盾構(gòu)/TBM施工煤礦長距離斜井的技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

何 川

（西南交通大學(xué)，四川成都 610031）

盾構(gòu)/TBM施工煤礦長距離斜井的技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

何 川

（西南交通大學(xué)，四川成都 610031）

采用盾構(gòu)/TBM修建深埋長距離斜井是一個(gè)嶄新的課題，對于縮短礦井建設(shè)周期，降低造價(jià)具有重要的意義。文章通過對傳統(tǒng)礦山法與盾構(gòu)/TBM法的技術(shù)參數(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面比較，分析了盾構(gòu)/TBM技術(shù)在煤礦礦井建設(shè)中的應(yīng)用前景，介紹了盾構(gòu)/TBM施工斜井應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，著重從盾構(gòu)/TBM的選型與適應(yīng)性、斜井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)雜環(huán)境中施工等方面分析了盾構(gòu)/TBM施工煤礦長距離斜井所面臨的挑戰(zhàn)，綜述了近期開展的相關(guān)技術(shù)研究與進(jìn)展，主要包括：雙模式盾構(gòu)/TBM的研制、新型井壁結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建和復(fù)雜條件施工時(shí)的處置技術(shù)等。最后，討論了尚存的問題以及相關(guān)問題研究的發(fā)展趨勢。

盾構(gòu)/TBM；煤礦斜井；新型井壁結(jié)構(gòu)體系

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)快速的發(fā)展，煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)的主體，消費(fèi)量逐年持續(xù)增長，在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)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(qū)煤采時(shí)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(zhǔn)格爾、平朔、大同、兗州、西山等為代表的山西、陜西、內(nèi)蒙古、山東、遼寧和黑龍江等地區(qū)，多數(shù)大型煤礦已相繼進(jìn)入了深部開采階段，采用斜井或立井快速進(jìn)入綜采工作面大量運(yùn)用。與斜井相比，立井提升運(yùn)營成本高、產(chǎn)量低［3］，而大型超長鋼絲繩強(qiáng)力皮帶和無軌膠輪車等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使斜井長距離運(yùn)輸能力大大增強(qiáng)，已然成為當(dāng)前大型礦井進(jìn)入深部開采面的主要方式。然而，由于斜井縱坡往往較?。▏鴥?nèi)通常為6°左右）、長度極長，采用傳統(tǒng)工法修建往往工期漫長、造價(jià)高昂，而盾構(gòu)/TBM施工速度快，對縮短煤礦建設(shè)周期有重要價(jià)值。因此，采用盾構(gòu)/TBM修建煤礦長距離斜井快速進(jìn)入開采工作面，實(shí)現(xiàn)長距離深部掘采與高效運(yùn)輸已成為當(dāng)前煤炭開采的重要課題［4］。

煤礦斜井的建設(shè)通常采用鉆爆法，施工進(jìn)度較慢（70～100 m/月），當(dāng)穿越含水層、軟弱破碎巖層時(shí)，常需結(jié)合凍結(jié)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(zhì)量得不到保障，而且造價(jià)和生產(chǎn)運(yùn)營費(fèi)用高昂，安全管理難度大，對涌水、巖爆、圍巖泥化等地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，對圍巖擾動(dòng)大、巷道成型差。將其技術(shù)參數(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與盾構(gòu)/TBM進(jìn)行比較，見表1。

表1 鉆爆法與盾構(gòu)/TBM法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(gòu)/TBM集開挖掘進(jìn)、支護(hù)和出渣運(yùn)輸工序于一體，可有效提升煤礦掘進(jìn)效率與安全性，降低煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善工作條件，對于礦區(qū)自然環(huán)境影響小，尤其對于長距離斜井其優(yōu)勢更為明顯，已越來越多地應(yīng)用于礦山開采領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，隨著我國深層煤炭資源的開發(fā)，以及我國大型煤炭基地的建設(shè)，今后我國將不斷出現(xiàn)煤礦長距離斜井開拓形式，而盾構(gòu)/TBM必將在其建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

