敞开式TBM撑靴处处理围岩坍塌技术研究

任大勇 王旭升 许君

摘要：矿井建设随着科学技术的不断进步与发展，机械化、自动化、智能化施工也不断创新发展。面对劳动力市场日益紧张和复杂的地质环境因素，TBM全断面掘进机成为现代矿井巷道施工的引领者。但面对断层、破碎带、软弱地层、高温高压等复杂的地质环境因素，需要不断进行TBM设备的革新改良，以更好的适应施工环境，创造安全高效的施工条件。本文针对山东新巨龙采用TBM法施工中，通过沙袋法、木垛法、地锚法、注浆法、浇砼法、传力棚法等处理软弱岩帮，确保TBM撑靴处围岩稳定，保证撑靴支撑力，保持TBM推进力进行的技术研究。

关键词：矿井建设;TBM;撑靴;软弱围岩，技术

目前，矿井建设施工由20世纪50年代人工钢钎大锤打眼放炮的土工作业模式，随着国外先进采掘设备、技术引进和国内设计制造水平的提高，矿井建设水平取得了长足进步，已接近世界先进国家，从20世纪70年代TBM全断面掘进机开始由萍乡矿务局、西安煤机厂等单位进行工业性试验，到现在20-30台TBM应用于矿井建设，形成全断面掘进工厂化作业线。

1研究背景

21世纪是知识经济的时代、信息的时代和科技的时代。在习近平新时代中国特色社会主义思想指导下，各行各业都改革创新，飞速发展。矿井建设机械化也在迅猛发展，全断面岩石隧道掘进机（TunnelBoringMachine，简称TBM）是在硬岩环境中，利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，通过旋转刀盘铲斗齿拾起石渣，落入主机皮带上向后运输，再通过矿车或转运皮带至洞外。TBM是集成掘进、支护、出渣等施工工序并连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快，利于环保、综合效益高等优点。

本文主要以应用在山东新巨龙采用敞开式TBM岩石隧道掘进机施工为例进行技术研究。开敞式TBM，也称支撑式TBM或撑靴式TBM，由刀盘、主驱动系统、主梁、推进系统（包括推进机构、支撑机构、换步机构、调向机构）、支护系统和后配套等组成。特点是适应硬岩地层，施工推进主要是利用撑靴撑紧围岩产生的摩擦力作为反作用力来平衡刀盘通过主梁、推进液压缸传递到撑靴上的推进力，TBM有两个撑靴，对称布置，撑靴与鞍架、主梁、推进液压缸、铰接液压缸、支撑液压缸协同工作，通过收缩伸长交替实现推进、上下坡和转弯功能。

保持敞开式TBM推进力，撑靴是重要组成部分，推进中它将设备的重力以及刀盘传递过来的推力和扭矩通过撑靴传递到围岩上。为了增加推进力，除了TBM设备可以增加撑靴的面积，调整油缸的方向、预留钢筋棚槽口等进行设备的改制，最重要的需改善撑靴处围岩的稳定性，普通岩层硬度较低，互层较多，难以保持整体稳定性，围岩被撑靴挤压受力容易造成坍塌垮落，如何应对坍塌保持推进力成为施工中的一个重要课题。

2撑靴处坍塌处理关键技术

2.1沙袋法

（1）适用范围：坍塌部位岩石强度大，塌腔范围小于撑靴面积，局部凹突的围岩。（2）处理方法及措施：将沙袋运送至坍塌位置，将撑靴与洞壁

间的塌腔填平，开始撑撑靴，操作人员需注意观察撑靴压力和巷道围岩变化情况，低压撑到洞壁后，应采取点动使撑靴压力缓慢上升，当达到最大压力，巷道围岩无严重变化时，即可正常掘进，并对围岩进行实时监测。（3）优缺点：搬运方便、快速高效，可以反复使用，能够增大撑靴的接触面积。但对围岩稳定要求高，沙袋变形大，不能单独受力，需要与周边围岩联合受力，后期仍要对围岩进行永久支护。

2.2木垛法

（1）适用范围：坍塌部位大于撑靴面积，塌方深度20-60cm，周边围岩相对稳定。（2）处理方法及措施：将长度大于撑靴宽度20-50cm，规格为10-

20cm方木，运送至坍塌位置，然后开始撐撑靴至帮壁，在撑靴与帮壁间从底部向上顺次摆放方木到顶，撑紧撑靴至最大压力，正常推进，安排专人观察围岩。（3）优缺点：搬运方便、快速高效，耗材较少。但上部围岩不稳定时有安全隐患，后期仍要对围岩进行二次支护，木材容易被压坏。

