盾構/TBM施工煤礦長距離斜井的技術挑戰與展望

何 川

（西南交通大學，四川成都 610031）

盾構/TBM施工煤礦長距離斜井的技術挑戰與展望

何 川

（西南交通大學，四川成都 610031）

采用盾構/TBM修建深埋長距離斜井是一個嶄新的課題，對于縮短礦井建設周期，降低造價具有重要的意義。文章通過對傳統礦山法與盾構/TBM法的技術參數與經濟指標進行全面比較，分析了盾構/TBM技術在煤礦礦井建設中的應用前景，介紹了盾構/TBM施工斜井應用現狀，在此基礎上，著重從盾構/TBM的選型與適應性、斜井井壁結構設計、復雜環境中施工等方面分析了盾構/TBM施工煤礦長距離斜井所面臨的挑戰，綜述了近期開展的相關技術研究與進展，主要包括：雙模式盾構/TBM的研制、新型井壁結構體系的構建和復雜條件施工時的處置技術等。最后，討論了尚存的問題以及相關問題研究的發展趨勢。

盾構/TBM；煤礦斜井；新型井壁結構體系

0 引言

隨著國民經濟平穩快速的發展，煤炭作為我國能源結構的主體，消費量逐年持續增長，在未來相當長時期內煤炭仍然是我國的主要能源。雖然我國煤炭資源儲量豐富，但在已探明儲量中近53%埋深在1 000 m以下，許多礦區煤采時間較長或者煤炭資源埋藏深度大，開采深度以每年8～12 m的速度遞增［1－2］。以神東、準格爾、平朔、大同、兗州、西山等為代表的山西、陜西、內蒙古、山東、遼寧和黑龍江等地區，多數大型煤礦已相繼進入了深部開采階段，采用斜井或立井快速進入綜采工作面大量運用。與斜井相比，立井提升運營成本高、產量低［3］，而大型超長鋼絲繩強力皮帶和無軌膠輪車等先進技術的應用，使斜井長距離運輸能力大大增強，已然成為當前大型礦井進入深部開采面的主要方式。然而，由于斜井縱坡往往較小（國內通常為6°左右）、長度極長，采用傳統工法修建往往工期漫長、造價高昂，而盾構/TBM施工速度快，對縮短煤礦建設周期有重要價值。因此，采用盾構/TBM修建煤礦長距離斜井快速進入開采工作面，實現長距離深部掘采與高效運輸已成為當前煤炭開采的重要課題［4］。

煤礦斜井的建設通常采用鉆爆法，施工進度較慢（70～100 m/月），當穿越含水層、軟弱破碎巖層時，常需結合凍結法、帷幕注漿或板樁法等特殊工法輔助開展，不僅施工速度大大降低、質量得不到保障，而且造價和生產運營費用高昂，安全管理難度大，對涌水、巖爆、圍巖泥化等地質條件的適應性差，對圍巖擾動大、巷道成型差。將其技術參數與經濟指標與盾構/TBM進行比較，見表1。

表1 鉆爆法與盾構/TBM法技術經濟指標對比［5］Table 1 Comparison and contrast between drill and blast method and shield/TBM method in terms of technical indexes and economical indexes

可見，盾構/TBM集開挖掘進、支護和出渣運輸工序于一體，可有效提升煤礦掘進效率與安全性，降低煤礦工人的勞動強度、改善工作條件，對于礦區自然環境影響小，尤其對于長距離斜井其優勢更為明顯，已越來越多地應用于礦山開采領域。可以預見，隨著我國深層煤炭資源的開發，以及我國大型煤炭基地的建設，今后我國將不斷出現煤礦長距離斜井開拓形式，而盾構/TBM必將在其建設中發揮重要作用。

1 盾構/TBM施工斜井應用現狀

近年來，隨著世界范圍內交通、水電建設、能源開發等領域需求的增長，盾構/TBM技術在交通、市政、水利、輸水、輸氣傾斜隧道（洞）、管道等的修建中已得到廣泛運用，采用盾構/TBM進行大坡度隧道（斜井）施工目前已有大量成功的案例，見表2［6］。