1 盾構(gòu)/TBM施工斜井應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，隨著世界范圍內(nèi)交通、水電建設(shè)、能源開發(fā)等領(lǐng)域需求的增長，盾構(gòu)/TBM技術(shù)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(yùn)用，采用盾構(gòu)/TBM進(jìn)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(nèi)，南水北調(diào)中線工程的穿黃盾構(gòu)隧道、南京長江盾構(gòu)隧道、廣州地鐵5號線穿越珠江和廣州地鐵小—新盾構(gòu)區(qū)間隧道等已相繼完成了5%坡度的施工實(shí)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(jìn)施工；俄羅斯圣彼得堡自動(dòng)扶梯通道采用土壓平衡盾構(gòu)完成了總長120 m、30°下坡的掘進(jìn)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(shù)相對落后的南非，也采用泥水盾構(gòu)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(gòu)/TBM在煤礦礦井建設(shè)中使用較少。在國外，聯(lián)邦德國20世紀(jì)70年代初，采用2級聯(lián)合TBM掘進(jìn)法先開挖3.0 m直徑導(dǎo)洞、后擴(kuò)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(fā)展公司于1984年采用全斷面護(hù)盾TBM以0～20%的不同坡度掘進(jìn)，完成了直徑7.6 m、距離超過3.5 km的煤礦斜井的掘進(jìn)和支護(hù)。在國內(nèi)，大同塔山煤礦于2003年采用美國Robbins生產(chǎn)的雙護(hù)盾TBM進(jìn)行了長2 911.6 m，直徑4.82 m的主平硐施工。最高月進(jìn)尺560 m，平均月進(jìn)尺483 m，與鉆爆法（平均月進(jìn)尺150m）相比，掘進(jìn)速度提高3倍多，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但由于距離短，埋深相對淺，掘進(jìn)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(xù)長距離大坡度斜井中采用TBM施工提供了有力參考［7］。

盾構(gòu)/TBM設(shè)備和施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟，相比于傳統(tǒng)的鉆爆法施工，其在安全、進(jìn)度、質(zhì)量、效益等多方面都呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)在煤礦礦井建設(shè)中進(jìn)行實(shí)踐探索。可喜的是，隨著我國大型煤礦開發(fā)加快，為縮短礦井建設(shè)周期，建設(shè)單位聯(lián)合科研院所、施工單位開始嘗試將最新的盾構(gòu)/TBM技術(shù)引入煤礦斜井與巷道建設(shè)中。如：神華新街能源公司臺格廟礦區(qū)已于近期開始采用TBM進(jìn)行坡角為6°、長達(dá)6 314 m的主、副斜井建設(shè)的探索，見圖2；山西朔州寧武煤田朔南礦區(qū)也正在開展采用TBM進(jìn)行馬營堡礦井主井建設(shè)的前期研究工作。

表2 國內(nèi)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(dòng)扶梯通道工程Fig.1 Escalator passage project in St.Petersburg in Russia

然而，采用盾構(gòu)/TBM修建煤礦長距離巷道（斜井）是一個(gè)全新的領(lǐng)域，無現(xiàn)成規(guī)范和工程實(shí)例可借鑒，不僅涉及淺表部開挖、支護(hù)與襯砌設(shè)計(jì)理論，更面臨著深部高地應(yīng)力、高水壓、開采擾動(dòng)等惡劣、復(fù)雜工作環(huán)境的挑戰(zhàn)。因此，在進(jìn)行大量探索與實(shí)踐過程中，許多關(guān)鍵問題必須予以厘清。

2 盾構(gòu)/TBM施工煤礦長距離斜井所面臨的挑戰(zhàn)

煤礦長距離斜井的一大工程特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(zhì)問題和巖石力學(xué)問題外，一系列淺部開采中不存在或不明顯的工程地質(zhì)問題和巖石力學(xué)問題也將開始出現(xiàn)，將會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生沖擊地壓（巖爆）、礦壓顯現(xiàn)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(zāi)害［8－9］。同時(shí)，長距離連續(xù)下坡條件下也對掘進(jìn)設(shè)備及配套機(jī)具提出了更高的要求。這些工程特點(diǎn)的存在，在設(shè)備選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工等方面均給盾構(gòu)/TBM施工煤礦長距離斜井帶來諸多挑戰(zhàn)。

