淺談TBM在金屬礦山的應用

陳發興，蔡光輝，胡 韜

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

在紅泥坡銅礦的設計過程中，建設方有意引進TBM來進行基建井巷工程的施工，中國鐵建重工也有在金屬礦山推廣TBM的意向，因此，由建設方牽頭，組織了考察、交流及論證活動，該文將相關情況作介紹。

1 概 述

1.1 礦山設計概況

紅泥坡銅礦礦體賦存于含炭質石英鈉長巖、白云石英鈉長巖、白云鈉長片巖、石英鈉長巖中。礦體呈層狀、似層狀產出，平面呈不規則狀、港灣狀，傾角10°～30°，平均傾角21°，礦體厚度0.9～44 m，平均厚度7.7 m，礦區累計查明(331+332+333)工業硫化銅礦石量3 346.1萬t，含銅金屬量557 558 t，平均品位1.67 %。礦體埋深58～762 m，礦圍巖總體穩固。設計采用分層充填法、點柱充填法及房柱法(嗣后充填)開采，采用箕斗豎井+輔助豎井+斜坡道開拓系統，開拓系統立體圖和復合平面圖見圖1和圖2。設計基建井巷工程量為掘進38 241.93 m，557 979.98 m3，砼量49 688.59 m3，其中，斜坡道掘進4 859.93 m，87 015.21 m3，砼量8 920.86 m3，1 480 m中段運輸平巷掘進7 005.00 m，69 462.80 m3，砼量6 646.29 m3。

圖1 開拓系統立體圖Fig.1 Stereogram of development system

圖2 開拓系統復合平面圖Fig.2 Composite floor plan of the development system

1.2 TBM簡介

全斷面巖石巷道掘進機簡稱為TBM，它是利用刀盤上的滾刀擠壓破碎巖石，巖碴靠自重落入刀盤底部，由收碴口鏟刀鏟起，進入刀盤內部巖碴通道，隨刀盤旋轉卸入主機輸送帶，經由主機輸送帶轉入后配套輸送帶，再傳到牽引礦碴車或連續輸送帶運至洞外，使巷道一次成形的設備。

TBM的發展歷程簡介如下：1846年，Maus設計的巖石切割機用于開挖在法國和意大利之間穿過阿爾卑斯山的Frejus鐵路隧道，標志著TBM的雛形出現，1881—1926年，一些國家先后設計制造了21臺TBM，因受當時技術條件的限制，TBM的開發裹足不前，直至20世紀50年代，歐美及日本等工業發達國家和地區又開始相繼研究設計并制造TBM，并在實際應用中獲得了較為理想的效果，其中，1952年，美國羅賓斯公司制造了內、外圈對轉式刀具的TBM，并成功地完成了Oahe水壩4條排水隧道的開挖，1956年，硬巖TBM制造成功，至此，TBM才真正進入了實用階段。

1966年中國制造出了第一臺直徑3.5 m的全斷面硬巖TBM，并在云南下關的西洱河水電站引水隧道進行工業性試驗，開挖地層巖性為花崗片麻巖及石灰巖，抗壓強度為100～240 MPa，當時這臺TBM最高月進尺為48.5 m。20世紀90年代開始，中國才將TBM推廣應用到引水隧道、鐵路隧道及交通隧道等隧道工程中，進入21世紀，國家高技術研究發展計劃(863計劃)首次立項開展盾構機關鍵技術研究，正式拉開國家層面自主研發盾構機的序幕，“十五”到“十一五”期間“863計劃”有5個關于掘進機課題研究工作。2014年12月27日，擁有自主知識產權的國產首臺大直徑全斷面硬巖隧道掘進機(敞開式TBM)，在湖南長沙中國鐵建重工集團總裝車間順利下線，它的成功研制打破了國外的長期壟斷，填補了我國大直徑全斷面硬巖隧道掘進機的空白，目前，中國鐵建重工的掘進機產品全球生產規模最大、產品種類最全、市場占有率最高，TBM市場占有率80 %以上。

目前TBM技術主要應用于地鐵、公路、鐵路、輸水隧道及煤礦工程，相對于傳統的礦山法施工它具有高效、快速、優質、安全等優點，其掘進速度一般是傳統礦山法的4～10倍，同時采用TBM掘進還有利于環境保護和節省勞動力，提高施工效率，整體上比較經濟，但由于對不良工程地質條件適應性差不如傳統鉆爆法施工靈活，前期的一次性投入費用較大，對施工人員的素質要求較高等一系列原因，其設計和制造技術需要進一步改進以適應不同地質及環境條件。

