陳發(fā)興，蔡光輝，胡 韜

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引 言

在紅泥坡銅礦的設(shè)計(jì)過程中，建設(shè)方有意引進(jìn)TBM來進(jìn)行基建井巷工程的施工，中國(guó)鐵建重工也有在金屬礦山推廣TBM的意向，因此，由建設(shè)方牽頭，組織了考察、交流及論證活動(dòng)，該文將相關(guān)情況作介紹。

1 概 述

1.1 礦山設(shè)計(jì)概況

紅泥坡銅礦礦體賦存于含炭質(zhì)石英鈉長(zhǎng)巖、白云石英鈉長(zhǎng)巖、白云鈉長(zhǎng)片巖、石英鈉長(zhǎng)巖中。礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出，平面呈不規(guī)則狀、港灣狀，傾角10°～30°，平均傾角21°，礦體厚度0.9～44 m，平均厚度7.7 m，礦區(qū)累計(jì)查明(331+332+333)工業(yè)硫化銅礦石量3 346.1萬t，含銅金屬量557 558 t，平均品位1.67 %。礦體埋深58～762 m，礦圍巖總體穩(wěn)固。設(shè)計(jì)采用分層充填法、點(diǎn)柱充填法及房柱法(嗣后充填)開采，采用箕斗豎井+輔助豎井+斜坡道開拓系統(tǒng)，開拓系統(tǒng)立體圖和復(fù)合平面圖見圖1和圖2。設(shè)計(jì)基建井巷工程量為掘進(jìn)38 241.93 m，557 979.98 m3，砼量49 688.59 m3，其中，斜坡道掘進(jìn)4 859.93 m，87 015.21 m3，砼量8 920.86 m3，1 480 m中段運(yùn)輸平巷掘進(jìn)7 005.00 m，69 462.80 m3，砼量6 646.29 m3。

圖1 開拓系統(tǒng)立體圖Fig.1 Stereogram of development system

圖2 開拓系統(tǒng)復(fù)合平面圖Fig.2 Composite floor plan of the development system

1.2 TBM簡(jiǎn)介

全斷面巖石巷道掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)稱為TBM，它是利用刀盤上的滾刀擠壓破碎巖石，巖碴靠自重落入刀盤底部，由收碴口鏟刀鏟起，進(jìn)入刀盤內(nèi)部巖碴通道，隨刀盤旋轉(zhuǎn)卸入主機(jī)輸送帶，經(jīng)由主機(jī)輸送帶轉(zhuǎn)入后配套輸送帶，再傳到牽引礦碴車或連續(xù)輸送帶運(yùn)至洞外，使巷道一次成形的設(shè)備。

TBM的發(fā)展歷程簡(jiǎn)介如下：1846年，Maus設(shè)計(jì)的巖石切割機(jī)用于開挖在法國(guó)和意大利之間穿過阿爾卑斯山的Frejus鐵路隧道，標(biāo)志著TBM的雛形出現(xiàn)，1881—1926年，一些國(guó)家先后設(shè)計(jì)制造了21臺(tái)TBM，因受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，TBM的開發(fā)裹足不前，直至20世紀(jì)50年代，歐美及日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)又開始相繼研究設(shè)計(jì)并制造TBM，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了較為理想的效果，其中，1952年，美國(guó)羅賓斯公司制造了內(nèi)、外圈對(duì)轉(zhuǎn)式刀具的TBM，并成功地完成了Oahe水壩4條排水隧道的開挖，1956年，硬巖TBM制造成功，至此，TBM才真正進(jìn)入了實(shí)用階段。