2.1 盾構(gòu)/TBM的選型與適應(yīng)性

目前工程中采用的盾構(gòu)/TBM主要有土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)、敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM。此外，當(dāng)工程穿越多種地層時(shí)，可根據(jù)土層地質(zhì)和水文條件對開挖面支撐方式以及刀具、出渣運(yùn)輸系統(tǒng)和其他設(shè)備進(jìn)行調(diào)整組合，形成更好適應(yīng)地層條件的掘進(jìn)機(jī)。如：兼具土壓平衡和泥水平衡模式的雙模式盾構(gòu)，可根據(jù)地層變化，快捷地在2種不同掘進(jìn)模式之間相互切換；將單護(hù)盾TBM和土壓平衡盾構(gòu)相結(jié)合所形成的復(fù)合盾構(gòu)，可同時(shí)具備單護(hù)盾TBM與土壓平衡盾構(gòu)的優(yōu)勢，既能夠在中硬巖地層中高速順利推進(jìn)，也能夠在不良地層中靈活擺脫束縛。

各種類型盾構(gòu)/TBM適應(yīng)性對照如表3所示，相應(yīng)機(jī)器類型見圖3。

圖2 神華新街臺格廟礦區(qū)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(gòu)/TBM適應(yīng)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(gòu)/TBM適應(yīng)能力示意圖（據(jù)日本川崎重工資料）?？梢?，盾構(gòu)/TBM的選型需從斜井總體布置、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、沿線環(huán)境條件、襯砌結(jié)構(gòu)、施工條件、工期及技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合考慮。一般來說可按以下步驟進(jìn)行：首先，根據(jù)地質(zhì)條件、施工環(huán)境、工期要求和經(jīng)濟(jì)性等因素確定掘進(jìn)機(jī)類型，進(jìn)行敞開式與護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)之間的選擇；然后，根據(jù)斜井設(shè)計(jì)參數(shù)及地質(zhì)條件進(jìn)行同類掘進(jìn)機(jī)之間結(jié)構(gòu)、參數(shù)的比較選型，確定主機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)；最后，根據(jù)生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配的原則，確定后配套設(shè)備的技術(shù)參數(shù)與功能配置。

斜井長距離連續(xù)下坡將會(huì)不可避免地穿越地質(zhì)條件不同的復(fù)雜地層，需要研制與之相適應(yīng)的雙模式盾構(gòu)/TBM設(shè)備，并解決施工中雙模式的快速模式轉(zhuǎn)換問題。受下坡條件下設(shè)備自重荷載沿斜面分量的影響，后配套設(shè)備需解決防滑移和松弛問題。傾斜姿態(tài)下盾構(gòu)/TBM設(shè)備刀具的磨損機(jī)制有可能發(fā)生改變，需建立相應(yīng)的刀具磨損預(yù)測方法以及研發(fā)新型刀具，使之適應(yīng)長距離連續(xù)下坡掘進(jìn)條件。

圖3 各種類型盾構(gòu)/TBM機(jī)型示意圖Fig.3 Different types of shields/TBMs

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

2.2 斜井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

淺部的圍巖體大多處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，而深部巖體由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和圍巖自重的作用往往處于塑性狀態(tài)，由于圍巖內(nèi)賦存的高地應(yīng)力可能大大超出其強(qiáng)度，當(dāng)井巷開挖卸荷后二次應(yīng)力場引起的高度應(yīng)力集中將導(dǎo)致圍巖壓、剪應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度，造成圍巖很快由表及里進(jìn)入破裂碎脹和塑性擴(kuò)容狀態(tài)，從而發(fā)生擠壓大變形或表現(xiàn)為持續(xù)的流變。盾構(gòu)/TBM對圍巖擾動(dòng)較小，管片結(jié)構(gòu)施作及時(shí)，這對于淺部斜井井壁襯砌結(jié)構(gòu)當(dāng)然是極為有利的，但對于深部斜井，管片襯砌結(jié)構(gòu)施作后圍巖的變形并未停止，將進(jìn)一步造成斜井襯砌結(jié)構(gòu)的變形甚至破壞。由于不同支護(hù)方式對于荷載與變形的控制往往兼而有之，傳統(tǒng)的井巷穩(wěn)定性理論如壓力拱理論、塌落拱理論和應(yīng)變控制理論或均不能準(zhǔn)確描述深部圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用。因此，不同支護(hù)方式、不同的支護(hù)時(shí)機(jī)以及不同的襯砌結(jié)構(gòu)形式都將引起深部斜井襯砌結(jié)構(gòu)—圍巖相互作用關(guān)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(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入斜井，水壓較??；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(dòng)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(yán)重的突水災(zāi)害。對于傳統(tǒng)鉆爆法施工的斜井，往往采用“防排結(jié)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(dǎo)致洞頂?shù)叵滤幌陆怠⒌乇硭途越?、地面巖溶塌陷、生態(tài)環(huán)境惡化，影響人們的生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的主要荷載。與此同時(shí)，對于裂隙發(fā)育的地段，巷道開挖后近表圍巖內(nèi)孔隙水壓力大幅降低，導(dǎo)致斜井圍巖有效應(yīng)力增大超過巖體的強(qiáng)度，使圍巖表面的裂隙向深處擴(kuò)展。

