敞開式TBM撐靴處處理圍巖坍塌技術研究

任大勇 王旭升 許君

摘要：礦井建設隨著科學技術的不斷進步與發展，機械化、自動化、智能化施工也不斷創新發展。面對勞動力市場日益緊張和復雜的地質環境因素，TBM全斷面掘進機成為現代礦井巷道施工的引領者。但面對斷層、破碎帶、軟弱地層、高溫高壓等復雜的地質環境因素，需要不斷進行TBM設備的革新改良，以更好的適應施工環境，創造安全高效的施工條件。本文針對山東新巨龍采用TBM法施工中，通過沙袋法、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撐靴處圍巖穩定，保證撐靴支撐力，保持TBM推進力進行的技術研究。

關鍵詞：礦井建設;TBM;撐靴;軟弱圍巖，技術

目前，礦井建設施工由20世紀50年代人工鋼釬大錘打眼放炮的土工作業模式，隨著國外先進采掘設備、技術引進和國內設計制造水平的提高，礦井建設水平取得了長足進步，已接近世界先進國家，從20世紀70年代TBM全斷面掘進機開始由萍鄉礦務局、西安煤機廠等單位進行工業性試驗，到現在20-30臺TBM應用于礦井建設，形成全斷面掘進工廠化作業線。

1研究背景

21世紀是知識經濟的時代、信息的時代和科技的時代。在習近平新時代中國特色社會主義思想指導下，各行各業都改革創新，飛速發展。礦井建設機械化也在迅猛發展，全斷面巖石隧道掘進機（TunnelBoringMachine，簡稱TBM）是在硬巖環境中，利用旋轉刀盤上的滾刀擠壓剪切破巖，通過旋轉刀盤鏟斗齒拾起石渣，落入主機皮帶上向后運輸，再通過礦車或轉運皮帶至洞外。TBM是集成掘進、支護、出渣等施工工序并連續作業，是機、電、液、光、氣等系統集成的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進速度快，利于環保、綜合效益高等優點。

本文主要以應用在山東新巨龍采用敞開式TBM巖石隧道掘進機施工為例進行技術研究。開敞式TBM，也稱支撐式TBM或撐靴式TBM，由刀盤、主驅動系統、主梁、推進系統（包括推進機構、支撐機構、換步機構、調向機構）、支護系統和后配套等組成。特點是適應硬巖地層，施工推進主要是利用撐靴撐緊圍巖產生的摩擦力作為反作用力來平衡刀盤通過主梁、推進液壓缸傳遞到撐靴上的推進力，TBM有兩個撐靴，對稱布置，撐靴與鞍架、主梁、推進液壓缸、鉸接液壓缸、支撐液壓缸協同工作，通過收縮伸長交替實現推進、上下坡和轉彎功能。

保持敞開式TBM推進力，撐靴是重要組成部分，推進中它將設備的重力以及刀盤傳遞過來的推力和扭矩通過撐靴傳遞到圍巖上。為了增加推進力，除了TBM設備可以增加撐靴的面積，調整油缸的方向、預留鋼筋棚槽口等進行設備的改制，最重要的需改善撐靴處圍巖的穩定性，普通巖層硬度較低，互層較多，難以保持整體穩定性，圍巖被撐靴擠壓受力容易造成坍塌垮落，如何應對坍塌保持推進力成為施工中的一個重要課題。

2撐靴處坍塌處理關鍵技術

2.1沙袋法

（1）適用范圍：坍塌部位巖石強度大，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：將沙袋運送至坍塌位置，將撐靴與洞壁

間的塌腔填平，開始撐撐靴，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，應采取點動使撐靴壓力緩慢上升，當達到最大壓力，巷道圍巖無嚴重變化時，即可正常掘進，并對圍巖進行實時監測。（3）優缺點：搬運方便、快速高效，可以反復使用，能夠增大撐靴的接觸面積。但對圍巖穩定要求高，沙袋變形大，不能單獨受力，需要與周邊圍巖聯合受力，后期仍要對圍巖進行永久支護。

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，周邊圍巖相對穩定。（2）處理方法及措施：將長度大于撐靴寬度20-50cm，規格為10-

20cm方木，運送至坍塌位置，然后開始撐撐靴至幫壁，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，安排專人觀察圍巖。（3）優缺點：搬運方便、快速高效，耗材較少。但上部圍巖不穩定時有安全隱患，后期仍要對圍巖進行二次支護，木材容易被壓壞。

2.3地錨法

（1）適用范圍：節理發育、較破碎、不穩定巖層。（2）處理方法及措施：在預定撐靴位置，采用長1.5-2m管縫式錨桿，配合φ6金屬網，進行錨網噴支護，錨桿在撐靴邊緣范圍內5-10cm打設，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，清理場地，撐撐靴至最大壓力，正常推進。（3）優缺點：施工作業簡單、安全可靠、受力穩定，無二次破壞風險，后期補錨桿復噴即可。但不能平行作業，占時略長，耗材較多。

2.4注漿法

（1）適用范圍：節理發育、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，埋設花管，進行注漿，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，根據時間和環境要求所確定，注漿結束凝固后，撐撐靴至最大壓力，正常推進，并對圍巖進行實時監測。（3）優缺點：可平行作業，可根據推進時間優化工序和控制凝固加固時間。但耗材多，成本高，注漿半徑不易控制，損耗大，后期仍要對圍巖進行錨網支護。

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：找凈塌方范圍內的浮矸滑石，可根據情況采用噴漿、錨桿、錨網臨時支護，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，根據巖石性質，也可采用留地錨、幫錨、加裝鋼筋或網片、增大混凝土標號等辦法增加井幫穩定性，待混凝土強度滿足要求，撐撐靴至最大壓力，正常推進。（3）優缺點：一次性成巷，安全可靠，撐靴接觸面積大。但耗時長，影響整體施工進度，不能平行作業。

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，圍巖基本穩定。（2）處理方法及措施：將工字鋼、木楔、鐵楔運送至坍塌位置，或預先按撐靴弧面加工H棚架，在預定位置架H棚架或豎直放置3根工字鋼，，然后開始撐撐靴，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，采取點動使撐靴壓力到最大壓力時，圍巖無嚴重變化，正常推進，并對圍巖實時監測。（3）優缺點：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，后期仍要對圍巖進行永久支護。

3TBM發展趨勢

隨著我國大規?；A設施項目的實施，TBM應用于鐵路、水利、水電、城市地鐵、公路、石油燃氣管道、越江和海底隧道等工程，也不斷用于煤礦、金礦、鐵礦等礦山建設施工，從平巷、斜井至立井都在開發應用中。如今礦井建設工程巷道長，規模大，地質條件復雜，開拓越來越深，對開挖速度、安全、環保、效益的要求越來越高，且體力勞動者相對減少，尤其對礦山建設勞務人員招聘越來越難，這就為TBM提供平臺，TBM具有掘進速度快、施工工期短、安全程度高、工程質量優、作業環境好、總體用人少、綜合效益高等優點，更加顯現建設施工優勢，也必然是今后發展的方向。

4結束語

總之，TBM在礦井建設中的發展應用勢不可擋，通過應對不同情況解決撐靴處軟弱圍巖的加固方法，為后續使用TBM提供了解決現場問題的一些辦法，為提高TBM掘進速度、安全保障，促進礦井建設事業的進一步發展做出努力。

參考文獻：

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

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