黃建鑫

（紫金（廈門）工程設(shè)計(jì)有限公司）

目前，國內(nèi)金屬礦山井巷掘進(jìn)仍以傳統(tǒng)鉆爆法為主，雖然機(jī)械化程度得到了一定程度的提升，用鑿巖臺車、錨桿支護(hù)臺車、機(jī)械裝藥器、鏟運(yùn)機(jī)等替代了人工作業(yè)，加快掘進(jìn)速度，但受制各作業(yè)循環(huán)的相互影響，如爆破、通風(fēng)排煙、支護(hù)等時間，平巷月掘進(jìn)速度仍保持在80～120 m。隨著我國礦業(yè)行業(yè)的發(fā)展，礦山企業(yè)對礦山開發(fā)技術(shù)水平、基建工程建設(shè)效率有了更高的要求。特別是在一些工程量大，總進(jìn)尺長的井巷施工項(xiàng)目中，采用傳統(tǒng)鉆爆法很難滿足企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)的需求。TBM（Tunnel Boring Machine，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)）掘進(jìn)技術(shù)作為城市地鐵隧道施工的一項(xiàng)成熟技術(shù)，具有掘進(jìn)速度快、智能化程度高、零炸藥消耗量、安全性好、作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，近年來逐步應(yīng)用于煤礦井巷、金屬礦山井巷、公路隧道等施工項(xiàng)目中。因此，TBM 在金屬礦山井巷掘進(jìn)過程中的適應(yīng)性、匹配性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等問題是一個值得研究的課題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某金屬礦山地處青藏高原，海拔高度4 710 m，該礦山的電機(jī)車運(yùn)輸平硐施工原設(shè)計(jì)為4.4 m×4.4 m的三心拱斷面，巷道總長度18 km，由2 條進(jìn)、出總平硐及5 條環(huán)形支巷組成。平硐內(nèi)計(jì)劃運(yùn)行載質(zhì)量108 t 電機(jī)車及25 m3礦車，軌道采用60 kg、1 435 mm軌距重型鋼軌。采用TBM 掘進(jìn)后的擬合斷面為凈斷面φ6.47 m，根據(jù)地質(zhì)條件不同，分別采用管片、鋼拱架+錨網(wǎng)及錨網(wǎng)支護(hù)。原設(shè)計(jì)斷面如圖1 所示，TBM掘進(jìn)斷面如圖2所示。

1.2 工程勘察情況

1.2.1 巖層情況

根據(jù)工程勘察結(jié)果，巷道沿線途經(jīng)主要巖層為中新統(tǒng)花崗巖、侏羅系中統(tǒng)英安巖、千枚巖、板巖以及凝灰?guī)r。以硐口為起始點(diǎn)，先后經(jīng)過的主要地層分別為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化千枚巖、微風(fēng)化千枚巖、微風(fēng)化英安巖、微風(fēng)化花崗巖。各巖層特征如下：

（1）強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r風(fēng)化裂隙極發(fā)育，主要礦物成分為石英、長石及少量暗色礦物，長石類礦物風(fēng)化顯著，因風(fēng)化不均勻，局部夾中風(fēng)化塊，巖芯呈碎塊狀、少量短柱狀，屬極軟巖，巖體破碎—極破碎，巖石基本質(zhì)量等級為Ⅴ類。

（2）中風(fēng)化凝灰?guī)r主要礦物成分為石英、長石及少量暗色礦物，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以熔結(jié)凝灰?guī)r為主，晶屑凝灰?guī)r為輔；節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部裂隙面呈暗紅色鐵質(zhì)浸染，巖芯呈大塊狀，少量短柱狀。巖巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 為26%～87%，巖體較破碎—較完整，屬極軟巖—軟巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅳ～Ⅴ類。

（3）微風(fēng)化凝灰?guī)r主要礦物成分為石英、長石及少量暗色礦物，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，以晶屑、塵凝灰?guī)r為主，局部夾熔結(jié)凝灰?guī)r，部分礦物稍有風(fēng)化，節(jié)理裂隙稍發(fā)育—不發(fā)育，巖芯多呈短柱狀、長柱狀，巖質(zhì)較軟。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 為92%～98%，巖體完整—較完整，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅳ類。

（4）中風(fēng)化千枚巖主要礦物成分為細(xì)小的絹云母和少量石英及綠泥石組成，片狀變晶結(jié)構(gòu)，千枚理構(gòu)造，裂面上呈現(xiàn)強(qiáng)烈絲絹光澤，局部裂面浸染了黃褐色鐵質(zhì)礦物，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈柱狀，塊狀。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 值為30%～85%，巖體較破碎—較完整，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅳ～Ⅴ類。

