崔廣龍,吳立根

(浙江省隧道工程集團(tuán)有限公司, 浙江 杭州 310030)

0 引言

自20世紀(jì)90 年代以來(lái),隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine,TBM)在我國(guó)飛速發(fā)展,國(guó)內(nèi)TBM 設(shè)備制造廠家和TBM 施工單位也在逐步壯大,現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)市政、水利、公路等眾多的隧道工程,甚至是煤礦領(lǐng)域。這些應(yīng)用都推動(dòng)了TBM 設(shè)備的改革和進(jìn)步,同時(shí)為進(jìn)入其他領(lǐng)域積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和提供了很好的參考。

將TBM 引入金屬非金屬地下礦山對(duì)縮短礦山基建和開(kāi)拓建設(shè)周期,實(shí)現(xiàn)礦山的高效、快速生產(chǎn)、三級(jí)礦量平衡等具有重要意義。首先,礦山是高投資、高回報(bào)、高收益的工程項(xiàng)目,但是投資巨大和回報(bào)周期長(zhǎng)給企業(yè)帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān),傳統(tǒng)鉆爆法效率低、速度慢、基建周期長(zhǎng)、安全性較差,若是采用TBM 法施工,基建周期縮短,提前進(jìn)入采礦和運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)就能提前取得效益,減少投資風(fēng)險(xiǎn)。其次,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,資源消耗量日漸增加,金屬非金屬地下礦山淺部的資源已經(jīng)不能滿(mǎn)足社會(huì)需要,深部資源開(kāi)采迫在眉睫。深部資源一般埋藏深度在1000～2000 m,在我國(guó)開(kāi)采深度超過(guò)1000 m 的金屬非金屬地下礦山已經(jīng)超過(guò)了20座,預(yù)計(jì)未來(lái)10～15年,開(kāi)采深度超過(guò)1000 m 的礦山比例將達(dá)到1/3。但是隨著開(kāi)采深度的增加,礦山開(kāi)拓工程將面對(duì)高地壓、高地溫、高井深、采礦擾動(dòng)等的影響,提升、通風(fēng)、排水難度增大,作業(yè)環(huán)境惡化,開(kāi)拓和基建效率降低,生產(chǎn)成本急劇增加,導(dǎo)致現(xiàn)階段地下礦山深部開(kāi)拓工程普遍存在著進(jìn)度嚴(yán)重滯后、三級(jí)礦量失衡等現(xiàn)象,影響礦山的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng),而TBM 法快速高效的特點(diǎn)正是解決此問(wèn)題的對(duì)癥良藥。

1 TBM 發(fā)展分析

我國(guó)自1964年開(kāi)始研究和應(yīng)用TBM,半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)的發(fā)展歷程可分為5個(gè)階段,分別為自力更生、研發(fā)探索(1964-1990年);引進(jìn)設(shè)備、外企施工(1990-1995 年);引進(jìn)設(shè)備、自主施工(1995-2013年);強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、自主研發(fā)(2013-2016年);自主品牌、推廣應(yīng)用(2016年至今)。

TBM 設(shè)備分為敞開(kāi)式TBM 和護(hù)盾式TBM,其中護(hù)盾式TBM 又分為單護(hù)盾TBM 和雙護(hù)盾TBM,敞開(kāi)式TBM、雙護(hù)盾TBM 和單護(hù)盾TBM 應(yīng)用占比分別為50%、40%、10%。現(xiàn)在還有護(hù)盾式和敞開(kāi)式結(jié)合的雙結(jié)構(gòu)TBM。

TBM 在水利水電、市政領(lǐng)域應(yīng)用較廣,分別占到了TBM 市場(chǎng)的50%、40%,其余的TBM 應(yīng)用在鐵路、煤礦、公路領(lǐng)域;TBM 法隧道開(kāi)挖直徑一般在3～10 m(約占95%),其中6～8 m 直徑占比達(dá)到了70%;TBM 法開(kāi)挖月進(jìn)尺200～700 m 占比達(dá)到75%,山西引黃入晉工程南干線(xiàn)最高月進(jìn)尺約1800 m,吉林引松供水工程3臺(tái)TBM 平均月進(jìn)尺分別為643 m、500 m 和652 m,最高月進(jìn)尺分別為1209.8 m、1423.5 m 和1318.7 m。TBM 應(yīng)用區(qū)域以西部、華東地區(qū)為主,分別占到了60%、20%,其次為東北、華南地區(qū)。