2 TBM施工現場考察情況

考察團到達中鐵十九局承建的浙江臺州朱溪水庫輸水隧道工程項目部，對TBM設備現場施工情況進行考察交流。

2.1 工程概況

朱溪水庫輸水隧道工程工程總投資4.837億元，開工日期2018年10月16日，總工期52個月，計劃竣工日期2023年2月15日。朱溪水庫上游段輸水隧洞全長22.5 km，采用TBM+鉆爆法施工，洞徑5.3 m×4.95 m，步進段為圓拱直墻型，TBM法施工洞段長15.72 km，開挖洞徑為4.0 m的圓形斷面，綜合縱坡1.5 ‰。隧洞圍巖抗壓強度在150～200 MPa之間占58 %，200 MPa以上占22 %。

2.2 TB施工路線

TBM通過遙巖支洞組裝、掘進至長灘鉆爆施工段，經過長灘655 m步進段檢修后，再掘進至來巖鉆爆段，從來巖支洞步進約3 km出洞、拆解，施工線路見圖3。

圖3 TBM施工路線Fig.3 TBM construction route

2.3 TBM參數

朱溪水庫輸水隧道工程使用ZTT4030敞開式TBM施工，開挖洞徑為4.0 m，其主要技術參數見表1。

表1 ZTT4030敞開式TBM主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of ZTT4030 open TBM

2.4 現場施工組織管理

TBM施工采用1個維護班(4 h)，2個掘進班(2×10 h)，使用勞務工人直接與項目簽訂勞動合同，由正式職工直接帶班，組織TBM施工生產，維護班每班需跟班對設備進行檢查維護，掘進班每班約26人。

2.5 施工進度情況

TBM設備2019年4月開始現場組裝，由于機身較長總用時2個月(含完成調試技改項)，2019年6月開始掘進，剔除首月設備磨合階段、9月臺風影響施工及2020年2月疫情影響施工情況，掘進施工月平均進尺為513 m，分月進度見表2。

表2 TBM施工月進度表Tab.2 Monthly schedule of TBM construction

3 TBM礦山工程施工案例

鐵建重工TBM在礦山施工的部分案例見表3。

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

4 紅泥坡銅礦引入TBM施工分析比較

4.1 金屬礦山井巷工程特點及TBM施工適應性

金屬礦山井巷工程是為了實現采礦的不同功能而設置的，如從功能上劃分，有提升井、中段有軌運輸平巷、無軌運輸道、進回風道(井)、充填通道、采準巷道、切割巷道、溜井等，根據其功能需要，其斷面大小和型式會有不同，金屬礦山井巷工程一般分布在礦體賦存的范圍及其周邊，因此分布范圍小、分布高差大，與鐵路、公路、水利隧硐相比，金屬礦山井巷工程有如下特點：種類多、數量多，大多數巷道單條長度短，且斷面大小不一，坡度變化大，有的巷道拐彎多，轉彎半徑小。

經與鐵建重工設計人員交流后認為，為適應金屬礦山井巷工程的特點，TBM的設計需作相應調整，適應小轉彎半徑巷道的施工，因TBM施工完成的巷道還要作為施工附近與其相連通巷道的通道，因此TBM施工宜采用汽車排渣(不用膠帶排渣)。TBM施工過程中的轉彎是由TBM調向系統實現，通過液壓系統的控制，調節伸縮盾區域分布的推進油缸及扭矩油缸長度，實現TBM左右轉彎、上下轉彎，通過有針對性的設計，TBM最小能適應30 m半徑的左右(平面)轉彎，但轉彎半徑越小，施工速度較慢，對設備的磨損也越大。對礦山巷道來說，轉彎半徑不能太大，太大會使工程投入加大，同時因有礦權范圍、礦體分布范圍等的限制，工程布置受限。經鐵建重工設計人員分析權衡后，確定紅泥坡銅礦TBM設備配置最小轉彎半徑平面為50 m，豎向為200 m。

4.2 TBM施工路線

從工程特點看，該項目最適宜采用TBM施工的工程是斜坡道由地表至1 480 m一段，這一段斜坡道設計總長3 636 m，為增加TBM連續施工的巷道長度，可在斜坡道1 480岔口處轉入施工1 480 m運輸水平P-2～P-4穿形成的環線，這樣安排，TBM連續施工巷道總長度為6 865 m，根據上述TBM施工最小平面轉彎半徑為50 m的要求，原設計線路需作調整，調整后施工路線見圖4。除斜坡道外，該項目還可利用主、副豎井，東南、西回風豎井及充填進風斜井作為井下其它工程的施工通道，從工程特點和總體施工進度安排看，上述TBM施工路線施工完成后，其它巷道已不宜采用TBM施工。

圖4 TBM施工路線圖Fig.4 TBM construction route

4.3 TBM施工斷面

斜坡道及1 480 m有軌運輸平巷原設計斷面見圖5、圖6，均采用1/3三心拱斷面，斜坡道凈寬4.4 m，墻高2.5 m，直線段坡度15 %，緩坡段坡度3 %，曲線段坡度8 %～10 %，1 480 m有軌運輸平巷凈寬3 m，墻高2.1 m，坡度0.3 %，根據實際開挖的圍巖穩固情況，巷道支護分別采用砼、噴錨、噴砼和不支護4種支護型式。

