煤矿长斜井双模式盾构施工风险及技术对策.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）０７００８１０５・隧道／地下工程・煤矿长斜井双模式盾构施工风险及技术对策李守彪（中铁建昆仑投资集团有限公司四川成都６１００００）摘要：以双模式盾构施工煤矿斜井工程为例，从双模式盾构选型与配置、斜向始发及连续下坡掘进、原位无扩大硐室拆解等关键问题对潜在的施工风险进行了深入分析，并提出了相应对策，可供后续工程施工借鉴和参考。关键词：煤矿斜井双模式盾构复杂地质施工风险中图分类号：Ｕ４５５．４３文献标识码：Ａ１１０Ｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１８．０７．０２２Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｌ随出ａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｏｆＤｏｕｂｌｅ．ｍｏｄｅＳｈｉｅｌｄｉｎＬｏｎｇＣｏａｌＭｉｌｌｅＩｎｃｌｉｎｅｄＳｈａｆｔＬｌＳｈｏｕｂｉａｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＫｕｎｈｎＩｎｖｅｓｔｍｅｎｔＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＣｈｅｎｇｄｕＳｉｃｈｕａｎ６１００００，Ｃｈｉｎａ）Ａｌｍｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｔｏｏｋｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｉｎｃｌｉｎｅｄｓｈａｆｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｓｈｉｅｌｄｍｅｔｌｌｏｄａｓ锄ｅｘａｍｐｌｅ．ｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｌｌ—ｉｎｄｅｐｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｒｉｓｋｓｉｎｔｅｒｍｓｏｆｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆ—ｄｕａｌｍｏｄｅｓｈｉｅｌｄ，ｄｉａｇｏｎａｌ面ｇｉＩｌ撕Ｉｌｇａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｄｏｗｎｈｉｌｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｉｎ－ｓｉｔｕｎｏｎ－ｅｘｐａｎｄｉｎｇｃｈａｍｂｅｒｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒｋｅｙｉｓｓｕｅｓ，ａｎｄｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅｓｉｍｉｌａｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｃｌｉｎｅｄｓｈａｆｔｏｆｃｏａｌｍｉｎｅ；ｄｕａｌ－ｍｏｄｅｓｈｉｅｌｄ；ｃｏｍｐｌｅｘｇｅｏｌｏｇｙ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｒｉｓｋ１引言相对于传统的矿山法施工，盾构法建设斜井在安全、进度、质量、效益等多方面都呈现出显著的优势，在我国煤炭矿井建设方面具有显著的应用潜力和价值ｕ。Ｊ。目前，对盾构法施工地铁等交通隧道的风险分析较多，但对盾构法施工煤矿斜井风险分析的实例相对较少，对于盾构法煤矿施工风险的相关研究有：梁荣Ｈｏ进行了煤矿斜井ＴＢＭ施工风险多变量预测、多重分形特性分析和多尺度熵特性分”析；曹勰１将风险预控管理应用到煤矿斜井工程建设安全管理；侯公羽等Ｍｏ建立了煤矿长斜井ＴＢＭ施工同异反评估模型，并进行了施工风险评估与趋势预测。