我國(guó)所使用的TBM 前期以引進(jìn)美國(guó)羅賓斯和德國(guó)海瑞克等為主,后續(xù)開(kāi)始自主研發(fā)?，F(xiàn)階段,我國(guó)的中鐵裝備和鐵建重工在中國(guó)TBM 市場(chǎng)上的占有率已經(jīng)達(dá)到了90%以上,并且已經(jīng)開(kāi)始向國(guó)外輸送。國(guó)產(chǎn)TBM 主要零部件基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化,但部分關(guān)鍵部件仍需進(jìn)口。

2 TBM 與鉆爆法對(duì)比分析

與利用炸藥瞬間釋放高能量的鉆爆法不同,TBM 采用機(jī)械破巖,兩者在許多方面存在不同,各有優(yōu)劣,下面將從經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、效率和安全性等方面進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

2.1 工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性

TBM 法掘進(jìn)綜合單價(jià)一般為1500～2000元/m3,鉆爆法施工綜合單價(jià)一般為300～500元/m3,鉆爆法工程造價(jià)費(fèi)用較低,但是由于電子雷管在礦山的強(qiáng)制推廣應(yīng)用及火工品的管控越來(lái)越嚴(yán),鉆爆法成本將大幅提高。如果僅考慮開(kāi)挖成本,TBM 法開(kāi)挖巷道成本高于鉆爆法,但是TBM 法效率高、工期短、安全環(huán)保、人工成本低,能控制超欠挖,降低了支護(hù)成本。從整個(gè)礦山的整體收益和資金的時(shí)間價(jià)值綜合來(lái)看,TBM 法施工整體經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于鉆爆法。

2.2 地層適應(yīng)性

鉆爆法對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng),能夠靈活地調(diào)整鉆爆參數(shù)以適應(yīng)各種地層。TBM 法對(duì)地層依賴(lài)性較強(qiáng),地質(zhì)條件變化或者較差時(shí)嚴(yán)重制約TBM 的掘進(jìn),甚至發(fā)生卡機(jī)、淹機(jī)事故導(dǎo)致工程失敗。

2.3 掘進(jìn)效率

鉆爆法包括開(kāi)挖、出渣、支護(hù)等工序順序作業(yè),或者在空間、時(shí)間上短暫存在平行作業(yè),獨(dú)頭巷道掘進(jìn)一般為50～100 m/月,而TBM 試行了各個(gè)工序的平行作業(yè),連續(xù)交替循環(huán),掘進(jìn)效率一般能達(dá)到200～700 m/月,是鉆爆法掘進(jìn)效率的3～10倍,綜掘效率的2～8倍。

2.4 安全性

TBM 法施工巷道成型較好、超挖可控,一般在5%以?xún)?nèi),對(duì)原巖的擾動(dòng)小,圓形斷面有利于消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。操作人員在地面或者TBM 后面的臺(tái)車(chē)上作業(yè),一般情況下不需要進(jìn)入開(kāi)挖面或未支護(hù)區(qū)域,TBM 施工不產(chǎn)生爆破飛石、爆破地震波和有毒有害氣體,浮石少,安全性較鉆爆法高。

TBM 法與鉆爆法各有優(yōu)劣,現(xiàn)階段的隧道施工中,TBM 與鉆爆法常聯(lián)合施工,隨著鉆爆法施工成本的增長(zhǎng),TBM 在聯(lián)合施工中所占的比重越來(lái)越大。

3 礦山行業(yè)獨(dú)有特點(diǎn)

金屬非金屬地下礦山在我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,由于歷史、現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)封閉等原因,礦山形成了有別于其他行業(yè)的獨(dú)有特點(diǎn),有自己的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、行為準(zhǔn)則。金屬非金屬地下礦山的行業(yè)特點(diǎn)有些對(duì)于推廣TBM 施工是有利的,有些則是不利的,下面將選擇幾項(xiàng)重要方面進(jìn)行簡(jiǎn)單論述。

3.1 地質(zhì)勘探缺失、準(zhǔn)確度低

地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性直接影響TBM 的掘進(jìn)施工,是決定TBM 工程成敗的主要原因。但是由于礦山高井深,地質(zhì)鉆孔困難,已有的地勘資料也基本是圍繞著礦體進(jìn)行。TBM 掘進(jìn)路線(xiàn)上地質(zhì)資料很少或者沒(méi)有,只能參考探礦的地勘資料,若距離TBM 掘進(jìn)線(xiàn)路較遠(yuǎn)、準(zhǔn)確度低,需重新補(bǔ)打鉆孔,施工難度大,準(zhǔn)確性無(wú)法保證,導(dǎo)致TBM 在地質(zhì)資料嚴(yán)重不足的情況下進(jìn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)很大。