再則，大多數(shù)巷道要經(jīng)受碩大的回采空間引起的強(qiáng)烈支承壓力作用，使受采動(dòng)影響的巷道的圍巖壓力數(shù)倍、甚至近10倍于原巖應(yīng)力，從而造成在淺部表現(xiàn)為普通堅(jiān)硬的巖石，在深部可能表現(xiàn)出軟巖大變形、大地壓、難支護(hù)的特征。

在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下，錨噴（網(wǎng)）支護(hù)結(jié)構(gòu)、單層裝配式管片襯砌結(jié)構(gòu)、管片襯砌內(nèi)施加二次襯砌共同承載的結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)支護(hù)方式是否仍然有效，圍巖與支護(hù)間相互作用方式將如何變化，井巷及支護(hù)的穩(wěn)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(qiáng)度和變形性質(zhì)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(dòng)的影響，使得“三高一擾動(dòng)”耦合作用下圍巖的變形機(jī)制極為復(fù)雜，淺部斜井圍巖—井壁結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系已無法滿足深部復(fù)雜圍巖條件的要求。對于深部圍巖而言，支護(hù)方式的不同將造成圍巖—結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系和形式的不同，而現(xiàn)有深部斜井井壁襯砌結(jié)構(gòu)的荷載理論研究多針對鉆爆法的錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)展開，鑒于盾構(gòu)/TBM在開挖與支護(hù)方式上與鉆爆法有明顯區(qū)別，因此，管片襯砌在深部圍巖條件下的荷載理論和形態(tài)無法采用常規(guī)錨噴對應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載分析方法，究竟采取何種荷載理論是進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(tài)如何，斜向條件對襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響都尚待研究。而深部斜井在高地壓、高水壓等復(fù)雜條件下襯砌接頭可能出現(xiàn)錯(cuò)臺、開裂、接縫局部壓潰等損傷和破壞也尚無有效的應(yīng)對措施，這些均是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須回答的問題。

2.3 復(fù)雜環(huán)境中施工的挑戰(zhàn)

盾構(gòu)/TBM在下坡條件下，其斜向始發(fā)基座體系、抗扭體系、支承反力體系等均與傳統(tǒng)始發(fā)技術(shù)存在較大區(qū)別，如何結(jié)合煤礦工程水文地質(zhì)特點(diǎn)和深長斜井盾構(gòu)/TBM施工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、易行的斜向始發(fā)基座體系、抗扭體系、支承反力體系，在此基礎(chǔ)上形成盾構(gòu)/TBM施工長距離煤礦斜井的始發(fā)技術(shù)，是工程施工過程中面臨的一大挑戰(zhàn)。

針對斜井穿越破碎、軟弱、富水等特殊不良地層，結(jié)合盾構(gòu)/TBM施工特點(diǎn)，研究相應(yīng)的預(yù)處理方法和突發(fā)情況下的快速脫困技術(shù)，并研究解決不同支護(hù)結(jié)構(gòu)型式及其過渡段轉(zhuǎn)換、下坡掘進(jìn)機(jī)體防滑移和栽頭、襯砌防松弛和防水等施工技術(shù)難題，以及針對斜井通風(fēng)距離長、反坡排水與材料運(yùn)輸難度大等特點(diǎn)，研究通風(fēng)排水和材料運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)，也是確保盾構(gòu)/TBM施工順利實(shí)施的重要保障。

