試析TBM在煤礦巷道施工中的應用技術

孫 輝

（山西潞安工程有限公司， 山西 長治 046000）

引言

TBM（Tunnel Boring Machine，全斷面隧道掘進機）是一種集液壓、電子、機械、電氣、激光于一體，用于完成隧道掘進、支護等施工工程的施工設備，以其自動化控制能力強、施工速度快、應用效益好等優勢，在眾多領域得到廣泛應用，成為促進隧洞工程集成化、現代化建設與發展的重要工具。為此，加強對TBM的研究，獲取更多TBM應用經驗，以提升TBM應用準確性、合理性、科學性與有效性。

1 煤礦巷道施工中TBM的應用理論

1.1 TBM組成結構

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，主要由機頭架（軸承裝置、潤滑裝置、傳動系統、密封系統等）與大梁水平支撐、動力支撐組成；二是護盾式全斷面隧道挖掘機，即配有結構保護盾的隧道挖掘機，在復雜地層中具有較強適用性。無論是敞開式TBM，還是護盾式TBM，其基本結構主要有刀盤（破巖、動力傳動）、主軸承（向主驅動系統傳遞刀盤荷載）、支撐裝置（為機械開挖提供反作用力，支撐的同時進行挖掘方向控制）、驅動系統（以變頻電機為主設備，是系統動力來源所在）、液壓系統（由高低壓流量油泵構成，維護系統可持續作用）、機頭架與主大梁（向刀盤、主軸承等傳遞支撐系統反作用力，達成TBM推進、挖掘等目的）[1]。TBM在煤礦隧道中的應用具有施工速度快、施工安全性高、施工質量好、機械化與自動化程度高、挖掘與出渣能力強等特征，是推動煤礦隧道施工自動化、集約化、系統化、現代化發展的重要手段。

1.2 TBM施工原理

TBM作為集液壓、電子、機械、電氣、激光等于一體的綜合型設備，其工作原理在于各設備、各系統（包括主機監控系統、導向系統、超前系統、安全保護系統、支護系統、掘進系統等）相互協調作用。在煤礦巷道施工中所應用到TBM施工方法主要有以下兩種：

1）導向控制法，即根據工程實際情況與施工要求，進行方向參數科學確定；挖掘機嚴格遵循指令向前掘進，使實踐操作過程中的中心線與規劃中心線保持一致。

2）掘進作用法，即根據超前地質預報，有針對性地落實超前處理措施（如遇破碎帶，TBM應留在原位置，對巖石地層進行科學處理后恢復正常操作；如遇深水區，利用錨桿、水泥漿液等進行圍巖加固處理；如遇滲水漏水問題，可通過施工前巖體固結、地下水封堵、引排水系統配置進行防控），并在此基礎上根據掘進模式（自動控制、手動控制）進行掘進參數設置（如施工現場地質條件較好，可施行高轉速低扭矩施工；在Ⅱ類、Ⅲa類硬巖條件下，開挖速度應控制在10%左右，在開挖一段時間后，適當提升速度；在Ⅲb類硬巖條件下，以自動扭轉模式為主，在推進過程中根據扭矩波動進行參數調整）[2]。通過換步，調整掘進方向，實現掘進循環作業。

2 煤礦巷道施工中TBM的應用實踐

2.1 工程概述

煤礦巷道全長約為1 576 m，施工現場位于地下500 m處?；诘刭|勘察發現：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，設計采用TBM施工法達到施工進度、質量、安全、成本協同優化目標。

2.2 施工方法

2.2.1 進行TBM的科學選型

1）了解煤礦巷道施工現場地質情況、周邊環境特征，結合施工質量目標、施工安全目標、掘進要求等，確定TBM類型。就本工程而言，確定TBM設備為敞開式全斷面隧道挖掘機。

2）依據煤礦巷道巖石屬性、設計要求、施工要求，對比同類型挖掘機技術參數、結構特征等，從而確定挖掘機型號。在本工程中，設計選用的敞開式全斷面隧道挖掘機為北方重工集團有限公司生產的QJYC045M煤礦巷道全斷面掘進機。該型掘進機依托盤形滾破原理實現煤礦巖巷支護工藝、煤礦運輸工藝與水平梁敞開式全斷面掘進機工藝的有機結合，具有掘進、支護、出渣、通風、防爆、除塵等多種功能，在復雜地層、大直徑、長距離、大埋深煤礦巷道施工中具有較高應用價值。

2.2.2 進行超前地質預報

為保證工程項目順利進行，除在施工準備階段做好地質勘察工作之外，在施工過程中也需要加強超前地質預報。例如，利用TSP地震波探測技術對施工地段地質數據進行采集，以實現施工現場圍巖級別、地下水發育情況、軟弱夾層、斷層破碎帶等的科學探測，使工作人員能夠根據探測結果進行施工方案調整與規劃，保證施工措施落實的準確、科學、合理與到位，降低施工不確定因素對工程質量、安全、效率的不利影響。

2.2.3 加強掘進初步設計

煤礦巷道掘進過程是一個循環操作過程，當一個作業循環完成之后，TBM回歸初始時，為保證施工順利進行，需加強初步設計，做好巷道支護工作。就本文所研究工程而言，由于工程圍巖穩定性較強，在開展錨網支護時，可采用懸吊理論進行錨桿設計。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）三部分構成，L1由錨桿類型而定，L2由巖巷跨度、巖石普氏系數而定；錨桿直徑取決于錨桿錨固力與負載能力；錨桿之間的距離取決于巖石容重、安全系數、錨桿直徑、錯固力。值得注意的是：在支護設計過程中，需做好支護參數優化工作，以促進支護作用的最大化發揮。

2.2.4 提升換步作業控制力度

在掘進過程中每一次換步需要進行一次方向調整，只有保證方向調整精準，才能避免主機方位偏移、掘進方向偏移等問題的產生。對此，在實踐操作過程中相關工作人員應提高對換步作業中掘進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，并利用PPS導向系統進行校核，進一步提高測量精度，使開挖導向始終控制在允許偏差范圍內。

2.2.5 做好施工現場管理工作

技術的科學、有效應用離不開管理支撐。對此，在煤礦巷道施工過程中，施工企業以及工作人員應樹立全過程動態管理理念，能夠圍繞TBM掘進建立科學、完善的施工管理體系與管理機制。例如，在先進管理理念指導下，利用先進管理工作做好設備故障檢測與維修工作、預報檢測工作等；落實崗位責任管理制度，在技術與質量交底制度、煤礦巷道施工材料與設備運輸制度、施工技術管理制度等約束與指導下，優化施工流程，提升施工質量，保障施工安全；成立TBM成本控制小組，進行TBM施工成本管理[3]。

3 結語

將TBM應用于煤礦巷道施工中，對提升煤礦巷道施工質量、效率與安全存在積極影響。在明確掌握TBM組成結構、施工特點、施工原理等理論知識基礎上，應善于結合工程實際情況，做好施工規劃與管控工作，保證施工方法落實的科學與有效，促進TBM應用作用最大化發揮。