采用TBM机掘进煤矿斜井的施工

张楠

摘 要：为提高煤矿挖掘效率，保障采矿职工的安全，降低成本，提高施工质量，确保施工项目按合同约定期限顺利完成，并取得预期的经济效益和社会效益，本文提出了可供采用的煤矿斜井施工新方法。

关键词：TBM机 煤矿斜井 掘进施工

中图分类号：X752文献标识码：A 文章编号：

1.工程概述

新街台格庙矿区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，根据总体规划、环境及煤层赋存条件，将南部一号矿井的主井、副井采用TBM进行斜井施工。两斜井均采用6°下坡，斜井口与底部相对高差660.多米。长度均为6300m（其中明槽段200m，TBM施工段6100m），开挖断面直径7.6m，衬砌后内径6.6m，外径7.3m。是目前国内首次利用掘进机施工煤矿斜井。

为确保斜井的施工，要做好：掘进机选型、施工，碴土外运、预制管片运输、拼装，斜道的设置，通风、给排水等工作。

2.工程地质及水文情况

矿区地质特点：地层均匀，层状分布，地质构造简单，斜井穿越的地层为风积砂、砂岩、砂质泥岩和煤层等地段，矿区内地层有三叠系、侏罗系中统延安组、直罗组和安定组、白垩系下统志丹群、第四系。其中岩石主要以砂质泥岩、粉砂岩，次为中细粒砂岩为主，岩石的抗压强度不高，多在20～60Mpa之间，岩石质量指标（RQD）值较低，平均60%。TBM隧道掘进在Ⅲ类围岩中掘进长度为4887延长米，在Ⅳ类围岩中掘进长度为1221延长米。地层含水层富水性微弱，补给条件和径流条件较差，涌水量较小。该地层适合采用掘进机施工。

3．TBM掘进机选型

根据斜井的地质情况,为适应斜井施工选择了具有土压平衡功能的单护盾TBM（以下简称单护盾TBM）。通过拆除主机皮带机、刀盘溜渣板、刀盘椎板，缩回并密封接渣斗，安装螺旋输送机等步骤实现TBM模式与EPB模式的转换。充分考虑了工程大埋深、大坡度下坡掘进的特点，满足开挖、管片衬砌、出渣、特殊地层处理等相关工序的要求，系统完整、安全，确保在规定的工期内优质完成本斜井段的掘进。

单护盾TBM采用分块设计，便于运输、现场组装、洞内维修和拆卸。设计的通风、除尘、冷却系统能保证工作区域有适宜的工作环境，具有风、水、电、通风供应管线自动延伸功能。配备超前钻机和地质钻机，超前地质预报和超前地质处理。设计有完善的材料供应系统及起吊设备和良好的安全作业空间。具有有毒有害气体检测、通讯、闭路电视监视系统。设计还考虑到大量涌水反坡排水，配备排污系统，保证设备人员安全；若涌水超过排污系统能力时启用保压模式，将主机皮带机、接渣斗缩回，并密封接渣斗，通过防涌门两侧的球阀控制进入主机的水量并及时将涌水排出。

4.施工方法

4.1总体施工方法

根据工程特点和设计，本着“关键先行，辅助紧跟”的原则组织施工。总体施工方案如下：

4.2 TBM隧道施工

始发段：明挖斜井（205m结构）施工完毕后，掘进机在地面拼装段（100m）进行地面组装。掘进机主机托架底部预埋的钢板及设置反力支撑装置，通过液压千斤顶推至掘进机始发段；掘进机后配套台车通过铺设轨道滑行至掘进机始发段。反力架洞内拼装完成后满足掘进机始发条件。

正常掘进段：掘进机正常掘进通过无轨胶轮车相互错车运输管片，皮带机循环出土。掘进机掘进施工劳动组织采用2+1班的形式（即两个掘进班，一个维修保养班小组），两个掘进班每班工作10小时，维修班每天对掘进机进行4小时的强制性维修保养。掘进机掘进一个循环包括：掘进、出碴、拼装管片、吹填豆粒石、同步注浆、轨线延长、管片及材料运输。

到达段：掘进机掘进至终点里程后，掘进机后配套、盾体内的部件和刀盘都需要进行拆除，盾壳留在隧道内作为隧道的支撑结构的一部分。

TBM在斜井隧道的始发、始发前的准备、试掘进、正常掘进、到达后的拆解吊出等工作与正常地铁隧道盾构的掘进方法基本相同，针对施工中有别与传统工法部分在这里做一介绍：

4.2.1掘进机在正常掘进中掘进模式转换

根据开挖面地质情况的变化，单护盾双模式掘进机可以使用单护盾土压平衡模式、敞开模式等多种掘进模式转换，以适应软弱地层和坚硬岩层。为高效、快速、安全的施工提供了方便是。