（5）微風(fēng)化千枚巖主要礦物成分為細(xì)小的絹云母和少量石英及綠泥石組成，片狀變晶結(jié)構(gòu)，千枚理構(gòu)造，裂面上呈現(xiàn)強(qiáng)烈絲絹光澤，局部裂面浸染了黃褐色鐵質(zhì)礦物，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯呈柱狀，短柱狀。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 值為91%～98%，巖體較完整—完整，屬軟巖—較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅲ～Ⅳ類。

（6）微風(fēng)化英安巖由長石、石英等組成，部分礦物稍有風(fēng)化，節(jié)理裂隙稍有發(fā)育，巖芯多呈短柱狀、長柱狀，少量塊狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 為92%～96%，巖體完整，屬較硬巖—堅(jiān)硬巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅰ～Ⅱ類。

（7）微風(fēng)化花崗巖由長石、石英、云母等組成，呈花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，部分礦物稍有風(fēng)化，節(jié)理裂隙稍發(fā)育—不發(fā)育，巖芯多呈短柱狀、長柱狀，少量塊狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬。巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 為90%～98%，巖體完整，屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅱ類。

1.2.2 構(gòu)造情況

場地內(nèi)無大型活動性斷裂與發(fā)震構(gòu)造分布，新構(gòu)造運(yùn)動不強(qiáng)烈，但受前期構(gòu)造運(yùn)動及斷裂帶影響，場地內(nèi)巖性巖相變化較大，破碎帶較為發(fā)育。此外，受構(gòu)造運(yùn)動影響，場地內(nèi)塑性巖層經(jīng)常形成復(fù)雜的小揉皺，局部地段巖體內(nèi)節(jié)理、劈理裂隙發(fā)育。各斷層主要特征見表1。

1.2.3 水文地質(zhì)條件

礦山地下水類型為上層滯水及基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于第四系碎石土層中，水位變化因氣候、季節(jié)而異，上層滯水主要受大氣降水補(bǔ)給，水量一般較小?；鶐r裂隙水賦存于場地內(nèi)下伏基巖裂隙中，可細(xì)分為基巖風(fēng)化帶裂隙水和基巖構(gòu)造裂隙脈狀水2個亞類。

總的來說，基巖裂隙水其水位、水量大小和徑流、補(bǔ)給受裂隙的發(fā)育程度、連通性以及區(qū)域構(gòu)造的影響，未形成連續(xù)水位面，基巖節(jié)理裂隙不發(fā)育—較發(fā)育地段水量一般較小，對巷道工程施工影響較小；基巖節(jié)理裂隙發(fā)育—很發(fā)育地段、構(gòu)造破碎帶及不同巖體接觸帶水量較大，對巷道工程施工影響較大。

2 井巷施工方法簡介

隨著近年我國智能化裝備水平的提高，目前金屬礦山井巷掘進(jìn)施工方法形成了以機(jī)械化掘進(jìn)為主，逐步淘汰純?nèi)斯ゃ@爆法，并逐步引進(jìn)全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的技術(shù)現(xiàn)狀［1-4］。

純?nèi)斯ゃ@爆法以手持淺孔鉆機(jī)鑿巖，人工支護(hù)、裝藥、爆破的方式施工，作業(yè)人員多、勞動強(qiáng)度大、效率低、安全隱患多、作業(yè)環(huán)境差，月進(jìn)尺為60～80 m。

機(jī)械化鉆爆法以鑿巖臺車、支護(hù)臺車、裝藥器等機(jī)械化裝備施工，大幅降低了工人勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。由于仍需采用炸藥爆破，掘進(jìn)效率有所提高，但月進(jìn)尺仍在80～120 m。

全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM）掘進(jìn)采用刀盤直接破巖，取消了炸藥爆破，實(shí)現(xiàn)了鑿巖、支護(hù)、出渣、排水、通風(fēng)一體化智能掘進(jìn)，大幅提高了井巷掘進(jìn)智能化裝備水平，改善了井下作業(yè)環(huán)境，降低了工人勞動強(qiáng)度，效率得到大幅提升，月平均進(jìn)尺可達(dá)400～600 m，對于部分特殊巖層掘進(jìn)速度甚至可超過1 000 m/月。

