TBM施工技术在金属矿山长距离运输巷掘进的应用- 大数跨境

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TBM施工技术在金属矿山长距离运输巷掘进的应用

矿山安全天地

2024-10-18

导读：金属矿山长距离运输巷采用钻爆法施工时出渣运输困难、安全管理难度大、施工进度慢

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摘要

金属矿山长距离运输巷采用钻爆法施工时出渣运输困难、安全管理难度大、施工进度慢，采用TBM 施工能有效克服以上不利因素。以某金属矿山长距离运输巷施工为例，结合项目自身特点，确定TBM 设备从辅助斜坡道运输至施工中段进行地下组装，然后开始中段运输巷道施工；TBM 施工完成一个中段巷道后，再向上施工措施巷道至上部中段，施工完成后拆机经斜坡道运出至地表。采用TBM 施工后巷道断面为规整的圆形，围岩未受到爆破震动影响，工作面安全状况较好。TBM 施工每月进尺450～500 m，施工进度大幅度提高；同时，采用铺轨电瓶车牵引梭车出渣，不使用铲车、无轨出渣车等燃油设备，工作面环境得到极大的改善。

作者及单位

刘荣乐，樊忠华，张春虎，周新勍，李明睿，彭勇

中国瑞林工程技术股份有限公司

引用格式

刘荣乐, 樊忠华, 张春虎等. TBM施工技术在金属矿山长距离运输巷掘进的应用[J]. 现代矿业, 2024(6):179-181，185.

正文

目前，矿山巷道主要采用钻爆法施工，掘进速度一般为70～80 m/月。对于长距离运输巷，由于出渣距离长、通风困难、工作面环境差，采用钻爆法施工进度将大幅度降低。TBM（Tunnel Boring Machine）法隧洞掘进施工是区别于钻爆法的一种施工方法，掘进施工过程集掘进、支护、出渣等施工工序于一体，并且连续作业。相比于钻爆法，TBM法具有安全性能高、围岩扰动小、工程施工质量高、自动化与机械化程度高等优点，尤其适合长距离、大断面隧道的开挖。目前，TBM 法在铁路、公路、水电工程、交通、市政工程等隧道工程中已广泛使用。TBM掘进使用刀盘切割破岩，适宜掘进的围岩强度介于30～150 MPa，按照现有的设备性能，在地质条件稳定的情况下可实现单日掘进进尺30～50 m，月均掘进进尺可达800 m。综上所述，对于金属矿山长距离运输巷可优先考虑采用TBM施工。

1 工程概况

某金属矿山开拓系统由主井、副井、北回风井与辅助斜坡道组成，其中，主井净直径4.0 m，副井净直径5.5 m，北回风井净直径4.5 m，辅助斜坡道净断面为3.8 m×3.6 m（宽×高），转弯半径20 m。此外，还有探矿斜井可用于基建期回风与出渣。基建期设计-140、-190、-240 m 共3 个中段，其中-240 m 中段为首采中段，3 个中段主、副井与北回风井之间运输巷与石门长约2.2 km。矿区工程地质条件一般，岩石主要以晶屑凝灰岩、角砾凝灰岩为主，局部夹杂凝灰质粉砂岩，受地质构造影响，岩石局部节理裂隙面发育，围岩等级Ⅲ～Ⅳ级，岩石强度f=8～10。水文地质条件中等复杂，-240 m 中段掘进施工时，工作面无明显涌水。

基建期，北回风井施工完成后随即转入-240 m中段与探矿斜井进行贯通施工，形成贯通风流及双安全出口，主副井施工完成后再进行-240 m 中段运输巷双向掘进施工。由于井下通风距离长、工作面作业环境差、岩石间节理裂隙面发育等不利因素，独头巷道施工月平均进尺为65 m，-240 m 中段主副井与北回风井之间运输巷与石门巷全长2.2 km，贯通施工耗时17 个月，对本项目的施工进度带来了极为不利的影响。

为缩短建设工期，迫切需要寻找长距离巷道安全快速的施工方法。TBM 工作时利用盘形滚刀挤压切割破岩，对围岩扰动小，能充分发挥围岩自稳能力，提高巷道掘进本质安全，经综合考虑，针对-140、-190 m中段长距离运输巷采用TBM施工。

2 TBM施工技术方案

2.1 TBM法施工巷道断面分析

巷道设计断面为四分之一三心拱形，直线段净断面2.7 m×2.9 m（宽×高），曲线段净断面3.0 m×2.9 m（宽×高），直线段巷道断面如图1 所示，原设计巷道曲线段分为左转弯与右转弯，2 种不同转弯方式巷道中心线与轨道中心线距离不同。选择TBM 施工需同时满足2种不同工况的曲线段断面配置，且轨道中心线与TBM 断面中心线距离不变。通过拟合，选用直径3 530 mm 的TBM 能满足要求，该TBM 能达到最小转弯半径30 m，具体断面配置如图2所示。