在國內，南水北調中線工程的穿黃盾構隧道、南京長江盾構隧道、廣州地鐵5號線穿越珠江和廣州地鐵小—新盾構區間隧道等已相繼完成了5%坡度的施工實踐。在國外，瑞士Kraftwerk Limmern水電站輸水隧洞采用TBM完成了總長2.1 km、40°上坡的掘進施工；俄羅斯圣彼得堡自動扶梯通道采用土壓平衡盾構完成了總長120 m、30°下坡的掘進施工，見圖1；2008年，英國Glendoe水電站采用TBM完成了總長200 m、6.3°上坡的引水隧洞施工；在技術相對落后的南非，也采用泥水盾構于2006年完成了總長492 m、11.3°上坡和下坡的德班港隧道修建。

相較之下，目前盾構/TBM在煤礦礦井建設中使用較少。在國外，聯邦德國20世紀70年代初，采用2級聯合TBM掘進法先開挖3.0 m直徑導洞、后擴孔至5.3 m直徑，完成長1 550 m的采煤巷道施工；加拿大布雷頓角發展公司于1984年采用全斷面護盾TBM以0～20%的不同坡度掘進，完成了直徑7.6 m、距離超過3.5 km的煤礦斜井的掘進和支護。在國內，大同塔山煤礦于2003年采用美國Robbins生產的雙護盾TBM進行了長2 911.6 m，直徑4.82 m的主平硐施工。最高月進尺560 m，平均月進尺483 m，與鉆爆法（平均月進尺150m）相比，掘進速度提高3倍多，取得了顯著的經濟效益。但由于距離短，埋深相對淺，掘進圍巖、地層相對單一，不良地層如破碎帶、富水地層、瓦斯等較少，所以施工難度相對不大，但也對后續長距離大坡度斜井中采用TBM施工提供了有力參考［7］。

盾構/TBM設備和施工技術已經比較成熟，相比于傳統的鉆爆法施工，其在安全、進度、質量、效益等多方面都呈現出顯著的優勢，應當在煤礦礦井建設中進行實踐探索。可喜的是，隨著我國大型煤礦開發加快，為縮短礦井建設周期，建設單位聯合科研院所、施工單位開始嘗試將最新的盾構/TBM技術引入煤礦斜井與巷道建設中。如：神華新街能源公司臺格廟礦區已于近期開始采用TBM進行坡角為6°、長達6 314 m的主、副斜井建設的探索，見圖2；山西朔州寧武煤田朔南礦區也正在開展采用TBM進行馬營堡礦井主井建設的前期研究工作。

表2 國內外大坡度隧道（斜井）工程一覽［6］Table 2 Tunnels（inclined shafts）with large gradient built in China and other countries

圖1 俄羅斯圣彼得堡自動扶梯通道工程Fig.1 Escalator passage project in St.Petersburg in Russia

然而，采用盾構/TBM修建煤礦長距離巷道（斜井）是一個全新的領域，無現成規范和工程實例可借鑒，不僅涉及淺表部開挖、支護與襯砌設計理論，更面臨著深部高地應力、高水壓、開采擾動等惡劣、復雜工作環境的挑戰。因此，在進行大量探索與實踐過程中，許多關鍵問題必須予以厘清。

2 盾構/TBM施工煤礦長距離斜井所面臨的挑戰

煤礦長距離斜井的一大工程特點是結構埋深由淺埋過渡到深埋，這也就決定了斜井除了面臨著與淺部開采共性的工程地質問題和巖石力學問題外，一系列淺部開采中不存在或不明顯的工程地質問題和巖石力學問題也將開始出現，將會誘發產生沖擊地壓（巖爆）、礦壓顯現劇烈、巷道圍巖大變形、突水、地溫升高和瓦斯突出（爆炸）共6種工程災害［8－9］。同時，長距離連續下坡條件下也對掘進設備及配套機具提出了更高的要求。這些工程特點的存在，在設備選型、結構設計和施工等方面均給盾構/TBM施工煤礦長距離斜井帶來諸多挑戰。