1966年中國(guó)制造出了第一臺(tái)直徑3.5 m的全斷面硬巖TBM，并在云南下關(guān)的西洱河水電站引水隧道進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，開挖地層巖性為花崗片麻巖及石灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度為100～240 MPa，當(dāng)時(shí)這臺(tái)TBM最高月進(jìn)尺為48.5 m。20世紀(jì)90年代開始，中國(guó)才將TBM推廣應(yīng)用到引水隧道、鐵路隧道及交通隧道等隧道工程中，進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)首次立項(xiàng)開展盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，正式拉開國(guó)家層面自主研發(fā)盾構(gòu)機(jī)的序幕，“十五”到“十一五”期間“863計(jì)劃”有5個(gè)關(guān)于掘進(jìn)機(jī)課題研究工作。2014年12月27日，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(敞開式TBM)，在湖南長(zhǎng)沙中國(guó)鐵建重工集團(tuán)總裝車間順利下線，它的成功研制打破了國(guó)外的長(zhǎng)期壟斷，填補(bǔ)了我國(guó)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的空白，目前，中國(guó)鐵建重工的掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品全球生產(chǎn)規(guī)模最大、產(chǎn)品種類最全、市場(chǎng)占有率最高，TBM市場(chǎng)占有率80 %以上。

目前TBM技術(shù)主要應(yīng)用于地鐵、公路、鐵路、輸水隧道及煤礦工程，相對(duì)于傳統(tǒng)的礦山法施工它具有高效、快速、優(yōu)質(zhì)、安全等優(yōu)點(diǎn)，其掘進(jìn)速度一般是傳統(tǒng)礦山法的4～10倍，同時(shí)采用TBM掘進(jìn)還有利于環(huán)境保護(hù)和節(jié)省勞動(dòng)力，提高施工效率，整體上比較經(jīng)濟(jì)，但由于對(duì)不良工程地質(zhì)條件適應(yīng)性差不如傳統(tǒng)鉆爆法施工靈活，前期的一次性投入費(fèi)用較大，對(duì)施工人員的素質(zhì)要求較高等一系列原因，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)以適應(yīng)不同地質(zhì)及環(huán)境條件。

2 TBM施工現(xiàn)場(chǎng)考察情況

考察團(tuán)到達(dá)中鐵十九局承建的浙江臺(tái)州朱溪水庫(kù)輸水隧道工程項(xiàng)目部，對(duì)TBM設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行考察交流。

2.1 工程概況

朱溪水庫(kù)輸水隧道工程工程總投資4.837億元，開工日期2018年10月16日，總工期52個(gè)月，計(jì)劃竣工日期2023年2月15日。朱溪水庫(kù)上游段輸水隧洞全長(zhǎng)22.5 km，采用TBM+鉆爆法施工，洞徑5.3 m×4.95 m，步進(jìn)段為圓拱直墻型，TBM法施工洞段長(zhǎng)15.72 km，開挖洞徑為4.0 m的圓形斷面，綜合縱坡1.5 ‰。隧洞圍巖抗壓強(qiáng)度在150～200 MPa之間占58 %，200 MPa以上占22 %。

2.2 TB施工路線

TBM通過遙巖支洞組裝、掘進(jìn)至長(zhǎng)灘鉆爆施工段，經(jīng)過長(zhǎng)灘655 m步進(jìn)段檢修后，再掘進(jìn)至來巖鉆爆段，從來巖支洞步進(jìn)約3 km出洞、拆解，施工線路見圖3。

圖3 TBM施工路線Fig.3 TBM construction route

2.3 TBM參數(shù)

朱溪水庫(kù)輸水隧道工程使用ZTT4030敞開式TBM施工，開挖洞徑為4.0 m，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZTT4030敞開式TBM主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of ZTT4030 open TBM

2.4 現(xiàn)場(chǎng)施工組織管理

TBM施工采用1個(gè)維護(hù)班(4 h)，2個(gè)掘進(jìn)班(2×10 h)，使用勞務(wù)工人直接與項(xiàng)目簽訂勞動(dòng)合同，由正式職工直接帶班，組織TBM施工生產(chǎn)，維護(hù)班每班需跟班對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，掘進(jìn)班每班約26人。