3 TBM掘進(jìn)技術(shù)工程應(yīng)用分析

3.1 TBM設(shè)備介紹

TBM 是一種集機(jī)、電、液、光、氣、電子等學(xué)科于一體的一次完成礦山巖巷、排矸與襯砌的大型施工裝備，由電動機(jī)（或電動機(jī)—液壓馬達(dá)）驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)、液壓缸推進(jìn)，使刀盤在一定推力作用下貼緊巖石壁面，通過安裝在刀盤上的刀具破碎巖石，使隧道斷面一次成型［5-6］。

TBM 施工具有自動化程度高、施工速度快、安全經(jīng)濟(jì)好、一次成型快，不受外界氣候影響，開挖時可以控制地面沉陷，對原始巖層擾動小，無需炸藥爆破等優(yōu)點(diǎn)，是巖石隧道掘進(jìn)最有發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)械設(shè)備。該設(shè)備在中國鐵道、水電、交通、市政等隧洞工程中已大量應(yīng)用。

3.2 工程應(yīng)用背景

本工程項(xiàng)目具有距離長、自然環(huán)境惡劣、工期要求高等特點(diǎn)。按照傳統(tǒng)機(jī)械鉆爆法施工，掘進(jìn)速度按80～100 m/月，并考慮多個工作面同時施工，計(jì)算工期需62 個月，不能滿足礦山開發(fā)的需求。且該項(xiàng)目地處青藏高原，作業(yè)環(huán)境惡劣，安全風(fēng)險高。

本工程為礦山開發(fā)的關(guān)鍵項(xiàng)目，為滿足36 個月完成該項(xiàng)目施工并投入使用的要求，礦山引進(jìn)TBM掘進(jìn)技術(shù)，以求實(shí)現(xiàn)高速度掘進(jìn)，大幅降低施工工期，降低工人在高原環(huán)境下的勞動強(qiáng)度，控制施工安全風(fēng)險等目標(biāo)。

3.3 應(yīng)用條件分析

本項(xiàng)目施工范圍內(nèi)沒有大的斷裂構(gòu)造破碎帶，局部通過一些小斷層，地層相對穩(wěn)定，水文地質(zhì)條件較簡單，涌水量小。通過對比實(shí)際施工案例，本項(xiàng)目具備采用TBM 施工的條件，卡機(jī)風(fēng)險小。原設(shè)計(jì)井巷轉(zhuǎn)彎半徑為100 m，為適應(yīng)本項(xiàng)目所選TBM 機(jī)型，將井巷轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整為200 m，可以實(shí)現(xiàn)該TBM 機(jī)型的順利掘進(jìn)。井巷坡度為3‰～5‰，完全可以適應(yīng)TBM掘進(jìn)坡度要求。

3.4 TBM掘進(jìn)技術(shù)方案

3.4.1 機(jī)型的選擇

針對礦山地質(zhì)條件，由于硐口附近地層較軟且破碎帶較多，但除此之外的地層又較堅(jiān)硬、穩(wěn)定，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，任何一種單一TBM 模式在礦山上應(yīng)用均有一定的局限性。因此，最終選擇雙模雙支護(hù)TBM 掘進(jìn)機(jī)，以適應(yīng)礦山的工程特點(diǎn)，并兼顧施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

雙模雙支護(hù)掘進(jìn)機(jī)能結(jié)合單護(hù)盾、敞開式、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以在絕大部分完整性良好的巖層中采用不帶壓模式掘進(jìn)，以獲得較高掘進(jìn)效率；在局部存在軟土的地層中采用土壓平衡模式掘進(jìn)，保證施工安全。不帶壓模式掘進(jìn)時，采用鋼拱架+錨網(wǎng)支護(hù)，掘進(jìn)效率高，支護(hù)成本低；土壓平衡模式掘進(jìn)，采用土壓盾構(gòu)、預(yù)制管片拼裝模式，可有效控制沉降和提高施工安全性。

3.4.2 設(shè)備規(guī)格及配置確定

為保證巷道成形后礦山生產(chǎn)設(shè)備與巷道巖壁之間的安全距離及人行道寬度要求，通過斷面擬合，最終選擇開挖直徑6 470 mm 的雙護(hù)盾TBM。結(jié)合工程需要，TBM 整機(jī)配備有螺旋出渣機(jī)、主皮帶出渣機(jī)、錨桿拼裝機(jī)、管片拼裝機(jī)、除塵設(shè)備、供氧設(shè)備、空壓機(jī)、噴混系統(tǒng)、豆礫石系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等。