以上研究集中在理论分析和安全管理上，针对盾构施工煤矿斜井全过程的技术风险研究很少。为此，本文以神华新街台格庙双模式盾构施工煤矿——收稿日期：２０１８０４１８基金项目：国家科技支撑计划资助项目（２０１３ＢＡＢｌ０８０２）作者简介：李守彪（１９８４一），男，工程师，主要从事隧道及地下工程领域的研究。斜井工程为研究对象，对其全过程施工风险及技术对策进行探讨。２工程概况神华新街台格庙双模式盾构施工煤矿斜井工程斜井为６０直线下坡，总长６５５３ｍ，其中明槽段模筑混凝土衬砌１５０ｍ，双模式盾构施工段长６４０３ｍ，最大掘进深度６８８ｍ。盾构开挖直径７．６２ｍ，管片外径７．３０ｍ，厚度０．１５ｍ。工程区域地质构造简单，为向南西倾斜的单斜构造，地层倾角小于５０，盾构穿越岩性以砂岩和砂质泥岩为主，岩石的力学强度不高，抗压强度在２０～６０ＭＰａ范围内，均以软弱岩石～半坚硬岩石为主，岩体质量、稳固性较差，泥岩遇水软化。盾构需穿越四个煤层，根据地勘结果并结合周边已开采矿井情况，矿区属于低瓦斯矿井。主要含水层为白垩系志丹—群含水层，埋深２０１２０ｍ，均厚１７８．９６ｍ。单位涌水量ｑ＝０．０４２—４０．１３１９Ｌ／（Ｓ・ｍ），渗透系数Ｋ＝０．０５７２４～０．１２５９３ｍ／ｄ，富水性弱～中等。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（０７ｌ８１万方数据・隧道／地下工程・高开挖效率，必须解决好盾构推力、推进速度、刀盘扭３．２．２附属系统集成与设计矩和转速等综合参数的匹配关系；盾构刀盘、主机皮针对大坡度、长距离的掘进工况，在后配套拖带输送机和螺旋输送机的拆装空间狭窄，实现快速模车设置雪橇式行走装置，通过增加摩擦力，减小连式转换作业难度大；管片壁后快速填充，斜井及盾构接桥作用于主机中心线上部的推力，降低盾构载头拖车范围内物料的安全、快速倒运也是制约双模式盾风险；后配套台车行走轮设置凹槽，配合管片仰拱构快速、安全施工的关键因素。通风、供电、供排水、上的行走导向装置，防止台车在大坡度下的蛇形行辅助运输、有害气体监测等配套系统设置需要与盾构走；壁后回填由豆砾石喷射系统、回填注浆系统、双在深埋超长、连续下坡、富水高压、地层多变的工作环液注浆系统和二次补浆系统组成，满足壁后快速填境与快速掘进需求相匹配。充和盾构最大掘进速度需求；为克服大坡度带来的３．２双模式盾构选型及配置技术管片倒运风险，管片吊装设备采用链条驱动；对后配针对项目地层条件，结合斜井设计及施工环套台车上的主操作室、水箱及作业平台等均进行了６。境，提出盾构主机设备选型、附属系统集成与设计、平坡和防滑设计。配置超前钻探设备进行盾构超前配套系统匹配与设计优化等方面的技术对策。地质预报、瓦斯抽排和预排水卸压工作。根据瓦斯溢３．２．１盾构主机选型与优化出或喷涌途径排查，设置瓦斯稀释、抽排和监测系统，根据煤矿斜井地质条件及大埋深、连续下坡、盾构附属、配套系统全部采用隔爆设备［８］。快速掘进的双模式盾构施工需求，确定最大切深、３．２．３配套系统匹配与设计土舱压力以及盾构推力、刀盘扭矩等关键掘进参配置独头压入式通风系统，风机一备一用，保…数。双模式盾构模式转换过程中，刀盘、螺旋输证断面风速不小于ｌｍ／ｓ；配置具有温度、水压、流送机、中心皮带机等关键部件在结构设计和拆装工量监测和控制功能的盾构主供水系统，能够降低长艺上实现了分块、分段的优化设计；洞内拆装空间距离、高水头及环境温度造成的水温升高和水锤效狭小且易发生碰撞，各部件的拆装需综合组织，同应等风险。排水系统配置两套管路，采用五级串联８２铁道彦箢技术ＲＡ儿ＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０侣ｆＤ７Ｊ万方数据・隧道／地下工程・水仓反坡分流量强制抽排，且每级泵站额外配置一套备用水泵，排水能力是预测最大涌水量的２倍以上，满足反坡排水最大需求。