2.1 盾構/TBM的選型與適應性

目前工程中采用的盾構/TBM主要有土壓平衡盾構、泥水平衡盾構、敞開式TBM、單護盾TBM和雙護盾TBM。此外，當工程穿越多種地層時，可根據土層地質和水文條件對開挖面支撐方式以及刀具、出渣運輸系統和其他設備進行調整組合，形成更好適應地層條件的掘進機。如：兼具土壓平衡和泥水平衡模式的雙模式盾構，可根據地層變化，快捷地在2種不同掘進模式之間相互切換；將單護盾TBM和土壓平衡盾構相結合所形成的復合盾構，可同時具備單護盾TBM與土壓平衡盾構的優勢，既能夠在中硬巖地層中高速順利推進，也能夠在不良地層中靈活擺脫束縛。

各種類型盾構/TBM適應性對照如表3所示，相應機器類型見圖3。

圖2 神華新街臺格廟礦區斜井工程Fig.2 Inclined shaft of Taigemiao coal mine of Xinjie Co.，Ltd.，Shenhua Group

表3 各種類型盾構/TBM適應性對照表Table 3 Comparison and contrast among different types of shields/TBMs in terms of adaptability

圖4給出了不同地層條件下盾構/TBM適應能力示意圖（據日本川崎重工資料）。可見，盾構/TBM的選型需從斜井總體布置、工程地質及水文地質條件、沿線環境條件、襯砌結構、施工條件、工期及技術經濟綜合考慮。一般來說可按以下步驟進行：首先，根據地質條件、施工環境、工期要求和經濟性等因素確定掘進機類型，進行敞開式與護盾式掘進機之間的選擇；然后，根據斜井設計參數及地質條件進行同類掘進機之間結構、參數的比較選型，確定主機的主要技術參數；最后，根據生產能力與主機掘進速度相匹配的原則，確定后配套設備的技術參數與功能配置。

斜井長距離連續下坡將會不可避免地穿越地質條件不同的復雜地層，需要研制與之相適應的雙模式盾構/TBM設備，并解決施工中雙模式的快速模式轉換問題。受下坡條件下設備自重荷載沿斜面分量的影響，后配套設備需解決防滑移和松弛問題。傾斜姿態下盾構/TBM設備刀具的磨損機制有可能發生改變，需建立相應的刀具磨損預測方法以及研發新型刀具，使之適應長距離連續下坡掘進條件。

圖3 各種類型盾構/TBM機型示意圖Fig.3 Different types of shields/TBMs

圖4 不同地層條件盾構/TBM適應性簡圖Fig.4 Sketch of adaptability of shields/TBMs in different strata

2.2 斜井井壁結構設計的挑戰

淺部的圍巖體大多處于彈性應力狀態，而深部巖體由于構造運動和圍巖自重的作用往往處于塑性狀態，由于圍巖內賦存的高地應力可能大大超出其強度，當井巷開挖卸荷后二次應力場引起的高度應力集中將導致圍巖壓、剪應力超過巖石的強度，造成圍巖很快由表及里進入破裂碎脹和塑性擴容狀態，從而發生擠壓大變形或表現為持續的流變。盾構/TBM對圍巖擾動較小，管片結構施作及時，這對于淺部斜井井壁襯砌結構當然是極為有利的，但對于深部斜井，管片襯砌結構施作后圍巖的變形并未停止，將進一步造成斜井襯砌結構的變形甚至破壞。由于不同支護方式對于荷載與變形的控制往往兼而有之，傳統的井巷穩定性理論如壓力拱理論、塌落拱理論和應變控制理論或均不能準確描述深部圍巖與支護結構的相互作用。因此，不同支護方式、不同的支護時機以及不同的襯砌結構形式都將引起深部斜井襯砌結構—圍巖相互作用關系的差異。

另一方面，淺部地下水主要來源是第四系含水層或地表水通過采動裂隙網絡進入斜井，水壓較小；而深部地下水隨著深度加大，承壓水位增高，滲透壓力增大，并且由于采掘擾動易造成斷層或裂隙活化，形成滲流通道，從而使巷道（斜井）圍巖形成嚴重的突水災害。對于傳統鉆爆法施工的斜井，往往采用“防排結合，以排為主”的綜合治理原則，雖能減小襯砌水壓力，但不能根治各種水害而且直接導致洞頂地下水位下降、地表水和井泉涸竭、地面巖溶塌陷、生態環境惡化，影響人們的生產和生活，而采用“以堵為主、限量排放”和管片襯砌等全封堵的地下水處治方案中，深部極高的水壓力將成為襯砌結構的主要荷載。與此同時，對于裂隙發育的地段，巷道開挖后近表圍巖內孔隙水壓力大幅降低，導致斜井圍巖有效應力增大超過巖體的強度，使圍巖表面的裂隙向深處擴展。