3.2 生產(chǎn)系統(tǒng)不完善

礦山企業(yè)由于投入成本大,回報(bào)周期長(zhǎng),經(jīng)營(yíng)壓力大,很多時(shí)候存在著邊開(kāi)拓邊改造的生產(chǎn)系統(tǒng),或者等開(kāi)拓工程施工結(jié)束后再調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的現(xiàn)象。而開(kāi)拓工程又超前于其他工程,導(dǎo)致開(kāi)拓工程施工時(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)不完善、不合理,進(jìn)而制約開(kāi)拓工程的施工,此時(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)改造又需要投入大量成本、且成效較低,而開(kāi)拓工程的施工又制約著生產(chǎn)系統(tǒng)的完善,長(zhǎng)此以往,形成惡性循環(huán)。

3.3 巷道斷面較小、長(zhǎng)度短、下坡掘進(jìn)、轉(zhuǎn)彎多

(1) 與水利、市政等工程巷道直徑能夠達(dá)到10 m 左右不同,金屬非金屬地下礦山巷道主要服務(wù)于礦體開(kāi)采,只要能夠滿(mǎn)足行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等采礦生產(chǎn)的要求就可以了,為了減少開(kāi)拓成本,金屬非金屬地下礦山的巷道斷面直徑一般在3～5 m。而TBM 施工斷面小,要滿(mǎn)足出渣、物料運(yùn)輸、通風(fēng)等要求難度較大。

(2) 金屬非金屬地下礦山開(kāi)拓工程主要圍繞著礦體施工,除了主要的運(yùn)輸斜坡道、中段平巷等距離較長(zhǎng),一般能達(dá)到1～5 km 外,其他巷道均較短,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他行業(yè)10～30 km 的巷道長(zhǎng)度。

(3) 由于下部開(kāi)拓巷道缺失,TBM 施工面臨著從上中段向下中段的施工,不可避免地需要進(jìn)行下坡施工,且由于地質(zhì)資料的不完善,排水壓力大。

(4) 其他隧道工程僅僅是整體工程的一部分,只要斷面長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求即可,而礦山巷道要考慮礦體賦存條件,為采礦服務(wù),由于礦山巷道轉(zhuǎn)彎多、轉(zhuǎn)彎半徑小,施工過(guò)程中可能會(huì)進(jìn)行調(diào)整,對(duì)TBM 設(shè)備的靈活性要求更高。

3.4 管理風(fēng)險(xiǎn)大

金屬非金屬地下礦山由于相對(duì)封閉,人員相對(duì)穩(wěn)定,每個(gè)礦山有自己的管理部門(mén)和管理流程,管理水平和管理能力參差不齊,管理相對(duì)粗放,一味追求進(jìn)度現(xiàn)象比較普遍。而礦山TBM 施工涉及到眾多部門(mén)的協(xié)同工作,需要處理許多流程,管理風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

3.5 安全壓力大

金屬非金屬地下礦山安全形勢(shì)嚴(yán)峻,面臨著嚴(yán)重的透水、頂板冒落、機(jī)械傷害、巖爆等安全風(fēng)險(xiǎn),隱患多且分散,可控性差,且易造成嚴(yán)重的事故。例如,山東五彩龍投資有限公司棲霞市笏山金礦“1·10”重大爆炸事故,造成10 人死亡,1 人失蹤,直接經(jīng)濟(jì)損失6847.33萬(wàn)元,煙臺(tái)的礦山企業(yè)停產(chǎn)整頓3～6個(gè)月。

3.6 交叉施工

礦山TBM 施工時(shí),由于其斷面小、距離長(zhǎng),掘進(jìn)線(xiàn)路上不可避免地要增加錯(cuò)車(chē)或者排水倉(cāng)等輔助硐室,存在內(nèi)部的交叉施工。其他行業(yè)TBM 施工時(shí)是一個(gè)相對(duì)封閉的區(qū)域,與其他工程沒(méi)有交集,而金屬非金屬地下礦山TBM 施工只是礦山施工的一小部分,要服從于整體礦山布局和利益。因此在TBM 施工時(shí)附近仍有其他工程在施工,TBM 施工至一定區(qū)域后,也有可能新開(kāi)作業(yè)面,其他工程與TBM 施工交叉施工,相互干擾。

