崔广龙,吴立根
(浙江省隧道工程集团有限公司, 浙江 杭州 310030)
自20世纪90 年代以来,隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)在我国飞速发展,国内TBM 设备制造厂家和TBM 施工单位也在逐步壮大,现已经被广泛应用于我国市政、水利、公路等众多的隧道工程,甚至是煤矿领域。这些应用都推动了TBM 设备的改革和进步,同时为进入其他领域积累了宝贵的经验和提供了很好的参考。
将TBM 引入金属非金属地下矿山对缩短矿山基建和开拓建设周期,实现矿山的高效、快速生产、三级矿量平衡等具有重要意义。首先,矿山是高投资、高回报、高收益的工程项目,但是投资巨大和回报周期长给企业带来了沉重负担,传统钻爆法效率低、速度慢、基建周期长、安全性较差,若是采用TBM 法施工,基建周期缩短,提前进入采矿和运营环节就能提前取得效益,减少投资风险。其次,随着我国经济的高速发展,资源消耗量日渐增加,金属非金属地下矿山浅部的资源已经不能满足社会需要,深部资源开采迫在眉睫。深部资源一般埋藏深度在1000~2000 m,在我国开采深度超过1000 m 的金属非金属地下矿山已经超过了20座,预计未来10~15年,开采深度超过1000 m 的矿山比例将达到1/3。但是随着开采深度的增加,矿山开拓工程将面对高地压、高地温、高井深、采矿扰动等的影响,提升、通风、排水难度增大,作业环境恶化,开拓和基建效率降低,生产成本急剧增加,导致现阶段地下矿山深部开拓工程普遍存在着进度严重滞后、三级矿量失衡等现象,影响矿山的生产运营,而TBM 法快速高效的特点正是解决此问题的对症良药。
我国自1964年开始研究和应用TBM,半个多世纪以来的发展历程可分为5个阶段,分别为自力更生、研发探索(1964-1990年);引进设备、外企施工(1990-1995 年);引进设备、自主施工(1995-2013年);强强联合、自主研发(2013-2016年);自主品牌、推广应用(2016年至今)。
TBM 设备分为敞开式TBM 和护盾式TBM,其中护盾式TBM 又分为单护盾TBM 和双护盾TBM,敞开式TBM、双护盾TBM 和单护盾TBM 应用占比分别为50%、40%、10%。现在还有护盾式和敞开式结合的双结构TBM。
TBM 在水利水电、市政领域应用较广,分别占到了TBM 市场的50%、40%,其余的TBM 应用在铁路、煤矿、公路领域;TBM 法隧道开挖直径一般在3~10 m(约占95%),其中6~8 m 直径占比达到了70%;TBM 法开挖月进尺200~700 m 占比达到75%,山西引黄入晋工程南干线最高月进尺约1800 m,吉林引松供水工程3台TBM 平均月进尺分别为643 m、500 m 和652 m,最高月进尺分别为1209.8 m、1423.5 m 和1318.7 m。TBM 应用区域以西部、华东地区为主,分别占到了60%、20%,其次为东北、华南地区。
我国所使用的TBM 前期以引进美国罗宾斯和德国海瑞克等为主,后续开始自主研发。现阶段,我国的中铁装备和铁建重工在中国TBM 市场上的占有率已经达到了90%以上,并且已经开始向国外输送。国产TBM 主要零部件基本实现了国产化,但部分关键部件仍需进口。
与利用炸药瞬间释放高能量的钻爆法不同,TBM 采用机械破岩,两者在许多方面存在不同,各有优劣,下面将从经济性、适应性、效率和安全性等方面进行重点阐述。
TBM 法掘进综合单价一般为1500~2000元/m3,钻爆法施工综合单价一般为300~500元/m3,钻爆法工程造价费用较低,但是由于电子雷管在矿山的强制推广应用及火工品的管控越来越严,钻爆法成本将大幅提高。如果仅考虑开挖成本,TBM 法开挖巷道成本高于钻爆法,但是TBM 法效率高、工期短、安全环保、人工成本低,能控制超欠挖,降低了支护成本。从整个矿山的整体收益和资金的时间价值综合来看,TBM 法施工整体经济效益优于钻爆法。
钻爆法对地层适应性强,能够灵活地调整钻爆参数以适应各种地层。TBM 法对地层依赖性较强,地质条件变化或者较差时严重制约TBM 的掘进,甚至发生卡机、淹机事故导致工程失败。
