浅谈TBM在金属矿山的应用

陈发兴，蔡光辉，胡 韬

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引 言

在红泥坡铜矿的设计过程中，建设方有意引进TBM来进行基建井巷工程的施工，中国铁建重工也有在金属矿山推广TBM的意向，因此，由建设方牵头，组织了考察、交流及论证活动，该文将相关情况作介绍。

1 概 述

1.1 矿山设计概况

红泥坡铜矿矿体赋存于含炭质石英钠长岩、白云石英钠长岩、白云钠长片岩、石英钠长岩中。矿体呈层状、似层状产出，平面呈不规则状、港湾状，倾角10°～30°，平均倾角21°，矿体厚度0.9～44 m，平均厚度7.7 m，矿区累计查明(331+332+333)工业硫化铜矿石量3 346.1万t，含铜金属量557 558 t，平均品位1.67 %。矿体埋深58～762 m，矿围岩总体稳固。设计采用分层充填法、点柱充填法及房柱法(嗣后充填)开采，采用箕斗竖井+辅助竖井+斜坡道开拓系统，开拓系统立体图和复合平面图见图1和图2。设计基建井巷工程量为掘进38 241.93 m，557 979.98 m3，砼量49 688.59 m3，其中，斜坡道掘进4 859.93 m，87 015.21 m3，砼量8 920.86 m3，1 480 m中段运输平巷掘进7 005.00 m，69 462.80 m3，砼量6 646.29 m3。

图1 开拓系统立体图Fig.1 Stereogram of development system

图2 开拓系统复合平面图Fig.2 Composite floor plan of the development system

1.2 TBM简介

全断面岩石巷道掘进机简称为TBM，它是利用刀盘上的滚刀挤压破碎岩石，岩碴靠自重落入刀盘底部，由收碴口铲刀铲起，进入刀盘内部岩碴通道，随刀盘旋转卸入主机输送带，经由主机输送带转入后配套输送带，再传到牵引矿碴车或连续输送带运至洞外，使巷道一次成形的设备。

TBM的发展历程简介如下：1846年，Maus设计的岩石切割机用于开挖在法国和意大利之间穿过阿尔卑斯山的Frejus铁路隧道，标志着TBM的雏形出现，1881—1926年，一些国家先后设计制造了21台TBM，因受当时技术条件的限制，TBM的开发裹足不前，直至20世纪50年代，欧美及日本等工业发达国家和地区又开始相继研究设计并制造TBM，并在实际应用中获得了较为理想的效果，其中，1952年，美国罗宾斯公司制造了内、外圈对转式刀具的TBM，并成功地完成了Oahe水坝4条排水隧道的开挖，1956年，硬岩TBM制造成功，至此，TBM才真正进入了实用阶段。

1966年中国制造出了第一台直径3.5 m的全断面硬岩TBM，并在云南下关的西洱河水电站引水隧道进行工业性试验，开挖地层岩性为花岗片麻岩及石灰岩，抗压强度为100～240 MPa，当时这台TBM最高月进尺为48.5 m。20世纪90年代开始，中国才将TBM推广应用到引水隧道、铁路隧道及交通隧道等隧道工程中，进入21世纪，国家高技术研究发展计划(863计划)首次立项开展盾构机关键技术研究，正式拉开国家层面自主研发盾构机的序幕，“十五”到“十一五”期间“863计划”有5个关于掘进机课题研究工作。2014年12月27日，拥有自主知识产权的国产首台大直径全断面硬岩隧道掘进机(敞开式TBM)，在湖南长沙中国铁建重工集团总装车间顺利下线，它的成功研制打破了国外的长期垄断，填补了我国大直径全断面硬岩隧道掘进机的空白，目前，中国铁建重工的掘进机产品全球生产规模最大、产品种类最全、市场占有率最高，TBM市场占有率80 %以上。

目前TBM技术主要应用于地铁、公路、铁路、输水隧道及煤矿工程，相对于传统的矿山法施工它具有高效、快速、优质、安全等优点，其掘进速度一般是传统矿山法的4～10倍，同时采用TBM掘进还有利于环境保护和节省劳动力，提高施工效率，整体上比较经济，但由于对不良工程地质条件适应性差不如传统钻爆法施工灵活，前期的一次性投入费用较大，对施工人员的素质要求较高等一系列原因，其设计和制造技术需要进一步改进以适应不同地质及环境条件。