后配套材料運(yùn)輸及出渣系統(tǒng)，選擇55 t內(nèi)燃機(jī)車牽引18 m3礦車、6 m3混凝土罐車、6 m3豆礫石罐車、5 t平板車、12 t管片車、人車等進(jìn)行列車編組。

3.4.3 支護(hù)方案

根據(jù)各區(qū)段的巖石條件，在軟弱巖層及構(gòu)造破碎帶采用管片支護(hù)，管片內(nèi)徑5 500 mm、外徑6 200 mm、厚度350 mm、寬度1 500 mm。在一般Ⅳ類圍巖中采用鋼拱架+錨網(wǎng)支護(hù)，在Ⅱ、Ⅲ類穩(wěn)定圍巖中采用錨網(wǎng)+錨桿支護(hù)。

3.4.4 回填方案

由于TBM 巷道掘進(jìn)成巷為圓形斷面，為了滿足礦山巷道的使用要求，需對底部部分圓弧無效空間進(jìn)行回填。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，TBM 掘進(jìn)常用的回填方式有混凝土、預(yù)制仰拱塊、預(yù)制仰拱塊+混凝土、碎石+混凝土地面回填等?？紤]經(jīng)濟(jì)性及使用要求，最終采用壓實(shí)碎石+混凝土地面的回填方式。

3.4.5 掘進(jìn)線路選擇

根據(jù)本項(xiàng)目井巷線路布置情況，選擇將硐口A作為始發(fā)硐口，施工完A 硐主巷后，先后施工環(huán)線支巷Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅴ，而后施工B 硐主巷，由硐口B 結(jié)束。最終，采用TBM 施工巷道總長度為12.2 km，整個項(xiàng)目施工工期為36個月。

3.5 TBM掘進(jìn)技術(shù)與鉆爆法掘進(jìn)技術(shù)對比

3.5.1 掘進(jìn)進(jìn)度比較

根據(jù)TBM 在該礦山的實(shí)際應(yīng)用情況可知，TBM很好地解決了在軟巖、破碎帶等復(fù)雜地段的施工問題，并順利地過渡到穩(wěn)定巖層，采用不帶壓模式掘進(jìn)。施工記錄顯示，最快掘進(jìn)速度為550 m/月，綜合平均掘進(jìn)速度為400 m/月，明顯快于傳統(tǒng)鉆爆法施工速度80～120 m/月。實(shí)際施工工期為36 個月（含前期設(shè)備組裝及施工準(zhǔn)備時間），較傳統(tǒng)鉆爆法施工工期62個月節(jié)省26個月。

3.5.2 施工成本比較

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況，TBM 掘進(jìn)成本與傳統(tǒng)鉆爆法成本對比情況見表2。

注：TBM掘進(jìn)凈斷面φ6.47 m，鉆爆法掘進(jìn)凈斷面4.4 m×4.4 m。

由表2 可知，TBM 掘進(jìn)施工成本高于鉆爆法掘進(jìn)，但由于TBM 掘進(jìn)可以大幅減少建設(shè)時間，使礦山提前投產(chǎn)，提前獲得礦山開發(fā)收益，降低財(cái)務(wù)時間成本，由此帶來的礦山開發(fā)整體效益增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過增加的施工成本。

3.5.3 其他方面優(yōu)勢

本礦山地處青藏高原，施工條件惡劣，安全環(huán)保要求高。采用TBM 施工，無需使用炸藥爆破，可以明顯改善井下作業(yè)的通風(fēng)環(huán)境、衛(wèi)生環(huán)境，降低安全風(fēng)險；同時，由于該設(shè)備的智能化水平高，各工序均為機(jī)械化作業(yè)，并配備制氧設(shè)備，可以大幅降低工人的勞動強(qiáng)度，保證工人在高原環(huán)境下施工的身體健康。

4 結(jié)語

某金屬礦山井巷工程量大，施工工期要求高，通過對項(xiàng)目沿線開展工程勘察，進(jìn)行TBM 與本項(xiàng)目適配性分析，并綜合考慮礦山開發(fā)整體效益，最終采用了TBM 掘進(jìn)技術(shù)。應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)了礦山企業(yè)要求36個月完成本項(xiàng)目建設(shè)并投入使用的計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了早投產(chǎn)早見效的目標(biāo)，同時，施工過程中的安全、環(huán)保、職業(yè)衛(wèi)生條件得到了更好地改善。TBM 掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用對未來金屬礦山井巷掘進(jìn)智能化裝備的應(yīng)用有很好的借鑒作用。