再則，大多數巷道要經受碩大的回采空間引起的強烈支承壓力作用，使受采動影響的巷道的圍巖壓力數倍、甚至近10倍于原巖應力，從而造成在淺部表現為普通堅硬的巖石，在深部可能表現出軟巖大變形、大地壓、難支護的特征。

在復雜力學環境下，錨噴（網）支護結構、單層裝配式管片襯砌結構、管片襯砌內施加二次襯砌共同承載的結構等傳統支護方式是否仍然有效，圍巖與支護間相互作用方式將如何變化，井巷及支護的穩定性及長期安全性如何？這些問題都亟待解決。

深部圍巖在強度和變形性質上與淺部圍巖差異較大，加之深部圍巖受高滲透水壓、高地溫以及開采擾動的影響，使得“三高一擾動”耦合作用下圍巖的變形機制極為復雜，淺部斜井圍巖—井壁結構的相互作用關系已無法滿足深部復雜圍巖條件的要求。對于深部圍巖而言，支護方式的不同將造成圍巖—結構相互作用關系和形式的不同，而現有深部斜井井壁襯砌結構的荷載理論研究多針對鉆爆法的錨噴支護結構展開，鑒于盾構/TBM在開挖與支護方式上與鉆爆法有明顯區別，因此，管片襯砌在深部圍巖條件下的荷載理論和形態無法采用常規錨噴對應支護結構的荷載分析方法，究竟采取何種荷載理論是進行襯砌結構設計首先要解決的問題。

此外，高水壓、高地壓、高地溫作用下究竟采用何種襯砌型式，其工作性態如何，斜向條件對襯砌結構力學性能的影響都尚待研究。而深部斜井在高地壓、高水壓等復雜條件下襯砌接頭可能出現錯臺、開裂、接縫局部壓潰等損傷和破壞也尚無有效的應對措施，這些均是結構設計中必須回答的問題。

2.3 復雜環境中施工的挑戰

盾構/TBM在下坡條件下，其斜向始發基座體系、抗扭體系、支承反力體系等均與傳統始發技術存在較大區別，如何結合煤礦工程水文地質特點和深長斜井盾構/TBM施工特點，設計研發安全、可靠、經濟、易行的斜向始發基座體系、抗扭體系、支承反力體系，在此基礎上形成盾構/TBM施工長距離煤礦斜井的始發技術，是工程施工過程中面臨的一大挑戰。

針對斜井穿越破碎、軟弱、富水等特殊不良地層，結合盾構/TBM施工特點，研究相應的預處理方法和突發情況下的快速脫困技術，并研究解決不同支護結構型式及其過渡段轉換、下坡掘進機體防滑移和栽頭、襯砌防松弛和防水等施工技術難題，以及針對斜井通風距離長、反坡排水與材料運輸難度大等特點，研究通風排水和材料運輸方案設計，也是確保盾構/TBM施工順利實施的重要保障。

在盾構/TBM施工過程中，如何綜合考慮掘進參數、施工狀態與支護結構受力間相互影響，設計研發集成的盾構/TBM運行監控、過程可視化監控綜合化管理系統，將決定著施工能否安全進行。

此外，與淺埋地下工程相比，盾構/TBM施工完成深埋長距離斜井后，顯然不存在設備解體吊運出洞的條件，因此，研發盾構/TBM設備的原位地下拆解及配套技術并成功實施，也是工程施工中必須解決的一大問題。