2 TBM施工现场考察情况

考察团到达中铁十九局承建的浙江台州朱溪水库输水隧道工程项目部，对TBM设备现场施工情况进行考察交流。

2.1 工程概况

朱溪水库输水隧道工程工程总投资4.837亿元，开工日期2018年10月16日，总工期52个月，计划竣工日期2023年2月15日。朱溪水库上游段输水隧洞全长22.5 km，采用TBM+钻爆法施工，洞径5.3 m×4.95 m，步进段为圆拱直墙型，TBM法施工洞段长15.72 km，开挖洞径为4.0 m的圆形断面，综合纵坡1.5 ‰。隧洞围岩抗压强度在150～200 MPa之间占58 %，200 MPa以上占22 %。

2.2 TB施工路线

TBM通过遥岩支洞组装、掘进至长滩钻爆施工段，经过长滩655 m步进段检修后，再掘进至来岩钻爆段，从来岩支洞步进约3 km出洞、拆解，施工线路见图3。

图3 TBM施工路线Fig.3 TBM construction route

2.3 TBM参数

朱溪水库输水隧道工程使用ZTT4030敞开式TBM施工，开挖洞径为4.0 m，其主要技术参数见表1。

表1 ZTT4030敞开式TBM主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of ZTT4030 open TBM

2.4 现场施工组织管理

TBM施工采用1个维护班(4 h)，2个掘进班(2×10 h)，使用劳务工人直接与项目签订劳动合同，由正式职工直接带班，组织TBM施工生产，维护班每班需跟班对设备进行检查维护，掘进班每班约26人。

2.5 施工进度情况

TBM设备2019年4月开始现场组装，由于机身较长总用时2个月(含完成调试技改项)，2019年6月开始掘进，剔除首月设备磨合阶段、9月台风影响施工及2020年2月疫情影响施工情况，掘进施工月平均进尺为513 m，分月进度见表2。

表2 TBM施工月进度表Tab.2 Monthly schedule of TBM construction

3 TBM矿山工程施工案例

铁建重工TBM在矿山施工的部分案例见表3。

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

4 红泥坡铜矿引入TBM施工分析比较

4.1 金属矿山井巷工程特点及TBM施工适应性

金属矿山井巷工程是为了实现采矿的不同功能而设置的，如从功能上划分，有提升井、中段有轨运输平巷、无轨运输道、进回风道(井)、充填通道、采准巷道、切割巷道、溜井等，根据其功能需要，其断面大小和型式会有不同，金属矿山井巷工程一般分布在矿体赋存的范围及其周边，因此分布范围小、分布高差大，与铁路、公路、水利隧硐相比，金属矿山井巷工程有如下特点：种类多、数量多，大多数巷道单条长度短，且断面大小不一，坡度变化大，有的巷道拐弯多，转弯半径小。

经与铁建重工设计人员交流后认为，为适应金属矿山井巷工程的特点，TBM的设计需作相应调整，适应小转弯半径巷道的施工，因TBM施工完成的巷道还要作为施工附近与其相连通巷道的通道，因此TBM施工宜采用汽车排渣(不用胶带排渣)。TBM施工过程中的转弯是由TBM调向系统实现，通过液压系统的控制，调节伸缩盾区域分布的推进油缸及扭矩油缸长度，实现TBM左右转弯、上下转弯，通过有针对性的设计，TBM最小能适应30 m半径的左右(平面)转弯，但转弯半径越小，施工速度较慢，对设备的磨损也越大。对矿山巷道来说，转弯半径不能太大，太大会使工程投入加大，同时因有矿权范围、矿体分布范围等的限制，工程布置受限。经铁建重工设计人员分析权衡后，确定红泥坡铜矿TBM设备配置最小转弯半径平面为50 m，竖向为200 m。

4.2 TBM施工路线

从工程特点看，该项目最适宜采用TBM施工的工程是斜坡道由地表至1 480 m一段，这一段斜坡道设计总长3 636 m，为增加TBM连续施工的巷道长度，可在斜坡道1 480岔口处转入施工1 480 m运输水平P-2～P-4穿形成的环线，这样安排，TBM连续施工巷道总长度为6 865 m，根据上述TBM施工最小平面转弯半径为50 m的要求，原设计线路需作调整，调整后施工路线见图4。除斜坡道外，该项目还可利用主、副竖井，东南、西回风竖井及充填进风斜井作为井下其它工程的施工通道，从工程特点和总体施工进度安排看，上述TBM施工路线施工完成后，其它巷道已不宜采用TBM施工。

图4 TBM施工路线图Fig.4 TBM construction route

4.3 TBM施工断面

斜坡道及1 480 m有轨运输平巷原设计断面见图5、图6，均采用1/3三心拱断面，斜坡道净宽4.4 m，墙高2.5 m，直线段坡度15 %，缓坡段坡度3 %，曲线段坡度8 %～10 %，1 480 m有轨运输平巷净宽3 m，墙高2.1 m，坡度0.3 %，根据实际开挖的围岩稳固情况，巷道支护分别采用砼、喷锚、喷砼和不支护4种支护型式。