圖5 斜坡道原設計斷面圖Fig.5 The original design section of the ramp

圖6 1 480 m有軌運輸平巷原設計斷面圖Fig.6 The original design section of the 1480m track transportation roadway

TBM施工形成的斷面為圓形斷面，需與原設計斷面參數相結合，形成新的設計斷面，滿足原設計設備通行及安全間隙的相關要求，斜坡道新設計斷面見圖7，TBM開挖直徑為5.03 m，排水溝設于道路中間，按施工斜坡道的TBM開挖1 480 m有軌運輸平巷，其新設計斷面見圖8，與原設計相比，其斷面尺寸有較大富余。

圖7 斜坡道新設計斷面圖Fig.7 Newly designed section of the ramp

圖8 1 480 m有軌運輸平巷新設計斷面圖Fig.8 Newly designed section of the 1480m track transportation roadway

4.4 施工進度對比

按鐵建重工提供的數據，TBM在拐彎段的施工速度較慢，施工該項目斜坡道的1個拐彎段約需1個月時間，綜合來看，該項目TBM施工平均速度可按400 m/月計，常規方法施工進度指標見表4。

表4 常規方法施工進度指標表Tab.4 Construction progress index table of conventional method

方案1是所有工程均按常規方法施工，方案2是上述規劃的TBM施工線路用TBM施工，其余用常規方法施工，2方案施工進度計劃編排結果差異見表5。

表5 2方案施工進度差異Tab.5 Differences in construction progress between the two schemes

獨頭施工平均進度指標，TBM施工速度達到鉆爆法的3倍以上，優勢明顯，如果項目剩余深部工程僅能通過可用TBM施工的通道進行施工的話，則TBM速度快的優勢就能充分發揮，總工期可大大縮短，該項目因還有多豎井可作為深部工程的施工通道，因此采用TBM施工的總工期并沒有比常規方法施工的總工期減少很多。

4.5 施工成本對比

按有色礦山2019年版《礦山井巷工程預算定額》進行計算，鉆爆法施工，斜坡道綜合單價為662.06元 /m3，11 853.9 元/m，1 480 m有軌運輸平巷綜合單價為510.46 元/m3，5 061.8 元/m。

不含設備投資攤銷的TBM施工成本估算見表6(按施工斜坡道估算)，TBM設備價格按5 000萬元/臺計，TBM設備使用壽命按15 km計，殘值按5 %計，則TBM設備攤銷費為3 166.7 元/m，含設備攤銷費的TBM施工成本為13 903.5 元/m。

表6 TBM施工成本估算(不含設備投資攤銷)表Tab.6 TBM construction cost estimation(excluding equipment investment amortization)

從TBM施工成本估算結果看，其施工成本要高于鉆爆法施工成本，用大直徑的TBM施工1 480 m有軌運輸平巷，成本增加更大。

4.6 綜合對比

綜合來看2方案有如下特點和差異：

(1)TBM施工不需爆破，不產生炮煙，對巷道圍巖擾動小，巷道成型規整，施工安全風險小于鉆爆法施工。

(2)獨頭施工速度TBM遠高于鉆爆法施工，該項目斜坡道快速施工到1 480 m后，形成無軌設備的通行能道，人員、材料、設備的運輸較方便，對深部工程的施工較為有利，采切工程可以提前開工。

(3)TBM施工成本高于鉆爆法施工成本。

5 TBM在金屬礦山應用前景

近年來，國內有多個千萬t級大型超深金屬礦山進入前期論證、籌備或前期施工階段，這些礦山埋藏深度達千米以上，礦體規模大、走向長，要實現大規模生產必然要采用無軌采掘工藝，為方便礦山生產，在方案上可能設置有長距離斜坡道、沿脈干線等無軌通道，這些工程以是基建控制性工程，工程量巨大，傳統鉆爆法施工速度難于滿足縮短基建周期、提前投產、減少財務成本、提高效益的需要，而TBM恰好能滿足這一需求。類比大型超深礦山情況，在礦區面積大，礦體分布范圍廣的礦山，也可考慮推廣使用TBM。因此TBM在大型金屬礦山將有廣泛應用前景。

6 結 語

TBM施工突出優點是施工進度快、安全、環保，不足之處是施工成本高，設備投入大，設備長度長且笨重、轉場移動不靈活，1次只能施工1條巷道且施工斷面大小是基本固定、可調范圍小。從TBM的特點看，由地表開掘的、可用TBM施工的通道較長，且此通道是后續工程施工的關鍵線路的情況下，應大力推廣應用TBM施工，這樣可大大縮短項目基建工期，提前投產，TBM施工增加的成本可由基建工期提前、投產提前的有利因素來消化。另外，從目前情況看，TBM裝備在適應金屬礦山特點及降低施工成本方面還需進一步作積極探索。