2.5 施工進(jìn)度情況

TBM設(shè)備2019年4月開始現(xiàn)場(chǎng)組裝，由于機(jī)身較長(zhǎng)總用時(shí)2個(gè)月(含完成調(diào)試技改項(xiàng))，2019年6月開始掘進(jìn)，剔除首月設(shè)備磨合階段、9月臺(tái)風(fēng)影響施工及2020年2月疫情影響施工情況，掘進(jìn)施工月平均進(jìn)尺為513 m，分月進(jìn)度見表2。

表2 TBM施工月進(jìn)度表Tab.2 Monthly schedule of TBM construction

3 TBM礦山工程施工案例

鐵建重工TBM在礦山施工的部分案例見表3。

表3 鐵建重工TBM礦山施工案例Tab.3 TBM mine construction cases of China Railway Construction Heavy Industry

4 紅泥坡銅礦引入TBM施工分析比較

4.1 金屬礦山井巷工程特點(diǎn)及TBM施工適應(yīng)性

金屬礦山井巷工程是為了實(shí)現(xiàn)采礦的不同功能而設(shè)置的，如從功能上劃分，有提升井、中段有軌運(yùn)輸平巷、無軌運(yùn)輸?shù)?、進(jìn)回風(fēng)道(井)、充填通道、采準(zhǔn)巷道、切割巷道、溜井等，根據(jù)其功能需要，其斷面大小和型式會(huì)有不同，金屬礦山井巷工程一般分布在礦體賦存的范圍及其周邊，因此分布范圍小、分布高差大，與鐵路、公路、水利隧硐相比，金屬礦山井巷工程有如下特點(diǎn)：種類多、數(shù)量多，大多數(shù)巷道單條長(zhǎng)度短，且斷面大小不一，坡度變化大，有的巷道拐彎多，轉(zhuǎn)彎半徑小。

經(jīng)與鐵建重工設(shè)計(jì)人員交流后認(rèn)為，為適應(yīng)金屬礦山井巷工程的特點(diǎn)，TBM的設(shè)計(jì)需作相應(yīng)調(diào)整，適應(yīng)小轉(zhuǎn)彎半徑巷道的施工，因TBM施工完成的巷道還要作為施工附近與其相連通巷道的通道，因此TBM施工宜采用汽車排渣(不用膠帶排渣)。TBM施工過程中的轉(zhuǎn)彎是由TBM調(diào)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過液壓系統(tǒng)的控制，調(diào)節(jié)伸縮盾區(qū)域分布的推進(jìn)油缸及扭矩油缸長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)TBM左右轉(zhuǎn)彎、上下轉(zhuǎn)彎，通過有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，TBM最小能適應(yīng)30 m半徑的左右(平面)轉(zhuǎn)彎，但轉(zhuǎn)彎半徑越小，施工速度較慢，對(duì)設(shè)備的磨損也越大。對(duì)礦山巷道來說，轉(zhuǎn)彎半徑不能太大，太大會(huì)使工程投入加大，同時(shí)因有礦權(quán)范圍、礦體分布范圍等的限制，工程布置受限。經(jīng)鐵建重工設(shè)計(jì)人員分析權(quán)衡后，確定紅泥坡銅礦TBM設(shè)備配置最小轉(zhuǎn)彎半徑平面為50 m，豎向?yàn)?00 m。