2.3地锚法

（1）适用范围：节理发育、较破碎、不稳定岩层。（2）处理方法及措施：在预定撑靴位置，采用长1.5-2m管缝式锚杆，配合φ6金属网，进行锚网喷支护，锚杆在撑靴边缘范围内5-10cm打设，中间另布置一组，间距50-80cm，采用C20喷砼覆盖锚杆，平整度参考撑靴弧面。喷浆料中含速凝剂，喷完后，清理场地，撑撑靴至最大压力，正常推进。（3）优缺点：施工作业简单、安全可靠、受力稳定，无二次破坏风险，后期补锚杆复喷即可。但不能平行作业，占时略长，耗材较多。

2.4注浆法

（1）适用范围：节理发育、较破碎岩层，未大面积塌方。（2）处理方法及措施：在岩石脱出盾体后，进行C20喷浆喷厚5cm封闭围岩，在靠近撑靴边缘位置斜打眼，眼深1-1.5m，埋设花管，进行注浆，注水玻璃-水泥双液浆，注马丽散、罗克休、聚氨酯等凝固较快的浆液，根据时间和环境要求所确定，注浆结束凝固后，撑撑靴至最大压力，正常推进，并对围岩进行实时监测。（3）优缺点：可平行作业，可根据推进时间优化工序和控制凝固加固时间。但耗材多，成本高，注浆半径不易控制，损耗大，后期仍要对围岩进行锚网支护。

2.5浇砼法

（1）适用范围：大面积塌方破坏的岩体。（2）处理方法及措施：找净塌方范围内的浮矸滑石，可根据情况采用喷浆、锚杆、锚网临时支护，清净底部浮矸距巷帮不少于20cm，找毛底部，或凿槽10-20cm，立模浇筑混凝土，根据岩石性质，也可采用留地锚、帮锚、加装钢筋或网片、增大混凝土标号等办法增加井帮稳定性，待混凝土强度满足要求，撑撑靴至最大压力，正常推进。（3）优缺点：一次性成巷，安全可靠，撑靴接触面积大。但耗时长，影响整体施工进度，不能平行作业。

2.6传力棚法

（1）适用范围：坍塌部位与撑靴基本平行，深度在30cm以内，围岩基本稳定。（2）处理方法及措施：将工字钢、木楔、铁楔运送至坍塌位置，或预先按撑靴弧面加工H棚架，在预定位置架H棚架或竖直放置3根工字钢，，然后开始撑撑靴，低压撑紧H棚架或工字钢到帮壁后，在间隙大的地方刹紧木楔或铁楔，采取点动使撑靴压力到最大压力时，围岩无严重变化，正常推进，并对围岩实时监测。（3）优缺点：材料固定不损耗，快速高效，承压力大。但撑靴接触比小，易滑动，后期仍要对围岩进行永久支护。

3TBM发展趋势

随着我国大规模基础设施项目的实施，TBM应用于铁路、水利、水电、城市地铁、公路、石油燃气管道、越江和海底隧道等工程，也不断用于煤矿、金矿、铁矿等矿山建设施工，从平巷、斜井至立井都在开发应用中。如今矿井建设工程巷道长，规模大，地质条件复杂，开拓越来越深，对开挖速度、安全、环保、效益的要求越来越高，且体力劳动者相对减少，尤其对矿山建设劳务人员招聘越来越难，这就为TBM提供平台，TBM具有掘进速度快、施工工期短、安全程度高、工程质量优、作业环境好、总体用人少、综合效益高等优点，更加显现建设施工优势，也必然是今后发展的方向。

4结束语

总之，TBM在矿井建设中的发展应用势不可挡，通过应对不同情况解决撑靴处软弱围岩的加固方法，为后续使用TBM提供了解决现场问题的一些办法，为提高TBM掘进速度、安全保障，促进矿井建设事业的进一步发展做出努力。

参考文献：

[1]樊刚，郑继光.开敞式TBM撑靴部位软弱围岩塌腔的通过方法[J].水电站机电技术，2016（39）增刊：67-68.

[2]李威.TBM撑靴与围岩接触表面应力分布均匀性研究[D].华东交通大学硕士学位论文，2015.