在盾構(gòu)/TBM施工過程中，如何綜合考慮掘進(jìn)參數(shù)、施工狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力間相互影響，設(shè)計(jì)研發(fā)集成的盾構(gòu)/TBM運(yùn)行監(jiān)控、過程可視化監(jiān)控綜合化管理系統(tǒng)，將決定著施工能否安全進(jìn)行。

此外，與淺埋地下工程相比，盾構(gòu)/TBM施工完成深埋長距離斜井后，顯然不存在設(shè)備解體吊運(yùn)出洞的條件，因此，研發(fā)盾構(gòu)/TBM設(shè)備的原位地下拆解及配套技術(shù)并成功實(shí)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(guān)技術(shù)研究與進(jìn)展

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者圍繞盾構(gòu)/TBM技術(shù)在長距離斜井中應(yīng)用問題，從施工機(jī)具研制、結(jié)構(gòu)體系研發(fā)和不良地質(zhì)地段施工對策等方面開展了大量的工作。

3.1 雙模式盾構(gòu)/TBM研制

中國鐵建重工集團(tuán)根據(jù)神華新街能源公司臺格廟礦區(qū)斜井工程復(fù)雜的地質(zhì)條件，綜合考慮盾構(gòu)和TBM的優(yōu)缺點(diǎn)，并充分考慮6°下坡的排水、砂質(zhì)泥巖中刀盤結(jié)泥餅等問題，研制出具有TBM和盾構(gòu)2種模式的TBM設(shè)備，且可實(shí)現(xiàn)2種模式間的快速轉(zhuǎn)換［10］，如圖5所示。設(shè)備的配置包括：可雙向旋轉(zhuǎn)出碴的雙模式刀盤、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、可密閉的接碴斗、具有密閉功能和防滾動(dòng)的盾體防涌門、安裝在盾體上的穩(wěn)定器、防爆型排水系統(tǒng)、防爆型通風(fēng)除塵系統(tǒng)、1號皮帶機(jī)、2號皮帶機(jī)、管片拼裝機(jī)、可以偏轉(zhuǎn)角度的推進(jìn)油缸系統(tǒng)和物料快速倒運(yùn)系統(tǒng)等。2種模式下主機(jī)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(shí)可在斜井內(nèi)改裝成復(fù)合式盾構(gòu)模式刀盤。刀盤主要由刀盤體鋼結(jié)構(gòu)、刀具和回轉(zhuǎn)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(jī)剖面圖Fig.6 Profile of main machine under TBM working mode

圖7 盾構(gòu)模式下主機(jī)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(shè)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(tǒng)以及防爆型通風(fēng)除塵系統(tǒng)，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(fā)問題，保證設(shè)備和施工人員安全。

2）采用預(yù)制混凝土管片襯砌支護(hù)，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(xì)石混凝土防止管片沉降，保證快速、有效、安全地襯砌支護(hù)隧道。

3）采用適應(yīng)大坡度長距離斜井的物料快速倒運(yùn)系統(tǒng)，其包括隧道內(nèi)膠輪車運(yùn)輸編組、后配套物料卸載吊機(jī)、后配套內(nèi)部的物料倒運(yùn)卷揚(yáng)小車、管片卸載器、管片吊機(jī)以及豆礫石吊機(jī)、砂漿罐吊機(jī)以及砂漿泵送系統(tǒng)，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(zhuǎn)中心線向上偏離盾體中心線一定距離，此時(shí)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(gè)主機(jī)向上抬頭，以解決在長距離大坡度斜井隧道掘進(jìn)過程中TBM主機(jī)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(wěn)定器增加隧道與盾體間的摩擦力，并配合可調(diào)整角度的推進(jìn)油缸提供與滾動(dòng)方向相反的扭矩，共同防止和糾正TBM主機(jī)的側(cè)向滾動(dòng)。

此外，針對類似斜井工程施工可能遇到的掘進(jìn)控制問題，西南交通大學(xué)開發(fā)了系列盾構(gòu)/TBM掘進(jìn)施工模擬實(shí)驗(yàn)平臺（見圖9），以期通過實(shí)驗(yàn)手段探討在不同地區(qū)、不同地層條件以及特殊地質(zhì)地段中盾構(gòu)/TBM的適應(yīng)性與施工控制預(yù)案。