4.2.2碴土及管片运输方法

4.2.2.1碴土输送

本工程斜井隧道坡度为6°，线路全长最大达6314m, 综合考虑选用连续皮带机运输方式进行碴土的隧道运输。皮带机出土采用二级输送模式，在隧道内外各设置一处皮带储存延伸装置。在隧道净空尺寸无法满足储存要求的情况下，在围岩级别较好的地段适当扩挖。

连续皮带机输送系统布置在成形隧道顶部，在隧道内的安装固定采用吊架支撑方式，吊架通过管片螺栓固定在管片上。由于隧道长，坡度大，连续皮带运输系统设置了辅助驱动驱动装置，连续皮带运输系统分段设置。同时随隧道的延伸，连续皮带运输系统设置皮带储存设置。皮带运输机的皮带储存长度一般在200米～400米，随斜井的延伸，皮带及时进行粘接延长，以满足掘进过程中出土的需要。《皮带缠绕存储示意图》。

皮带缠绕存储示意图

4.2.2.2管片运输

除碴土采用皮带机进行输送，其它施工材料的运输全部需要辅助运输系统来完成，主要运输的材料包括：管片、水泥浆液、豆粒石、高压电缆、水管及各类油脂等，隧道内径6.6米，坡度6°隧道路面宽度3.5米/4.5米，最大运输距离6314米，每环管片数量7片，管片重量最大单块重量12.2吨，常规隧道施工所采用的工矿电瓶机车无法满足施工要求，根据以前大坡度隧道施工的经验和对设备的调查了解，本工程选用无轨轮胎式内燃牵引车进行管片和施工材料的运输。见下面设备参数表

运输设备的组成由前后连（两）个牵引机车头和两个管片车组成，每趟运输的管片总量为1环（7块），运输车辆的总长26米，需要至少每2000米设置一处会车平台，解决主巷道不能会车的问题。

无轨轮胎式内燃牵引车设备参数表

名称 参数

发动机功率 225kw

最大纵向/横向工作坡度 14.5°/12°

长x宽x高 7200x1990x2100

自重 23吨

提升能力（吨） 12吨

牵引力 水平路面23吨

4.2.2.3斜井车道的设计

斜井管片内径6.6米，管片外径7.3米，环宽1.5米 ，仰拱与管片同时预制，宽度为3.5米 ，考虑到隧道施工需大量材料单车道运行，难以满足施工的需求，所以施工运输车道考虑设置会车位置，按隧道每掘进1500米设置一个变坡会车平台，平台宽度满足车辆会车要求并留出足够的安全距离，平台长度满足单方向停放两列车的要求（单列车长约26米），平台的设置采用型钢支架，同时平台的变坡坡度相对于隧道本身不大于6度，根据运输车辆的宽度，会车平台的宽度需要不少于4.5米，平台的设置位置需错开连续皮带机的叠加驱动部位，以保证管片运输车辆的通过空间。

当会车平台宽度为4.5米时，隧道运行车道抬高0.42米，按运输车辆下行时，相对于隧道本身上坡坡度控制在不大于6度，下坡坡度控制在不大于3度，则变坡的坡长分别为不小于4.2米和不小于8.4米。隧道变坡会车平台设计见图《隧道会车变坡平台设计示意图》。

隧道会车变坡平台设计示意图

单巷道掘进的运输设备数量配置

①2000米前隧道需要5台（两台运输管片，两台运输物资或它用，一台备用）、管片拖车3台（两台运输、一台备用）；

②2000米后隧道需要7台（三台运输管片，三台运输物资或它用，一台备用）、管片拖车4台（三台运输、一台备用）。

隧道还需配置长物料拖车和散装物料拖车各若干以及其它功能附件。

4.2.2.4运行安全——主车制动系统和管片拖车制动系统

内置油侵淹没式多摩擦片四轮轮端制动系统（带有液压蓄能器），能够提供总质量80%以上的静态制动力，适于重载、长距离下坡运行。停车制动采用弹簧制动、液压释放，能够保证在14.5度的坡度及1.5倍额定载荷下实施停车制动，并保持静止状态。

采用与主车配套的内置油侵淹没式多摩擦片四轮轮端制动器，与主牵引车的制动液压输出快速链接，实现与主车同步的工作制动和停车制动，制动力矩按照2倍额定载荷设计，能够保证在额定载荷最大14.5度坡度时平稳停车、制动。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。