钻爆法包括开挖、出渣、支护等工序顺序作业,或者在空间、时间上短暂存在平行作业,独头巷道掘进一般为50~100 m/月,而TBM 试行了各个工序的平行作业,连续交替循环,掘进效率一般能达到200~700 m/月,是钻爆法掘进效率的3~10倍,综掘效率的2~8倍。
TBM 法施工巷道成型较好、超挖可控,一般在5%以内,对原岩的扰动小,圆形断面有利于消除应力集中现象。操作人员在地面或者TBM 后面的台车上作业,一般情况下不需要进入开挖面或未支护区域,TBM 施工不产生爆破飞石、爆破地震波和有毒有害气体,浮石少,安全性较钻爆法高。
TBM 法与钻爆法各有优劣,现阶段的隧道施工中,TBM 与钻爆法常联合施工,随着钻爆法施工成本的增长,TBM 在联合施工中所占的比重越来越大。
金属非金属地下矿山在我国经过几十年的发展,由于历史、现场相对封闭等原因,矿山形成了有别于其他行业的独有特点,有自己的规范、标准、行为准则。金属非金属地下矿山的行业特点有些对于推广TBM 施工是有利的,有些则是不利的,下面将选择几项重要方面进行简单论述。
地质资料的准确性直接影响TBM 的掘进施工,是决定TBM 工程成败的主要原因。但是由于矿山高井深,地质钻孔困难,已有的地勘资料也基本是围绕着矿体进行。TBM 掘进路线上地质资料很少或者没有,只能参考探矿的地勘资料,若距离TBM 掘进线路较远、准确度低,需重新补打钻孔,施工难度大,准确性无法保证,导致TBM 在地质资料严重不足的情况下进场施工风险很大。
矿山企业由于投入成本大,回报周期长,经营压力大,很多时候存在着边开拓边改造的生产系统,或者等开拓工程施工结束后再调整生产系统的现象。而开拓工程又超前于其他工程,导致开拓工程施工时生产系统不完善、不合理,进而制约开拓工程的施工,此时生产系统改造又需要投入大量成本、且成效较低,而开拓工程的施工又制约着生产系统的完善,长此以往,形成恶性循环。
(1) 与水利、市政等工程巷道直径能够达到10 m 左右不同,金属非金属地下矿山巷道主要服务于矿体开采,只要能够满足行人、运输、通风等采矿生产的要求就可以了,为了减少开拓成本,金属非金属地下矿山的巷道断面直径一般在3~5 m。而TBM 施工断面小,要满足出渣、物料运输、通风等要求难度较大。
(2) 金属非金属地下矿山开拓工程主要围绕着矿体施工,除了主要的运输斜坡道、中段平巷等距离较长,一般能达到1~5 km 外,其他巷道均较短,远远小于其他行业10~30 km 的巷道长度。
(3) 由于下部开拓巷道缺失,TBM 施工面临着从上中段向下中段的施工,不可避免地需要进行下坡施工,且由于地质资料的不完善,排水压力大。
(4) 其他隧道工程仅仅是整体工程的一部分,只要断面长度满足要求即可,而矿山巷道要考虑矿体赋存条件,为采矿服务,由于矿山巷道转弯多、转弯半径小,施工过程中可能会进行调整,对TBM 设备的灵活性要求更高。
金属非金属地下矿山由于相对封闭,人员相对稳定,每个矿山有自己的管理部门和管理流程,管理水平和管理能力参差不齐,管理相对粗放,一味追求进度现象比较普遍。而矿山TBM 施工涉及到众多部门的协同工作,需要处理许多流程,管理风险相对较大。
金属非金属地下矿山安全形势严峻,面临着严重的透水、顶板冒落、机械伤害、岩爆等安全风险,隐患多且分散,可控性差,且易造成严重的事故。例如,山东五彩龙投资有限公司栖霞市笏山金矿“1·10”重大爆炸事故,造成10 人死亡,1 人失踪,直接经济损失6847.33万元,烟台的矿山企业停产整顿3~6个月。
矿山TBM 施工时,由于其断面小、距离长,掘进线路上不可避免地要增加错车或者排水仓等辅助硐室,存在内部的交叉施工。其他行业TBM 施工时是一个相对封闭的区域,与其他工程没有交集,而金属非金属地下矿山TBM 施工只是矿山施工的一小部分,要服从于整体矿山布局和利益。因此在TBM 施工时附近仍有其他工程在施工,TBM 施工至一定区域后,也有可能新开作业面,其他工程与TBM 施工交叉施工,相互干扰。
金属非金属地下矿山应用TBM 时一般平巷工程较少,在施工中常会遇到高井深、高地压、高地温、强烈的采矿扰动、小断面、小转弯半径、连续转弯、下坡掘进等问题,导致通风、排水困难和岩爆等问题。其中部分问题是其他行业共有的,而高地温、强烈的采矿扰动、小转弯半径、连续转弯、下坡掘进等则是TBM 在金属非金属地下矿山应用时遇到的特有问题。