3 近期開展的相關技術研究與進展

近年來，國內外許多學者圍繞盾構/TBM技術在長距離斜井中應用問題，從施工機具研制、結構體系研發和不良地質地段施工對策等方面開展了大量的工作。

3.1 雙模式盾構/TBM研制

中國鐵建重工集團根據神華新街能源公司臺格廟礦區斜井工程復雜的地質條件，綜合考慮盾構和TBM的優缺點，并充分考慮6°下坡的排水、砂質泥巖中刀盤結泥餅等問題，研制出具有TBM和盾構2種模式的TBM設備，且可實現2種模式間的快速轉換［10］，如圖5所示。設備的配置包括：可雙向旋轉出碴的雙模式刀盤、主驅動系統、可密閉的接碴斗、具有密閉功能和防滾動的盾體防涌門、安裝在盾體上的穩定器、防爆型排水系統、防爆型通風除塵系統、1號皮帶機、2號皮帶機、管片拼裝機、可以偏轉角度的推進油缸系統和物料快速倒運系統等。2種模式下主機剖面圖如圖6和圖7所示。刀盤為具備雙向出渣功能的雙模式TBM刀盤，遭遇特殊地層時可在斜井內改裝成復合式盾構模式刀盤。刀盤主要由刀盤體鋼結構、刀具和回轉接頭等組成。EPB模式下刀盤開口率約為32%。刀盤配置如圖8所示。

圖5 鐵建重工研制的我國首臺煤礦斜井用TBMFig.5 TBM to be used to build inclined shaft of coal mine

圖6 TBM模式下主機剖面圖Fig.6 Profile of main machine under TBM working mode

圖7 盾構模式下主機剖面圖Fig.7 Profile of main machine under shield working mode

圖8 2種模式下刀盤配置圖Fig.8 Two types of cutter heads for two working modes respectively

設備具體方案如下：

1）采用具有密閉功能的盾體、可密閉的接碴斗、防爆型排水系統以及防爆型通風除塵系統，可解決長距離大坡度斜井工程中大量涌水、大量有害氣體等突發問題，保證設備和施工人員安全。

2）采用預制混凝土管片襯砌支護，利用豆礫石和素水泥漿填充管片與隧道之間的間隙，并在仰拱底部注入速凝細石混凝土防止管片沉降，保證快速、有效、安全地襯砌支護隧道。

3）采用適應大坡度長距離斜井的物料快速倒運系統，其包括隧道內膠輪車運輸編組、后配套物料卸載吊機、后配套內部的物料倒運卷揚小車、管片卸載器、管片吊機以及豆礫石吊機、砂漿罐吊機以及砂漿泵送系統，從而提高長距離大坡度斜井施工用輔助物料（如管片、豆礫石、混凝土砂漿、水泥漿等）的供給速度。

4）將刀盤的旋轉中心線向上偏離盾體中心線一定距離，此時隧道底部開挖量減少頂部開挖量增加，隨著刀盤邊滾刀磨損量增加，隧道底部逐漸形成一條向上的曲線，迫使整個主機向上抬頭，以解決在長距離大坡度斜井隧道掘進過程中TBM主機容易栽頭的問題。

5）利用底部焊接有防滾條的盾體和安裝在盾體上部的穩定器增加隧道與盾體間的摩擦力，并配合可調整角度的推進油缸提供與滾動方向相反的扭矩，共同防止和糾正TBM主機的側向滾動。

此外，針對類似斜井工程施工可能遇到的掘進控制問題，西南交通大學開發了系列盾構/TBM掘進施工模擬實驗平臺（見圖9），以期通過實驗手段探討在不同地區、不同地層條件以及特殊地質地段中盾構/TBM的適應性與施工控制預案。

3.2 新型井壁結構體系的構建

盾構多用于破碎巖體、軟土或復合地層，而TBM通常指適用于巖石地層的隧道掘進機。雖然隨著土木和機械技術的不斷進步，盾構/TBM的地層適應性越來越強，然而針對不同掘進機類型的支護體系仍較為單一、襯砌設計理論較為傳統，目前常采用的襯砌結構型式主要有：錨噴（網）支護結構、單層裝配式管片襯砌結構與管片襯砌內施加二次襯砌共同承載的結構，如圖10所示。

錨噴（網）支護結構多用于敞開式TBM，在采用單（雙）護盾式TBM或盾構施工時，常采用單層裝配式管片襯砌結構，其通常由鋼筋混凝土管片按照不同的拼裝方式用環向螺栓和縱向螺栓拼裝構成。僅當靠單層管片襯砌難以滿足使用屬性時才于管片襯砌內部設置二次襯砌，從而使外層管片襯砌與內層二次襯砌共同承載。