4.2 TBM施工路線

從工程特點(diǎn)看，該項(xiàng)目最適宜采用TBM施工的工程是斜坡道由地表至1 480 m一段，這一段斜坡道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)3 636 m，為增加TBM連續(xù)施工的巷道長(zhǎng)度，可在斜坡道1 480岔口處轉(zhuǎn)入施工1 480 m運(yùn)輸水平P-2～P-4穿形成的環(huán)線，這樣安排，TBM連續(xù)施工巷道總長(zhǎng)度為6 865 m，根據(jù)上述TBM施工最小平面轉(zhuǎn)彎半徑為50 m的要求，原設(shè)計(jì)線路需作調(diào)整，調(diào)整后施工路線見圖4。除斜坡道外，該項(xiàng)目還可利用主、副豎井，東南、西回風(fēng)豎井及充填進(jìn)風(fēng)斜井作為井下其它工程的施工通道，從工程特點(diǎn)和總體施工進(jìn)度安排看，上述TBM施工路線施工完成后，其它巷道已不宜采用TBM施工。

圖4 TBM施工路線圖Fig.4 TBM construction route

4.3 TBM施工斷面

斜坡道及1 480 m有軌運(yùn)輸平巷原設(shè)計(jì)斷面見圖5、圖6，均采用1/3三心拱斷面，斜坡道凈寬4.4 m，墻高2.5 m，直線段坡度15 %，緩坡段坡度3 %，曲線段坡度8 %～10 %，1 480 m有軌運(yùn)輸平巷凈寬3 m，墻高2.1 m，坡度0.3 %，根據(jù)實(shí)際開挖的圍巖穩(wěn)固情況，巷道支護(hù)分別采用砼、噴錨、噴砼和不支護(hù)4種支護(hù)型式。

圖5 斜坡道原設(shè)計(jì)斷面圖Fig.5 The original design section of the ramp

圖6 1 480 m有軌運(yùn)輸平巷原設(shè)計(jì)斷面圖Fig.6 The original design section of the 1480m track transportation roadway

TBM施工形成的斷面為圓形斷面，需與原設(shè)計(jì)斷面參數(shù)相結(jié)合，形成新的設(shè)計(jì)斷面，滿足原設(shè)計(jì)設(shè)備通行及安全間隙的相關(guān)要求，斜坡道新設(shè)計(jì)斷面見圖7，TBM開挖直徑為5.03 m，排水溝設(shè)于道路中間，按施工斜坡道的TBM開挖1 480 m有軌運(yùn)輸平巷，其新設(shè)計(jì)斷面見圖8，與原設(shè)計(jì)相比，其斷面尺寸有較大富余。

圖7 斜坡道新設(shè)計(jì)斷面圖Fig.7 Newly designed section of the ramp

圖8 1 480 m有軌運(yùn)輸平巷新設(shè)計(jì)斷面圖Fig.8 Newly designed section of the 1480m track transportation roadway

4.4 施工進(jìn)度對(duì)比

按鐵建重工提供的數(shù)據(jù)，TBM在拐彎段的施工速度較慢，施工該項(xiàng)目斜坡道的1個(gè)拐彎段約需1個(gè)月時(shí)間，綜合來看，該項(xiàng)目TBM施工平均速度可按400 m/月計(jì)，常規(guī)方法施工進(jìn)度指標(biāo)見表4。

表4 常規(guī)方法施工進(jìn)度指標(biāo)表Tab.4 Construction progress index table of conventional method

方案1是所有工程均按常規(guī)方法施工，方案2是上述規(guī)劃的TBM施工線路用TBM施工，其余用常規(guī)方法施工，2方案施工進(jìn)度計(jì)劃編排結(jié)果差異見表5。

表5 2方案施工進(jìn)度差異Tab.5 Differences in construction progress between the two schemes

獨(dú)頭施工平均進(jìn)度指標(biāo)，TBM施工速度達(dá)到鉆爆法的3倍以上，優(yōu)勢(shì)明顯，如果項(xiàng)目剩余深部工程僅能通過可用TBM施工的通道進(jìn)行施工的話，則TBM速度快的優(yōu)勢(shì)就能充分發(fā)揮，總工期可大大縮短，該項(xiàng)目因還有多豎井可作為深部工程的施工通道，因此采用TBM施工的總工期并沒有比常規(guī)方法施工的總工期減少很多。