研究表明,垂深每增加100 m,岩体温度升高2℃,超过千米的深井,热害成为不可回避的安全生产难题,尤其是在通风不好、局部有热水带的区域。温度升高降低了劳动生产效率,损害人体健康,导致作业人员更换频繁,企业成本直线上升。
解决措施:TBM 设备配置主动降温冷却设备,配置冷热水管,进行热量交换,改善作业区域条件;优化整个矿山通风方案,将足够量的新鲜风流引至适当位置,再通过局部风机将风送至作业面附近;制定或改进整个矿山的制冷措施,降低整个矿山的温度,增加局部制冷设施,将冷风送至作业面附近。
矿山TBM 无轨设备出渣或运送材料产生的大量油烟、局部区域爆破产生的炮烟,环境温度高等均需要通风。但是矿山TBM 施工巷道通风距离长、转弯多、通风断面小,导致通风阻力大,风筒布置困难,风机功率增加。
解决措施:优选风机供应商,加强风机运行管理,确保TBM 施工通风;布设小型射流风机进行辅助排烟;选择质量好的风筒,按规范进行悬挂;矿用卡车上装配尾气处理装置。
水利、市政TBM 等大多是上坡施工,顺坡排水,而金属非金属地下矿山很多时候需要根据矿体调整坡度,面临着下坡施工的问题。此时施工废水、斜坡道沿线渗漏水最终汇流至掌子面主机区域,而刀盘等设备冷却也需要大量水,掌子面也有可能出现突涌水事故,主机位于TBM 最前方,下坡掘进时TBM 被淹的风险较大。而TBM 主机区域空间有限,无法布置大量的探放水及注浆堵水设备。
解决措施:掘进路线每隔一段距离增加临时水仓,沿线渗漏水截流至沿线排水仓内,避免汇流至掌子面,采用分级抽排,将TBM 作业区域水逐级抽排至地表或矿山水仓内;加强斜坡道沿线注浆堵水工作,大规模出水点以堵为主,以疏为辅;TBM 供电与洞内排水用电采用2条高压电缆分别供电,排水电缆故障时利用TBM 供电电缆供电排水;洞外和TBM 上配备应急发电机,满足停电时排水、通风、照明需求。
金属非金属地下矿山TBM 施工线路根据矿体产状进行调整,由于矿体产状的不规则性,为减少开拓工程量,常常需要设置许多转弯段、转弯半径小。竖向和轴向都存在转弯,导致施工困难,对设备的要求高。
解决措施:采用超小转弯双护盾主机结构,双护盾TBM 主机具有单独的刚性结构,并且盾体与盾体之间采用液压油缸连接,转弯能力强,适应超小转弯;采用超小转弯V 形推进系统;采用超小转弯改进型盾体直径尺寸链;采用超小转弯浮动式分段皮带机;整机结构紧凑。
金属非金属地下矿山由于巷道埋藏较深,围岩压力大,当围岩坚硬、脆性、储备大量弹性能量时,巷道收到开挖卸荷扰动,容易发生岩爆。岩爆发生时不仅容易发生安全事故,还对刀盘刀具造成损伤,导致卡机事故。通过对围岩进行改造,弱化围岩物理力学性质、减少岩体有效弹性模量、及时进行支护改善围岩应力状态、使用卸压孔,可以减少岩爆发生的概率;通过有效的技术手段对地压进行监测。
TBM 对地层的适应性差,地质原因是制约TBM 掘进的主要因素之一。提前对地质情况进行探明,以便及时调整施工方案和措施,是保证TBM顺利掘进的重要措施。现阶段TBM 采用的超前地质预报技术主要是超前钻探和地质雷达,由于TBM前方刀盘紧靠掌子面,作业空间有限,且TBM 上含有大量电子设备,使得现有的方法作业时间长、精度受限。该研究能够克服金属密闭空间和强电磁干扰的超前地质预报技术,对TBM 施工具有重要意义。
金属非金属地下矿山地质条件复杂,存在高井深、高地压、高地温、强烈的采矿扰动、小断面、小转弯半径、连续转弯、下坡掘进等。如何在此条件下避免TBM 长时间停机,发挥TBM 施工快速的优势,是保证TBM 在矿山持续应用成功的关键和将来主要的研究方向。
金属非金属地下矿山由于其施工环境恶劣、生活条件艰苦,限制作业人员岁数不高于50岁,原先的老工人逐渐老去,愿意从事矿山作业的工人减少,导致企业用工荒,在此种情况下,小断面、小转弯半径TBM 在威海文登抽水电站的试验成功,使TBM进入金属非金属地下矿山市场成为可能。
虽然TBM 已经广泛应用于水利水电、市政等领域,但是由于金属非金属地下矿山自身的特点,面临着高井深、高地压、高地温、强烈的采矿扰动、小断面、小转弯半径、连续转弯、下坡掘进等难题,单个难题容易解决,但多个问题交织在一起解决比较困难。现如今山东黄金三山岛金矿和瑞海矿业都已经引进TBM,众多金属非金属矿山仍在观望中,若TBM 在这两个矿山应用情况良好,必将大幅推动TBM 在金属非金属矿山的快速应用。