采用TBM 施工φ3 530 mm 的圆形巷道断面，采用50 mm 厚喷射混凝土支护，巷道净断面直径为3 430 mm，设备外形边缘与巷道两侧支护间最小距离均有不小于200 mm 的富余空间，无论往哪侧转弯都满足巷道弯道加宽规范要求。所以，本断面对于主运输巷的直道与弯道均适用。巷道底板采用C25 混凝土浇筑以便于后期铺轨，并在人行道一侧预留水沟，水沟上铺设钢筋混凝土盖板方便行人。采用TBM 施工时，岩体结构不受爆破震动破坏，且圆形断面对巷道周围各向围岩压力均有较好的适应性，更有利于巷道的稳定。在巷道支护时视岩体情况以喷射混凝土支护为主，局部破碎、节理裂隙发育岩层采取锚网喷的支护方式。

2.2 TBM设备入井与升井

根据本项目特点，TBM 存在从北回风井、副井和辅助斜坡道3种不同的下井方案，TBM 拆分后最大件质量35 t，外形尺寸2 872 mm×2 872 mm×1 770 mm。由于项目正处于基建期，北回风井与副井均承担井下开拓施工出渣任务，如果从竖井内下放TBM 设备，需要对井筒内管路、电缆等临时设施进行拆除，下放完毕后对拆除设施再恢复，且竖井提升绞车的提升重量无法满足下放要求，需制作运输平台配合4台稳车下放，井下施工承接平台经牵引至组装硐室内。因此，采用竖井下放工期较长且安全风险大。

经综合考虑，选用从辅助斜坡道下井方案，TBM拆分后各构件通过平板车运输至井下，利用提前施工好的组装硐室在井下组装，然后通过步进硐室与始发硐室开始施工。-190 m 中段运输巷施工完成后，施工措施斜坡道，将设备转至-140 m 中段主副井附近，开始-140 m 中段的施工。待-140 m 中段施工至与北回风井贯通后退至拆机硐室，拆机后利用辅助斜坡道运输至地面。

2.3 TBM法施工的相关辅助配套设施

TBM 法施工需重点考虑供电、供风、供水、排水以及出渣运输等辅助设施。

（1）供电。直径3 530 mmTBM 采用10 kV 高压电作为动力能源，本项目从地表新增1 趟10 kV 高压电缆，经探矿斜井、-240～-190 m段辅助斜坡道至-190 m中段组装硐室内，满足TBM供电要求。

（2）供风、供水、排水。工作面供风采取在辅助斜坡道贯通后，利用贯穿风流在斜坡道与-190 m 中段联结处安装局扇+接风筒的方式，往工作面压入新鲜风流。工作面供水采用原辅助斜坡道施工供水系统，满足10 m3/h 施工用水要求。工作面涌水通过辅助斜坡道自流至-240 m 中段探矿斜井临时水仓，经探矿斜井抽排至地表。

（3）出渣。从辅助斜坡道内出渣能否满足TBM法500m/月的掘进进度要求，成为影响TBM 施工的关键制约因素。经计算，500 m/月的施工进度废渣量为7 342.5 m3，每天出渣量为245 m3。选用10 辆5 m3矿安出渣车，5 辆运输，5 辆检修备用，单车运输1 次耗时1 h，平均每天运输10次，5辆车运输能够满足TBM施工出渣运输要求。

3 TBM施工经济性分析

从目前的隧洞掘进技术来看，应用TBM 掘进隧洞，长度至少应在1 000 m以上，经济长度在3～8 km［2］。本项目2 个中段运输巷与石门累计长度约4.4 km，-190 m 中段施工完成后需通过措施斜坡道转至-140 m 中段施工，实际采用TBM 法施工巷道长度约4 km，满足经济长度要求。此外，根据-240 m 中段采用普通钻爆法施工经验，经施工进度分析比较，如果采用TBM 法施工（500 m/月），将节约工期10～12 个月。虽然TBM 法施工巷道单方基建成本增加，但有利于项目早日建成投产，节约了相关成本，经技术经济综合比较来看，TBM 法效益更好。普通钻爆法和TBM施工方案技术经济比较详见表1。

由表1 可以看出，虽然TBM 施工基建投资增加约3 756.92万元，但从矿山全寿命周期综合效益来看，缩短建设工期，可节省公司贷款财务费用，减少管理人员工资和矿山日常管理开支等，财务净现值比前者高约5 761.03 万元，项目的财务净现值更高，经济效益更好。综合以上，TBM 法适量增加基建投资，但缩短了建设工期，节约相关成本及风险，综合经济效益更好。

4 实践情况

目前，TBM 已完成组装并始发掘进，施工完成后对于围岩完整性较好的巷道采用不支护或喷浆支护的方式，围岩破碎或节理裂隙发育的巷道采用锚网喷支护的方式。相比于钻爆法，施工节省了大量工序转换的时间，日进尺15～25 m。本项目采用TBM 施工实现了安全快速这一重要目标，将充分利用TBM掘进施工带来的进度、成巷质量等优势，尽快完成基建工程，缩短全项目建设周期，节约投资（图3）。