉圍巖，在靠近撐靴邊緣位置斜打眼，眼深1-1.5m，埋設(shè)花管，進(jìn)行注漿，注水玻璃-水泥雙液漿，注馬麗散、羅克休、聚氨酯等凝固較快的漿液，根據(jù)時(shí)間和環(huán)境要求所確定，注漿結(jié)束凝固后，撐撐靴至最大壓力，正常推進(jìn)，并對(duì)圍巖進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（3）優(yōu)缺點(diǎn)：可平行作業(yè)，可根據(jù)推進(jìn)時(shí)間優(yōu)化工序和控制凝固加固時(shí)間。但耗材多，成本高，注漿半徑不易控制，損耗大，后期仍要對(duì)圍巖進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)。

2.5澆砼法

（1）適用范圍：大面積塌方破壞的巖體。（2）處理方法及措施：找凈塌方范圍內(nèi)的浮矸滑石，可根據(jù)情況采用噴漿、錨桿、錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)，清凈底部浮矸距巷幫不少于20cm，找毛底部，或鑿槽10-20cm，立模澆筑混凝土，根據(jù)巖石性質(zhì)，也可采用留地錨、幫錨、加裝鋼筋或網(wǎng)片、增大混凝土標(biāo)號(hào)等辦法增加井幫穩(wěn)定性，待混凝土強(qiáng)度滿足要求，撐撐靴至最大壓力，正常推進(jìn)。（3）優(yōu)缺點(diǎn)：一次性成巷，安全可靠，撐靴接觸面積大。但耗時(shí)長(zhǎng)，影響整體施工進(jìn)度，不能平行作業(yè)。

2.6傳力棚法

（1）適用范圍：坍塌部位與撐靴基本平行，深度在30cm以內(nèi)，圍巖基本穩(wěn)定。（2）處理方法及措施：將工字鋼、木楔、鐵楔運(yùn)送至坍塌位置，或預(yù)先按撐靴弧面加工H棚架，在預(yù)定位置架H棚架或豎直放置3根工字鋼，，然后開(kāi)始撐撐靴，低壓撐緊H棚架或工字鋼到幫壁后，在間隙大的地方剎緊木楔或鐵楔，采取點(diǎn)動(dòng)使撐靴壓力到最大壓力時(shí)，圍巖無(wú)嚴(yán)重變化，正常推進(jìn)，并對(duì)圍巖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（3）優(yōu)缺點(diǎn)：材料固定不損耗，快速高效，承壓力大。但撐靴接觸比小，易滑動(dòng)，后期仍要對(duì)圍巖進(jìn)行永久支護(hù)。

3TBM發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的實(shí)施，TBM應(yīng)用于鐵路、水利、水電、城市地鐵、公路、石油燃?xì)夤艿馈⒃浇秃５姿淼赖裙こ?，也不斷用于煤礦、金礦、鐵礦等礦山建設(shè)施工，從平巷、斜井至立井都在開(kāi)發(fā)應(yīng)用中。如今礦井建設(shè)工程巷道長(zhǎng)，規(guī)模大，地質(zhì)條件復(fù)雜，開(kāi)拓越來(lái)越深，對(duì)開(kāi)挖速度、安全、環(huán)保、效益的要求越來(lái)越高，且體力勞動(dòng)者相對(duì)減少，尤其對(duì)礦山建設(shè)勞務(wù)人員招聘越來(lái)越難，這就為TBM提供平臺(tái)，TBM具有掘進(jìn)速度快、施工工期短、安全程度高、工程質(zhì)量?jī)?yōu)、作業(yè)環(huán)境好、總體用人少、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，更加顯現(xiàn)建設(shè)施工優(yōu)勢(shì)，也必然是今后發(fā)展的方向。

4結(jié)束語(yǔ)

總之，TBM在礦井建設(shè)中的發(fā)展應(yīng)用勢(shì)不可擋，通過(guò)應(yīng)對(duì)不同情況解決撐靴處軟弱圍巖的加固方法，為后續(xù)使用TBM提供了解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的一些辦法，為提高TBM掘進(jìn)速度、安全保障，促進(jìn)礦井建設(shè)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展做出努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊剛，鄭繼光.開(kāi)敞式TBM撐靴部位軟弱圍巖塌腔的通過(guò)方法[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2016（39）增刊：67-68.

[2]李威.TBM撐靴與圍巖接觸表面應(yīng)力分布均勻性研究[D].華東交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.