3.2 新型井壁結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建

盾構(gòu)多用于破碎巖體、軟土或復(fù)合地層，而TBM通常指適用于巖石地層的隧道掘進(jìn)機(jī)。雖然隨著土木和機(jī)械技術(shù)的不斷進(jìn)步，盾構(gòu)/TBM的地層適應(yīng)性越來越強(qiáng)，然而針對不同掘進(jìn)機(jī)類型的支護(hù)體系仍較為單一、襯砌設(shè)計(jì)理論較為傳統(tǒng)，目前常采用的襯砌結(jié)構(gòu)型式主要有：錨噴（網(wǎng)）支護(hù)結(jié)構(gòu)、單層裝配式管片襯砌結(jié)構(gòu)與管片襯砌內(nèi)施加二次襯砌共同承載的結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

錨噴（網(wǎng)）支護(hù)結(jié)構(gòu)多用于敞開式TBM，在采用單（雙）護(hù)盾式TBM或盾構(gòu)施工時(shí)，常采用單層裝配式管片襯砌結(jié)構(gòu)，其通常由鋼筋混凝土管片按照不同的拼裝方式用環(huán)向螺栓和縱向螺栓拼裝構(gòu)成。僅當(dāng)靠單層管片襯砌難以滿足使用屬性時(shí)才于管片襯砌內(nèi)部設(shè)置二次襯砌，從而使外層管片襯砌與內(nèi)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(jìn)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(fēng)化程度的巖層，各巖土體的物理力學(xué)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(zhì)現(xiàn)象，這一系列復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境也將使支護(hù)方式、襯砌結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜多樣化。有的斜井穿越松散軟弱層層厚可達(dá)百m以上，若僅采用常規(guī)的單層管片襯砌通常難以滿足承載要求，必須采用特殊結(jié)構(gòu)措施予以應(yīng)對。

圖9 西南交通大學(xué)開發(fā)的系列盾構(gòu)/TBM掘進(jìn)施工模擬實(shí)驗(yàn)平臺Fig.9 Models of shields/TBMs developed by Southwest Jiaotong University

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

針對采用盾構(gòu)/TBM修建斜井時(shí)所面臨的高地壓、大變形和高水壓等挑戰(zhàn)，西南交通大學(xué)課題組根據(jù)中鐵第四勘測設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司等單位關(guān)于神華新街臺格廟礦區(qū)斜井井壁襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案以及國內(nèi)外的相關(guān)研究，歸納了現(xiàn)有常見井壁襯砌結(jié)構(gòu)型式，并針對性提出了一些可能適用的新型井壁襯砌結(jié)構(gòu)型式，如：對于高地壓地段，可采用管片襯砌結(jié)構(gòu)配合錨桿（或“可壓縮層”）的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)來改善圍巖自穩(wěn)能力或在管片襯砌內(nèi)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(yù)留可壓縮層”以減緩圍巖形變壓力。其中，管片襯砌結(jié)構(gòu)配合錨桿的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)是在管片襯砌施作后，通過管片上的預(yù)設(shè)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(lián)系的其他水體可能突然涌入斜井，發(fā)生涌水突水災(zāi)害，為避免這一問題出現(xiàn)，目前常采用超前注漿進(jìn)行分區(qū)隔斷排水的措施，通過采用泄壓式管片襯砌在管片上設(shè)置泄壓孔道進(jìn)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(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)Fig.12 Segment lining allowing water pressure releasing in high water pressure section

上述井壁襯砌結(jié)構(gòu)中，錨噴（網(wǎng)）支護(hù)結(jié)構(gòu)與單層裝配式管片襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與理論較為成熟；管片襯砌內(nèi)施加二次襯砌共同承載的結(jié)構(gòu)由于工程實(shí)例較少，其設(shè)計(jì)方法與分析理論尚待完善；而對于新型襯砌結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有認(rèn)識尚淺，設(shè)計(jì)方法和理論尚為空白。鑒于此，西南交通大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）與中國煤炭科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合，依托煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目“復(fù)雜條件下TBM（盾構(gòu)）修建煤礦巷道（斜井）的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論”，擬采用“襯砌結(jié)構(gòu)—地層—水壓復(fù)合體模擬試驗(yàn)系統(tǒng)”（見圖13）、西南交通大學(xué)新研制的“三維隧道開挖模擬系統(tǒng)”（見圖14）與“結(jié)構(gòu)縱向模型試驗(yàn)系統(tǒng)”（見圖15）從模型尺度上針對深部高地壓、高水壓以及采動(dòng)等惡劣、復(fù)雜環(huán)境作用下各類型斜井襯砌結(jié)構(gòu)的適應(yīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)下深長巷道（斜井）的合理襯砌結(jié)構(gòu)體系。