配置了具有自动驾驶、定速行驶、车辆定位、重载制动、人员监视及警示等系统功能的无轨胶轮车用于管片、壁后填充注浆材料等的物料倒运和盾构主机大部件原位拆解的倒运。斜井连续大坡度下坡，对车辆运输安全风险大，因此针对双模式盾构辅助运输设备，设计并配备了人员监视及警示系统、车辆定位系统、车辆定速行驶系统、缓速系统、制动系统、紧急制动系统、自动驾驶系统、灯光及安全装置、货物缓冲系统等，确保车辆运输安全。４斜向始发及连续下坡掘进风险及对策４．１风险分析盾构设备在大坡度、小空间条件下完成步进就位，倾斜状态下的盾构始发准确定位难度大；大坡度盾构斜向始发空间位置及受力体系较水平时有较大的变化，盾构姿态控制困难，技术风险大；掘进试验段岩体距离地表较近，在风化作用下稳定性差，岩体松散破碎，掌子面方向容易发生坍塌，盾构姿态控制难度大；掘进试验段地下水量丰富，若壁后填充注浆未能有效固化，成型管片易发生扭转；始发端头至掘进方向水平距离３８４３ｍ范围内，斜井穿越地层地下水量丰富，加上长距离下坡管片壁后汇水较多，且压力较大，很有可能发生较大涌水情况。在斜井埋深约１００ｍ处为含砾砂岩层，该地层稳定性差、透水性强，是掘进防坍塌、防涌水控制的重点。煤系地层盾构施工可借鉴成型经验较少，安全施工风险大。在斜井盾构施工中，管片壁后需快速填充，且保有一定的密实性以及相对稳定的承压能力，减少斜井管片的变形、上浮和下沉，并提高斜井的整体防水性能；管片壁后填充材料在倾斜状态下，易沿管片壁后空隙顺流，致使填充不密实，会对控制围岩变形发展和管片结构稳定产生不利影响，且易形成过水通道，造成水力连通，严重影响斜井正常施工及结构安全与稳定。４．２始发模式及模式转换从盾构姿态控制、出渣效率及安全性考虑，双铁道建筑技术ＲＡｌＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ模式盾构采用相适应的土压平衡模式始发。盾构掘进至斜井埋深约４０３ｍ，水平距离约３８４３ｍ后，斜井围岩结构稳定，且富水性较弱，双模式盾构转换为＇ＩＢＭ模式掘进。４．３盾构主机步进与下落盾构在明槽外组装调试后需纵移步进至洞内始发位置，由于管片设计有仰拱，后配套台车行走面与主机步进底面存在高差，主机和后配套台车选择分开步进方式实施就位；将组装好的主机和始发托架焊接固定，利用千斤顶顶升和下落，将主机和始发托架就位于步进导轨上，步进导轨纵向连接至盾构始发区域，利用布置在轨道上的移动式顶推支座和千斤顶，顶推始发托架，实现主机平稳步进。主机最终顶推至始发区域的下落装置上。调整定位后，通过多次顶升和下落主机的同时撤下预先设置的多层圆支撑，最终完成盾构主机和始发托架的下落定位；连接桥采用专用工装，台车三节一组，采用卷扬机缓速牵引，实现６０坡度下后配套系统与主机的准确连接。具体见图３、图４．图３盾构步进系统图４盾构下落系统４．４双模式盾构斜向始发通过加强始发基座和支撑反力架，主机焊接抗扭桩，并设置较高的安全储备，保证盾构斜向始发安全需要；采用自动导向和人工测量校正的方式进行盾构姿态监测，始发前盾构按斜井中心线整体抬高３ｃｍ，盾构完全出洞前及时分区调整油缸推力，防止始发栽头风险；为减小失圆影响，负环管片采用错缝拼装，且外部设钢支撑、特制楔块楔紧，底拱块加强处理等措施归１；由于盾构出洞初始阶段，盾构反力由负环管片和反力架承担，始发推力受限于负环管片和反力架最大承载能力¨０｜；盾构完全出洞后，管片壁后要实现及时有效注浆，针对不同工况，适当调节推力和扭矩等２０１８（０７Ｊ万方数据・隧道／地下工程・掘进参数，及时纠偏，严禁纠偏过急，防止管片扭转、错台和局部破损等问题的发生。４．５连续下坡掘进双模式盾构连续下坡掘进全程要严格受控，须根据地质变化、斜井埋深、盾构姿态、刀盘扭矩、盾构推力等各种勘察设计资料和双模式盾构实时量测的数据信息，对掘进参数进行及时跟踪调整。