4 TBM 在礦山應(yīng)用遇到的問(wèn)題及解決措施

金屬非金屬地下礦山應(yīng)用TBM 時(shí)一般平巷工程較少,在施工中常會(huì)遇到高井深、高地壓、高地溫、強(qiáng)烈的采礦擾動(dòng)、小斷面、小轉(zhuǎn)彎半徑、連續(xù)轉(zhuǎn)彎、下坡掘進(jìn)等問(wèn)題,導(dǎo)致通風(fēng)、排水困難和巖爆等問(wèn)題。其中部分問(wèn)題是其他行業(yè)共有的,而高地溫、強(qiáng)烈的采礦擾動(dòng)、小轉(zhuǎn)彎半徑、連續(xù)轉(zhuǎn)彎、下坡掘進(jìn)等則是TBM 在金屬非金屬地下礦山應(yīng)用時(shí)遇到的特有問(wèn)題。

4.1 地溫持續(xù)升高

研究表明,垂深每增加100 m,巖體溫度升高2℃,超過(guò)千米的深井,熱害成為不可回避的安全生產(chǎn)難題,尤其是在通風(fēng)不好、局部有熱水帶的區(qū)域。溫度升高降低了勞動(dòng)生產(chǎn)效率,損害人體健康,導(dǎo)致作業(yè)人員更換頻繁,企業(yè)成本直線(xiàn)上升。

解決措施:TBM 設(shè)備配置主動(dòng)降溫冷卻設(shè)備,配置冷熱水管,進(jìn)行熱量交換,改善作業(yè)區(qū)域條件;優(yōu)化整個(gè)礦山通風(fēng)方案,將足夠量的新鮮風(fēng)流引至適當(dāng)位置,再通過(guò)局部風(fēng)機(jī)將風(fēng)送至作業(yè)面附近;制定或改進(jìn)整個(gè)礦山的制冷措施,降低整個(gè)礦山的溫度,增加局部制冷設(shè)施,將冷風(fēng)送至作業(yè)面附近。

4.2 通風(fēng)復(fù)雜性增加

礦山TBM 無(wú)軌設(shè)備出渣或運(yùn)送材料產(chǎn)生的大量油煙、局部區(qū)域爆破產(chǎn)生的炮煙,環(huán)境溫度高等均需要通風(fēng)。但是礦山TBM 施工巷道通風(fēng)距離長(zhǎng)、轉(zhuǎn)彎多、通風(fēng)斷面小,導(dǎo)致通風(fēng)阻力大,風(fēng)筒布置困難,風(fēng)機(jī)功率增加。

解決措施:優(yōu)選風(fēng)機(jī)供應(yīng)商,加強(qiáng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行管理,確保TBM 施工通風(fēng);布設(shè)小型射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助排煙;選擇質(zhì)量好的風(fēng)筒,按規(guī)范進(jìn)行懸掛;礦用卡車(chē)上裝配尾氣處理裝置。

4.3 下坡掘進(jìn)、防治水難度大

水利、市政TBM 等大多是上坡施工,順坡排水,而金屬非金屬地下礦山很多時(shí)候需要根據(jù)礦體調(diào)整坡度,面臨著下坡施工的問(wèn)題。此時(shí)施工廢水、斜坡道沿線(xiàn)滲漏水最終匯流至掌子面主機(jī)區(qū)域,而刀盤(pán)等設(shè)備冷卻也需要大量水,掌子面也有可能出現(xiàn)突涌水事故,主機(jī)位于TBM 最前方,下坡掘進(jìn)時(shí)TBM 被淹的風(fēng)險(xiǎn)較大。而TBM 主機(jī)區(qū)域空間有限,無(wú)法布置大量的探放水及注漿堵水設(shè)備。

解決措施:掘進(jìn)路線(xiàn)每隔一段距離增加臨時(shí)水倉(cāng),沿線(xiàn)滲漏水截流至沿線(xiàn)排水倉(cāng)內(nèi),避免匯流至掌子面,采用分級(jí)抽排,將TBM 作業(yè)區(qū)域水逐級(jí)抽排至地表或礦山水倉(cāng)內(nèi);加強(qiáng)斜坡道沿線(xiàn)注漿堵水工作,大規(guī)模出水點(diǎn)以堵為主,以疏為輔;TBM 供電與洞內(nèi)排水用電采用2條高壓電纜分別供電,排水電纜故障時(shí)利用TBM 供電電纜供電排水;洞外和TBM 上配備應(yīng)急發(fā)電機(jī),滿(mǎn)足停電時(shí)排水、通風(fēng)、照明需求。