煤礦長距離斜井長度長、深度較大，通常要從淺表層逐步進入深部巖層，其間將穿越黏土、砂礫層和卵石層等第四系覆蓋層以及不同風化程度的巖層，各巖土體的物理力學屬性差異較大，并常常面臨軟弱夾層、斷層破碎帶和富水裂隙帶等不良地質現象，這一系列復雜的地質環境也將使支護方式、襯砌結構型式復雜多樣化。有的斜井穿越松散軟弱層層厚可達百m以上，若僅采用常規的單層管片襯砌通常難以滿足承載要求，必須采用特殊結構措施予以應對。

圖9 西南交通大學開發的系列盾構/TBM掘進施工模擬實驗平臺Fig.9 Models of shields/TBMs developed by Southwest Jiaotong University

圖10 TBM（盾構）常用的襯砌結構型式示意圖Fig.10 Different lining types commonly adopted for tunnels bored by shields/TBMs

針對采用盾構/TBM修建斜井時所面臨的高地壓、大變形和高水壓等挑戰，西南交通大學課題組根據中鐵第四勘測設計研究院集團有限公司等單位關于神華新街臺格廟礦區斜井井壁襯砌結構的設計方案以及國內外的相關研究，歸納了現有常見井壁襯砌結構型式，并針對性提出了一些可能適用的新型井壁襯砌結構型式，如：對于高地壓地段，可采用管片襯砌結構配合錨桿（或“可壓縮層”）的聯合支護結構來改善圍巖自穩能力或在管片襯砌內部施加二次襯砌以增加襯砌剛度。對于軟巖大變形地段或擠壓地層，可采用“預留可壓縮層”以減緩圍巖形變壓力。其中，管片襯砌結構配合錨桿的聯合支護結構是在管片襯砌施作后，通過管片上的預設孔洞在管片襯砌周圍打入錨桿，并通過鋼螺栓建立起錨桿與管片襯砌的有效連接，以提高圍巖與管片結構的穩定性，如圖11所示。對于高水壓富水地段，地下水或與之有水力聯系的其他水體可能突然涌入斜井，發生涌水突水災害，為避免這一問題出現，目前常采用超前注漿進行分區隔斷排水的措施，通過采用泄壓式管片襯砌在管片上設置泄壓孔道進行排水，如圖12所示。

圖11 適用于軟巖大變形地段的管片襯砌配合錨桿（或“可壓縮層”）的聯合支護結構Fig.11 Composite support structure consisting of segment lining and rock bolting applicable in squeezing soft rock section

圖12 適用于高壓富水地段的泄壓式管片襯砌結構Fig.12 Segment lining allowing water pressure releasing in high water pressure section

上述井壁襯砌結構中，錨噴（網）支護結構與單層裝配式管片襯砌結構應用廣泛，設計經驗與理論較為成熟；管片襯砌內施加二次襯砌共同承載的結構由于工程實例較少，其設計方法與分析理論尚待完善；而對于新型襯砌結構，現有認識尚淺，設計方法和理論尚為空白。鑒于此，西南交通大學、中國礦業大學（北京）與中國煤炭科工集團武漢設計研究院聯合，依托煤炭聯合基金重點項目“復雜條件下TBM（盾構）修建煤礦巷道（斜井）的襯砌結構設計基礎理論”，擬采用“襯砌結構—地層—水壓復合體模擬試驗系統”（見圖13）、西南交通大學新研制的“三維隧道開挖模擬系統”（見圖14）與“結構縱向模型試驗系統”（見圖15）從模型尺度上針對深部高地壓、高水壓以及采動等惡劣、復雜環境作用下各類型斜井襯砌結構的適應性，以及橫向、縱向的受力與變形性能開展研究，以求建立不同荷載條件、地層狀況、結構參數下深長巷道（斜井）的合理襯砌結構體系。

圖13 襯砌結構—地層—水壓復合體模擬試驗系統（西南交通大學）Fig.13 Lining-ground-water pressure simulation system developed by Southwest Jiaotong University

圖14 三維隧道開挖模擬系統（西南交通大學）Fig.14 3D tunnel driving simulation system developed by Southwest Jiaotong University

圖15 結構縱向模型試驗系統（西南交通大學）Fig.15 Longitudinal model test system developed by Southwest Jiaotong University