4.5 施工成本對(duì)比

按有色礦山2019年版《礦山井巷工程預(yù)算定額》進(jìn)行計(jì)算，鉆爆法施工，斜坡道綜合單價(jià)為662.06元 /m3，11 853.9 元/m，1 480 m有軌運(yùn)輸平巷綜合單價(jià)為510.46 元/m3，5 061.8 元/m。

不含設(shè)備投資攤銷的TBM施工成本估算見表6(按施工斜坡道估算)，TBM設(shè)備價(jià)格按5 000萬元/臺(tái)計(jì)，TBM設(shè)備使用壽命按15 km計(jì)，殘值按5 %計(jì)，則TBM設(shè)備攤銷費(fèi)為3 166.7 元/m，含設(shè)備攤銷費(fèi)的TBM施工成本為13 903.5 元/m。

表6 TBM施工成本估算(不含設(shè)備投資攤銷)表Tab.6 TBM construction cost estimation(excluding equipment investment amortization)

從TBM施工成本估算結(jié)果看，其施工成本要高于鉆爆法施工成本，用大直徑的TBM施工1 480 m有軌運(yùn)輸平巷，成本增加更大。

4.6 綜合對(duì)比

綜合來看2方案有如下特點(diǎn)和差異：

(1)TBM施工不需爆破，不產(chǎn)生炮煙，對(duì)巷道圍巖擾動(dòng)小，巷道成型規(guī)整，施工安全風(fēng)險(xiǎn)小于鉆爆法施工。

(2)獨(dú)頭施工速度TBM遠(yuǎn)高于鉆爆法施工，該項(xiàng)目斜坡道快速施工到1 480 m后，形成無軌設(shè)備的通行能道，人員、材料、設(shè)備的運(yùn)輸較方便，對(duì)深部工程的施工較為有利，采切工程可以提前開工。

(3)TBM施工成本高于鉆爆法施工成本。

5 TBM在金屬礦山應(yīng)用前景

近年來，國(guó)內(nèi)有多個(gè)千萬t級(jí)大型超深金屬礦山進(jìn)入前期論證、籌備或前期施工階段，這些礦山埋藏深度達(dá)千米以上，礦體規(guī)模大、走向長(zhǎng)，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)必然要采用無軌采掘工藝，為方便礦山生產(chǎn)，在方案上可能設(shè)置有長(zhǎng)距離斜坡道、沿脈干線等無軌通道，這些工程以是基建控制性工程，工程量巨大，傳統(tǒng)鉆爆法施工速度難于滿足縮短基建周期、提前投產(chǎn)、減少財(cái)務(wù)成本、提高效益的需要，而TBM恰好能滿足這一需求。類比大型超深礦山情況，在礦區(qū)面積大，礦體分布范圍廣的礦山，也可考慮推廣使用TBM。因此TBM在大型金屬礦山將有廣泛應(yīng)用前景。

6 結(jié) 語

TBM施工突出優(yōu)點(diǎn)是施工進(jìn)度快、安全、環(huán)保，不足之處是施工成本高，設(shè)備投入大，設(shè)備長(zhǎng)度長(zhǎng)且笨重、轉(zhuǎn)場(chǎng)移動(dòng)不靈活，1次只能施工1條巷道且施工斷面大小是基本固定、可調(diào)范圍小。從TBM的特點(diǎn)看，由地表開掘的、可用TBM施工的通道較長(zhǎng)，且此通道是后續(xù)工程施工的關(guān)鍵線路的情況下，應(yīng)大力推廣應(yīng)用TBM施工，這樣可大大縮短項(xiàng)目基建工期，提前投產(chǎn)，TBM施工增加的成本可由基建工期提前、投產(chǎn)提前的有利因素來消化。另外，從目前情況看，TBM裝備在適應(yīng)金屬礦山特點(diǎn)及降低施工成本方面還需進(jìn)一步作積極探索。