圖13 襯砌結(jié)構(gòu)—地層—水壓復(fù)合體模擬試驗(yàn)系統(tǒng)（西南交通大學(xué)）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(tǒng)（西南交通大學(xué)）Fig.14 3D tunnel driving simulation system developed by Southwest Jiaotong University

圖15 結(jié)構(gòu)縱向模型試驗(yàn)系統(tǒng)（西南交通大學(xué)）Fig.15 Longitudinal model test system developed by Southwest Jiaotong University

此外，采用新開發(fā)的“盾構(gòu)隧道原型襯砌結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)”（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(jié)構(gòu)工作性能。同時(shí)，采用新開發(fā)的“結(jié)構(gòu)電化學(xué)快速腐蝕與測試試驗(yàn)系統(tǒng)”（見圖17）對于高地溫作用下井壁結(jié)構(gòu)的長期性能劣化問題開展研究。

圖16 盾構(gòu)隧道原型襯砌結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)（西南交通大學(xué)）Fig.16 Segment lining test system developed by Southwest Jiaotong University

圖17 結(jié)構(gòu)電化學(xué)快速腐蝕與測試試驗(yàn)系統(tǒng)（西南交通大學(xué)）Fig.17 Electrochemical corrosion and test system developed by Southwest Jiaotong University

與此同時(shí)，依托國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“盾構(gòu)法建設(shè)煤礦長距離斜井關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”，以神華新街臺格廟礦區(qū)斜井為工程對象，斜井井壁襯砌結(jié)構(gòu)體的水、土壓力與結(jié)構(gòu)內(nèi)力的現(xiàn)場測試試驗(yàn)正在開展，如圖18所示。

圖18 現(xiàn)場測試試驗(yàn)擬采用的試驗(yàn)方案Fig.18 Test program to be adopted in field testing

3.3 復(fù)雜條件施工時(shí)的處置技術(shù)

盾構(gòu)施工煤礦長距離斜井遇到的特殊不良地質(zhì)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(shí)踐方面均存在一些不足，主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：1）理論方面，關(guān)于圍巖大變形還沒有建立起一個(gè)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(diǎn)開展相關(guān)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(yù)測及工程對策方面缺乏系統(tǒng)性的測試方法與手段。對于盾構(gòu)隧道穿越軟弱圍巖大變形地段研究成果更少，缺乏相關(guān)的技術(shù)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(zhì)的涌水危害性最大。涌水多發(fā)于節(jié)理裂隙密集帶、構(gòu)造形成的風(fēng)化破碎帶；突水災(zāi)害多發(fā)于巖溶洞穴、溶隙發(fā)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(zhì)的角度對節(jié)理裂隙的形式、發(fā)育規(guī)律、特點(diǎn)以及形成條件等方面進(jìn)行，研究成果尚不系統(tǒng)、深入。特別是針對高水壓、富水條件下隧道修建技術(shù)的研究不多，可供借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)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(shù)，但主要應(yīng)用于鉆爆法施工的山嶺隧道，同時(shí)，富水高壓段隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也處于工程經(jīng)驗(yàn)類比階段。另外，富水高壓斷層破碎帶，由于圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，加之高壓富水的影響，極易發(fā)生突水突泥災(zāi)害，影響隧道工程的建設(shè)。目前主要是采取注漿加固的方式進(jìn)行處理，但在注漿技術(shù)方面缺乏相關(guān)的理論支撐，雖對注漿機(jī)制、注漿材料和注漿范圍等方面進(jìn)行了研究，但大多數(shù)是依托具體工點(diǎn)開展，缺乏系統(tǒng)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(shè)的大力提倡，盾構(gòu)/TBM作為安全、環(huán)保、高效的礦井建設(shè)手段，其技術(shù)必將在煤礦長距離斜井修建中得到更為廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，可以預(yù)見，未來幾年的研究重點(diǎn)將集中在井壁襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)體系的建構(gòu)與不良地質(zhì)地段的處置技術(shù)等方面。