4.4 小轉(zhuǎn)彎半徑、連續(xù)轉(zhuǎn)彎

金屬非金屬地下礦山TBM 施工線(xiàn)路根據(jù)礦體產(chǎn)狀進(jìn)行調(diào)整,由于礦體產(chǎn)狀的不規(guī)則性,為減少開(kāi)拓工程量,常常需要設(shè)置許多轉(zhuǎn)彎段、轉(zhuǎn)彎半徑小。豎向和軸向都存在轉(zhuǎn)彎,導(dǎo)致施工困難,對(duì)設(shè)備的要求高。

解決措施:采用超小轉(zhuǎn)彎雙護(hù)盾主機(jī)結(jié)構(gòu),雙護(hù)盾TBM 主機(jī)具有單獨(dú)的剛性結(jié)構(gòu),并且盾體與盾體之間采用液壓油缸連接,轉(zhuǎn)彎能力強(qiáng),適應(yīng)超小轉(zhuǎn)彎;采用超小轉(zhuǎn)彎V 形推進(jìn)系統(tǒng);采用超小轉(zhuǎn)彎改進(jìn)型盾體直徑尺寸鏈;采用超小轉(zhuǎn)彎浮動(dòng)式分段皮帶機(jī);整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。

5 TBM 未來(lái)在礦山應(yīng)用的研究重點(diǎn)

5.1 巖爆控制和地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)

金屬非金屬地下礦山由于巷道埋藏較深,圍巖壓力大,當(dāng)圍巖堅(jiān)硬、脆性、儲(chǔ)備大量彈性能量時(shí),巷道收到開(kāi)挖卸荷擾動(dòng),容易發(fā)生巖爆。巖爆發(fā)生時(shí)不僅容易發(fā)生安全事故,還對(duì)刀盤(pán)刀具造成損傷,導(dǎo)致卡機(jī)事故。通過(guò)對(duì)圍巖進(jìn)行改造,弱化圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、減少巖體有效彈性模量、及時(shí)進(jìn)行支護(hù)改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)、使用卸壓孔,可以減少巖爆發(fā)生的概率;通過(guò)有效的技術(shù)手段對(duì)地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

TBM 對(duì)地層的適應(yīng)性差,地質(zhì)原因是制約TBM 掘進(jìn)的主要因素之一。提前對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行探明,以便及時(shí)調(diào)整施工方案和措施,是保證TBM順利掘進(jìn)的重要措施。現(xiàn)階段TBM 采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要是超前鉆探和地質(zhì)雷達(dá),由于TBM前方刀盤(pán)緊靠掌子面,作業(yè)空間有限,且TBM 上含有大量電子設(shè)備,使得現(xiàn)有的方法作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、精度受限。該研究能夠克服金屬密閉空間和強(qiáng)電磁干擾的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù),對(duì)TBM 施工具有重要意義。

5.3 復(fù)雜地質(zhì)TBM 法施工技術(shù)

金屬非金屬地下礦山地質(zhì)條件復(fù)雜,存在高井深、高地壓、高地溫、強(qiáng)烈的采礦擾動(dòng)、小斷面、小轉(zhuǎn)彎半徑、連續(xù)轉(zhuǎn)彎、下坡掘進(jìn)等。如何在此條件下避免TBM 長(zhǎng)時(shí)間停機(jī),發(fā)揮TBM 施工快速的優(yōu)勢(shì),是保證TBM 在礦山持續(xù)應(yīng)用成功的關(guān)鍵和將來(lái)主要的研究方向。

6 結(jié)論

金屬非金屬地下礦山由于其施工環(huán)境惡劣、生活條件艱苦,限制作業(yè)人員歲數(shù)不高于50歲,原先的老工人逐漸老去,愿意從事礦山作業(yè)的工人減少,導(dǎo)致企業(yè)用工荒,在此種情況下,小斷面、小轉(zhuǎn)彎半徑TBM 在威海文登抽水電站的試驗(yàn)成功,使TBM進(jìn)入金屬非金屬地下礦山市場(chǎng)成為可能。

雖然TBM 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利水電、市政等領(lǐng)域,但是由于金屬非金屬地下礦山自身的特點(diǎn),面臨著高井深、高地壓、高地溫、強(qiáng)烈的采礦擾動(dòng)、小斷面、小轉(zhuǎn)彎半徑、連續(xù)轉(zhuǎn)彎、下坡掘進(jìn)等難題,單個(gè)難題容易解決,但多個(gè)問(wèn)題交織在一起解決比較困難?，F(xiàn)如今山東黃金三山島金礦和瑞海礦業(yè)都已經(jīng)引進(jìn)TBM,眾多金屬非金屬礦山仍在觀望中,若TBM 在這兩個(gè)礦山應(yīng)用情況良好,必將大幅推動(dòng)TBM 在金屬非金屬礦山的快速應(yīng)用。