管片拼装成环脱出盾尾后，应立即进行豆砾石吹填，管片拖出盾尾４环后，双液浆环向注入固结豆砾石，为隔离大坡度、深埋条件下的汇水通道，砾岩层和砂岩破碎带每隔８～１０环，采用双液浆或化学浆连续注入３环，形成管片壁后分段环向止水封堵；在大埋深含水地层中，采取注浆加固堵水措施难以彻底减小结构外水压力，为了结构的受力安全，利用管片结构的注浆孔或吊装孔进行排水泄压¨１｜。煤系地层选择密闭的土压平衡模式掘进，并按煤矿相关规程采取有效的揭煤安全技术措施，掘进过程严格进行地质超前预报，重点控制出土状态、土仓压力，并及时进行渣土改良，密切关注盾尾密封脂的注入量和壁后填充的质量，防止盾构煤系地层掘进过程中发生大量瓦斯侵入巷道，并加强通风和有害气体监测。由于煤系地层中煤层与其他岩层是相间出现，且地层整体稳定性差，盾构进人煤系地层后，要做好盾构防载头和防坍塌措施。５原位无扩大硐室拆解风险及对策５．１风险分析盾构原位无扩大硐室拆解空间小、难度大、风险高。在高埋深、富水高压工况下，原位拆解造成倾斜状态下的管片轴向卸荷，需对拆解区进行综合分析并加固处置；原位拆解最大可操作空间狭小，人员、机械安全作业困难；盾构最重核心部件主驱动轴承单体重量超百吨，在无增加构筑物和大型吊装设备的辅助下，完好拆解外运安全风险大¨２。。５．２拆解区地层加固拆解区选在围岩完整性较好、渗透系数较小的地段中进行，停机后对盾构主机拆解影响区内管片壁后及盾壳周围进行注浆回填加固，并确保间隙填充密实，后进行管片径向锚固，保证拆解影响区内管片及盾壳结构受力稳定¨列；在盾尾处焊接管片挡块，减小油缸拆除对斜井管片轴向卸荷影响。铁道建筑技术５．３关键部件原位拆解设计阶段即考虑盾构拆解需求，对关键部件需改变其结构型式。盾构洞内拆运按照先后顺序分为后配套拆运和主机拆运，后配套连接桥及台车采取先拆除中间横梁，两侧内移合并后整体牵引出洞；大质量和尺寸的关键部件需综合考量空间限制、起吊重量、拆机工序和运输能力等制定拆机方案，其中刀盘采取４＋１分块型式拆解，螺旋输送机、主驱动均采取整体式拆除，无轨胶轮车外运。螺旋输送机整体拆运模拟见图５。图５螺旋输送机整体拆运模拟主机大型构件均采用盾壳上设置的吊点起吊，拆解专用装备辅助进行拆解，超大重量部件在拆解过程中产生各种位移，受力状态复杂，必须进行严格的安全检算和校核，确保采用的工装、吊耳、吊具设计合格，拆卸方案安全¨４１，以满足原位无扩大硐室安全、快速拆解和运输的需求。整体拆解流程见图６。拆除前准备工作后配套连接断开后配套台车单节拖拉至拆卸工位拆卸台车大件设备台车框架合并将连接桥拖拉至拆卸工位进行拆解以上程序进行剩余台车拆解使用无轨胶轮车将连接桥外运出洞二二二二［二二盾体和管片设计位置焊接吊耳二二二］二二二二拆解螺旋输送机二二二］二二二二拆解管片拼装机二二二二［二＝二拆解中盾门字架二二二］二二二拆卸盾体内配置设备二二二］［二二拆解推进油缸二二二］二二二二拆解主驱动拆解刀盘图６整体拆解流程ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｆＤ７Ｊ万方数据・隧道／地下工程・６结束语双模式盾构施工煤矿斜井国内外尚无其他类似规模工程的成套经验，本文通过开展煤矿盾构斜井施工全过程风险分析，初步系统形成了盾构施工煤矿斜井技术风险分析与应对经验，能有效提高双模式盾构施工煤矿斜井的适应性，规避煤矿斜井复杂地质所带来的施工危害，为类似工程进一步的风险分析与对策研究提供借鉴。参考文献［１］何川．盾构／ＴＢＭ施工煤矿长距离斜井的技术挑战与—展望［Ｊ］．隧道建设，２０１４，３４（４）：２８７２９７．［２］李铁成，邹春华．富水复杂地层中长距离大坡度煤矿斜井—ＴＢＭ选型［Ｊ］．现代隧道技术，２０１５，５２（２）：１７４１７９．［３］邹春华，李守彪，毛东晖．煤矿斜井双模式ＴＢＭ掘进时围岩坍塌原因分析及防治措施［Ｊ］．国防交通工程与—技术，２０１４，１２（１）：７４７７．［４］梁荣．煤矿长距离斜井ＴＢＭ（盾构）施工风险特性与—评估研究［Ｄ］．