此外，采用新開發的“盾構隧道原型襯砌結構試驗系統”（見圖16）探求高地壓、高水壓作用下管片襯砌接頭抗彎與抗剪性能，以及不同類型襯砌的組合結構工作性能。同時，采用新開發的“結構電化學快速腐蝕與測試試驗系統”（見圖17）對于高地溫作用下井壁結構的長期性能劣化問題開展研究。

圖16 盾構隧道原型襯砌結構試驗系統（西南交通大學）Fig.16 Segment lining test system developed by Southwest Jiaotong University

圖17 結構電化學快速腐蝕與測試試驗系統（西南交通大學）Fig.17 Electrochemical corrosion and test system developed by Southwest Jiaotong University

與此同時，依托國家科技支撐計劃項目“盾構法建設煤礦長距離斜井關鍵技術研究與示范”，以神華新街臺格廟礦區斜井為工程對象，斜井井壁襯砌結構體的水、土壓力與結構內力的現場測試試驗正在開展，如圖18所示。

圖18 現場測試試驗擬采用的試驗方案Fig.18 Test program to be adopted in field testing

3.3 復雜條件施工時的處置技術

盾構施工煤礦長距離斜井遇到的特殊不良地質條件，主要包括軟弱圍巖變形、高壓、富水和突涌水等。目前，隧道及地下工程軟弱圍巖變形問題的研究主要集中在鉆爆法施工的山嶺隧道方面，并且在理論研究和工程實踐方面均存在一些不足，主要表現在下面幾個方面：1）理論方面，關于圍巖大變形還沒有建立起一個明確的定義，尚處于起步階段；2）研究者們僅從具體的隧道工點開展相關的圍巖大變形問題的研究，故其研究成果有一定的局限性；3）在圍巖大變形的預測及工程對策方面缺乏系統性的測試方法與手段。對于盾構隧道穿越軟弱圍巖大變形地段研究成果更少，缺乏相關的技術措施。

富水、高壓和突涌水是隧道及地下工程的又一難題，其中尤以突水和攜帶大量碎屑物質的涌水危害性最大。涌水多發于節理裂隙密集帶、構造形成的風化破碎帶；突水災害多發于巖溶洞穴、溶隙發育地段、含水層與隔水層交界面。目前，我國對富水高壓隧道的研究大多是從地質的角度對節理裂隙的形式、發育規律、特點以及形成條件等方面進行，研究成果尚不系統、深入。特別是針對高水壓、富水條件下隧道修建技術的研究不多，可供借鑒的成熟經驗也較少。近年來對富水高壓雖提出了排水減壓、釋能減壓等處理技術，但主要應用于鉆爆法施工的山嶺隧道，同時，富水高壓段隧道結構設計也處于工程經驗類比階段。另外，富水高壓斷層破碎帶，由于圍巖破碎，自穩能力差，加之高壓富水的影響，極易發生突水突泥災害，影響隧道工程的建設。目前主要是采取注漿加固的方式進行處理，但在注漿技術方面缺乏相關的理論支撐，雖對注漿機制、注漿材料和注漿范圍等方面進行了研究，但大多數是依托具體工點開展，缺乏系統性的研究成果。因此，軟弱圍巖變形和富水、高壓、突涌水問題已成為隧道工程方面的世界性難題之一。

4 展望

隨著“綠色礦山”建設的大力提倡，盾構/TBM作為安全、環保、高效的礦井建設手段，其技術必將在煤礦長距離斜井修建中得到更為廣泛的應用與發展，可以預見，未來幾年的研究重點將集中在井壁襯砌結構安全性評價體系的建構與不良地質地段的處置技術等方面。

4.1 井壁襯砌結構安全性評價體系的建構

作為煤礦企業，安全是一切工作的前提和基礎，只有搞好安全才能談生產，才能談綠色發展。因此，必須將斜井施工和服役期襯砌結構的安全性評價作為一項重要工作開展。

總的看來，目前國內外針對盾構/TBM施工、支護結構受荷、結構內力狀態的實時監測技術都有了長足的進步，但綜合考慮掘進參數、施工狀態與支護結構受力間相互影響的實時遠程監測和評價技術尚未形成。作為現代科學與通信技術不斷發展的重要標志，開展盾構施工煤礦長距離斜井數字化遠程監控技術研究，有效結合了國家重大工程建設重大需求，對于推動礦山開采領域技術進步，提升煤炭行業自主創新能力，具有重要作用。