4.1 井壁襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)體系的建構(gòu)

作為煤礦企業(yè)，安全是一切工作的前提和基礎(chǔ)，只有搞好安全才能談生產(chǎn)，才能談綠色發(fā)展。因此，必須將斜井施工和服役期襯砌結(jié)構(gòu)的安全性評價(jià)作為一項(xiàng)重要工作開展。

總的看來，目前國內(nèi)外針對盾構(gòu)/TBM施工、支護(hù)結(jié)構(gòu)受荷、結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)都有了長足的進(jìn)步，但綜合考慮掘進(jìn)參數(shù)、施工狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力間相互影響的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測和評價(jià)技術(shù)尚未形成。作為現(xiàn)代科學(xué)與通信技術(shù)不斷發(fā)展的重要標(biāo)志，開展盾構(gòu)施工煤礦長距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究，有效結(jié)合了國家重大工程建設(shè)重大需求，對于推動(dòng)礦山開采領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，提升煤炭行業(yè)自主創(chuàng)新能力，具有重要作用。

深長斜井體系龐大而復(fù)雜，襯砌結(jié)構(gòu)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(dòng)、礦震、溫度應(yīng)力與環(huán)境侵蝕等耐久性影響因素的長期作用，對井巷襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、服務(wù)期限內(nèi)的安全性有重大影響，如圖19所示。

現(xiàn)有針對采動(dòng)、礦震、高溫作用以及侵蝕環(huán)境對煤礦斜井井壁襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)，這一問題尤其重要，開展相關(guān)研究意義重大。

圖19 開采周期內(nèi)深部復(fù)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(zhì)地段的處置技術(shù)

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(zhì)地段需要解決的一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，需重點(diǎn)對特殊不良地質(zhì)地段綜合處置技術(shù)進(jìn)行研究，包括盾構(gòu)施工軟巖變形地段綜合處置技術(shù)、施工富水地段防排水處置技術(shù)、施工高水壓地段泄水降壓技術(shù)、有害氣體處置技術(shù)以及施工軟弱松散圍巖及斷層破碎帶施工技術(shù)。

5 體會(huì)

采用盾構(gòu)/TBM修建煤礦長距離斜井是一個(gè)嶄新的課題，必將面臨許許多多的問題和挑戰(zhàn)，但思者常新，隨著我國大型煤礦的不斷興建和盾構(gòu)/TBM裝備與施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，盾構(gòu)/TBM必將在煤礦礦井建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用，這也必將引起我國煤礦建井技術(shù)的一場革命，并推動(dòng)我國煤礦開采技術(shù)的新一輪高速發(fā)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(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1361210）；國家科技支撐計(jì)劃（2013BAB10B04）

何川（1964—），男，重慶云陽人，1999年畢業(yè)于早稻田大學(xué)，土木工學(xué)科，博士，教授，博士生導(dǎo)師，西南交通大學(xué)地下工程系主任，交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，長江學(xué)者特聘教授，教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人，新世紀(jì)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(xué)與技術(shù)獎(jiǎng)、第十一屆詹天佑鐵道科學(xué)技術(shù)成就獎(jiǎng)、第十一屆茅以升鐵道科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。長期圍繞鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵等領(lǐng)域開展研究與教學(xué)工作。主持承擔(dān)國家863計(jì)劃課題、973計(jì)劃課題、國家科技支撐計(jì)劃課題、國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、高速鐵路聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目等各類科研項(xiàng)目與課題60多項(xiàng)。獲省部級科技進(jìn)步一、二等獎(jiǎng)13項(xiàng)，2項(xiàng)成果獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。獲發(fā)明專利9項(xiàng)、實(shí)用新型專利13項(xiàng)、出版專著5部、發(fā)表期刊論文200余篇。培養(yǎng)畢業(yè)碩士70余名、畢業(yè)博士20余名、博士后6名。