图5 斜坡道原设计断面图Fig.5 The original design section of the ramp

图6 1 480 m有轨运输平巷原设计断面图Fig.6 The original design section of the 1480m track transportation roadway

TBM施工形成的断面为圆形断面，需与原设计断面参数相结合，形成新的设计断面，满足原设计设备通行及安全间隙的相关要求，斜坡道新设计断面见图7，TBM开挖直径为5.03 m，排水沟设于道路中间，按施工斜坡道的TBM开挖1 480 m有轨运输平巷，其新设计断面见图8，与原设计相比，其断面尺寸有较大富余。

图7 斜坡道新设计断面图Fig.7 Newly designed section of the ramp

图8 1 480 m有轨运输平巷新设计断面图Fig.8 Newly designed section of the 1480m track transportation roadway

4.4 施工进度对比

按铁建重工提供的数据，TBM在拐弯段的施工速度较慢，施工该项目斜坡道的1个拐弯段约需1个月时间，综合来看，该项目TBM施工平均速度可按400 m/月计，常规方法施工进度指标见表4。

表4 常规方法施工进度指标表Tab.4 Construction progress index table of conventional method

方案1是所有工程均按常规方法施工，方案2是上述规划的TBM施工线路用TBM施工，其余用常规方法施工，2方案施工进度计划编排结果差异见表5。

表5 2方案施工进度差异Tab.5 Differences in construction progress between the two schemes

独头施工平均进度指标，TBM施工速度达到钻爆法的3倍以上，优势明显，如果项目剩余深部工程仅能通过可用TBM施工的通道进行施工的话，则TBM速度快的优势就能充分发挥，总工期可大大缩短，该项目因还有多竖井可作为深部工程的施工通道，因此采用TBM施工的总工期并没有比常规方法施工的总工期减少很多。

4.5 施工成本对比

按有色矿山2019年版《矿山井巷工程预算定额》进行计算，钻爆法施工，斜坡道综合单价为662.06元 /m3，11 853.9 元/m，1 480 m有轨运输平巷综合单价为510.46 元/m3，5 061.8 元/m。

不含设备投资摊销的TBM施工成本估算见表6(按施工斜坡道估算)，TBM设备价格按5 000万元/台计，TBM设备使用寿命按15 km计，残值按5 %计，则TBM设备摊销费为3 166.7 元/m，含设备摊销费的TBM施工成本为13 903.5 元/m。

表6 TBM施工成本估算(不含设备投资摊销)表Tab.6 TBM construction cost estimation(excluding equipment investment amortization)

从TBM施工成本估算结果看，其施工成本要高于钻爆法施工成本，用大直径的TBM施工1 480 m有轨运输平巷，成本增加更大。

4.6 综合对比

综合来看2方案有如下特点和差异：

(1)TBM施工不需爆破，不产生炮烟，对巷道围岩扰动小，巷道成型规整，施工安全风险小于钻爆法施工。

(2)独头施工速度TBM远高于钻爆法施工，该项目斜坡道快速施工到1 480 m后，形成无轨设备的通行能道，人员、材料、设备的运输较方便，对深部工程的施工较为有利，采切工程可以提前开工。

(3)TBM施工成本高于钻爆法施工成本。

5 TBM在金属矿山应用前景

近年来，国内有多个千万t级大型超深金属矿山进入前期论证、筹备或前期施工阶段，这些矿山埋藏深度达千米以上，矿体规模大、走向长，要实现大规模生产必然要采用无轨采掘工艺，为方便矿山生产，在方案上可能设置有长距离斜坡道、沿脉干线等无轨通道，这些工程以是基建控制性工程，工程量巨大，传统钻爆法施工速度难于满足缩短基建周期、提前投产、减少财务成本、提高效益的需要，而TBM恰好能满足这一需求。类比大型超深矿山情况，在矿区面积大，矿体分布范围广的矿山，也可考虑推广使用TBM。因此TBM在大型金属矿山将有广泛应用前景。

6 结 语

TBM施工突出优点是施工进度快、安全、环保，不足之处是施工成本高，设备投入大，设备长度长且笨重、转场移动不灵活，1次只能施工1条巷道且施工断面大小是基本固定、可调范围小。从TBM的特点看，由地表开掘的、可用TBM施工的通道较长，且此通道是后续工程施工的关键线路的情况下，应大力推广应用TBM施工，这样可大大缩短项目基建工期，提前投产，TBM施工增加的成本可由基建工期提前、投产提前的有利因素来消化。另外，从目前情况看，TBM装备在适应金属矿山特点及降低施工成本方面还需进一步作积极探索。