深長斜井體系龐大而復雜，襯砌結構不僅受到高地壓和高水壓的作用，在服役期還將面臨著采動、礦震、溫度應力與環境侵蝕等耐久性影響因素的長期作用，對井巷襯砌結構穩定性、服務期限內的安全性有重大影響，如圖19所示。

現有針對采動、礦震、高溫作用以及侵蝕環境對煤礦斜井井壁襯砌結構的穩定性與長期安全性的研究尚屬空白，而對于大型礦井深長斜井襯砌結構，這一問題尤其重要，開展相關研究意義重大。

圖19 開采周期內深部復雜多因素作用下斜井襯砌受荷示意圖Fig.19 Loads acting on lining structure of inclined shaft under complex conditions during its service life

4.2 不良地質地段的處置技術

針對長距離斜井可能穿越圍巖松散、軟巖變形、斷層破碎帶、地層富水、高水壓和含有害氣體等特殊不良地質地段需要解決的一系列關鍵技術難題，需重點對特殊不良地質地段綜合處置技術進行研究，包括盾構施工軟巖變形地段綜合處置技術、施工富水地段防排水處置技術、施工高水壓地段泄水降壓技術、有害氣體處置技術以及施工軟弱松散圍巖及斷層破碎帶施工技術。

5 體會

采用盾構/TBM修建煤礦長距離斜井是一個嶄新的課題，必將面臨許許多多的問題和挑戰，但思者常新，隨著我國大型煤礦的不斷興建和盾構/TBM裝備與施工技術的不斷進步，盾構/TBM必將在煤礦礦井建設中得到廣泛運用，這也必將引起我國煤礦建井技術的一場革命，并推動我國煤礦開采技術的新一輪高速發展。

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Challenges and Prospectives of Construction of Long-distance Inclined Shafts of Coal Mines by Shield/TBM

HE Chuan
（Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China）

It is a new topic to build long-distance inclined shafts of coal mines by shield/TBM，which has great significance in shortening the construction period and reducing the construction cost.In this paper，comparison and contrast is made between the conventional mining method and the shield/TBM method in terms of technical indexes and economic indexes，the prospectives of the application of shield/TBM in the construction of long-distance inclined shafts of coal mines are analyzed，and the state-of-art of the application of shield/TBM in the construction of inclined shafts is presented.The challenges in the construction of long-distance inclined shafts by shield/TBM are analyzed in terms of selection of proper types of shield/TBM，adaptability of shield/TBM selected，design of inclined shaft lining structure，and construction under complex environment.The results of researches made recently，including the development of dual-mode shield/TBM equipment，the establishment of a new type of inclined shaft lining structure，and technologies to cope with difficult conditions under complex environment，are summarized.Finally，problems to be further solved and the trend of studies on these problems are discussed.

shield/TBM；inclined shaft of coal mine；new type of shaft lining structure

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.001

U 455.4

A

1672－741X（2014）04－0287－11

2014－02－20

煤炭聯合基金重點項目（U1361210）；國家科技支撐計劃（2013BAB10B04）

何川（1964—），男，重慶云陽人，1999年畢業于早稻田大學，土木工學科，博士，教授，博士生導師，西南交通大學地下工程系主任，交通隧道工程教育部重點實驗室負責人，國家杰出青年科學基金獲得者，長江學者特聘教授，教育部創新團隊學術帶頭人，新世紀百千萬人才工程國家級人選，享受政府特殊津貼專家。獲2012年度何梁何利基金科學與技術獎、第十一屆詹天佑鐵道科學技術成就獎、第十一屆茅以升鐵道科學技術獎。長期圍繞鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵等領域開展研究與教學工作。主持承擔國家863計劃課題、973計劃課題、國家科技支撐計劃課題、國家杰出青年科學基金項目、高速鐵路聯合基金重點項目、煤炭聯合基金重點項目等各類科研項目與課題60多項。獲省部級科技進步一、二等獎13項，2項成果獲國家科技進步二等獎。獲發明專利9項、實用新型專利13項、出版專著5部、發表期刊論文200余篇。培養畢業碩士70余名、畢業博士20余名、博士后6名。