北京：中国矿业大学，２０１６：７５７６．［５］曹勰．风险预控管理在盾构施工煤矿斜井工程中的应—用研究［Ｊ］．施工技术，２０１６，４５（２３）：１９２１．［６］侯公羽，梁荣，龚砚芬，等．煤矿长斜井ＴＢＭ施工安全风险分析与趋势预测［Ｊ］．岩土力学，２０１４，３５（Ｓ２）：—３２５３３１．［７］管会生，张璃，杨延栋．新街台格庙矿区斜井隧道双模式盾构关键掘进参数配置研究［Ｊ］．隧道建设，２０１５，—３５（４）：３７７３８１．［８］扈国义．神华新街台格庙矿区斜井盾构穿越煤系地层—安全处置技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（２）：６２６６．［９］邹佳光．盾构隧道负环管片自重变形工况下结构受力分—析及应对措施［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（８）：７５７７，１０３．［１０］李涛，刘波，江玉生，等．盾构始发负环管片和反力架拆除时机的影响因素分析［Ｊ］．中国铁道科学，２０１２，—３３（２）：４８５３．［１１］魏巍．超深埋盾构隧道设计中水压力控制探究［Ｊ］．国—防交通工程与技术，２０１５，１３（Ｓ１）：３７３８．［１２］徐震．斜井盾构地下可拆解结构形式研究［Ｊ］．施工技—术，２０１６，４５（２１）：１２０１２３．［１３］李守彪，毛东晖，邹春华．大埋深煤矿长斜井盾构拆解—施工技术分析［Ｊ］．煤炭工程，２０１４，４６（９）：３２３４．［１４］申智杰．狮子洋隧道大型泥水盾构洞内解体拆机技术［Ｊ］．建筑机械化，２０１１，３２（４）：７０一７３．————‘—————————————・卜卜。卜一＋。＋－＋＊＋一＋＋一卜＋一＋一卜＋－＋－＋－＋＋一＋一＋一＋一卜＋一＋一卜＋一＋一＋一＋一＋＋－＋一＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋－＋一＋一＋一＋－＋一－４－－－Ｉ－・（上接第３８页）（２）建立基于ＢＩＭ技术的施工管理平台，对施工过程中重点、难点部位进行仿真，并对整个施工流程进行动画模拟，帮助施工参与各方理清整个施工思路，明确自己职责，提前预测施工阶段可能存在的问题并提出合理可行的解决方案。通过ＢＩＭ模型指导各方完成具体的施工任务，各方完成后将效果信息反馈给模型，对模型进行更新，这种施工管理模式取得了传统施工技术无法比拟的经济效益和社会效益。（３）本项目形成的以ＢＩＭ模型为核心，信息化施工管理的理念和技术，在类似的铁路桥梁工程简支梁节段拼装施工中具有较为广阔的推广应用前景。［４］［５］［６］［７］［８］［９］［１０］参考文献［１１］［１］尚庆保．节段预制胶接拼装梁预应力孔道接头装置研—究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（４）：５３５６，６０．［２］彭宏辉，华波，余永强，等．预制节段拼装梁在高架桥—工程中的应用［Ｊ］．中国市政工程，２００７（Ｓ１）：６７６９．［３］钱枫．桥梁工程ＢＩＭ技术应用研究［Ｊ］．铁道标准设铁道建筑技术ＲＡＩ／－ＷＡＹｃｏＮＳＴＲＵＣＴｌｏＮＴＥｃＨＮｏＬＯＧＹ［１２］［１３］—计，２０１５，５９（１２）：５０５２．刘延宏．ＢＩＭ技术在铁路桥梁建设中的应用［Ｊ］．铁路—技术创新，２０１５（３）：４７５０．胡杰．ＢＩＭ技术在桥梁施工设计中的应用探索［Ｊ］．铁—路技术创新，２０１４（２）：６３６７．张海华，刘宏刚，甘一鸣．基于ＢＩＭ技术的桥梁可视化—施工应用研究［Ｊ］．公路，２０１６，６１（９）：１５５１６１．郜建忠，吕燕军．ＢＩＭ技术在客运专线４８ｍ简支梁节段拼装施工中的应用［Ｊ］．铁道建筑，２０１６（６）：４０一４３．张翼．常兴渭河特大桥跨渭河段１９ｘ４８ｎｌ节段拼装架设—施工技术［Ｊ］．内蒙古科技与经济，２０１２（６）：１０８１０９．张振兴．ＢＩＭ技术在节段拼装箱梁施工中的应用［Ｊ］．—高速铁路技术，２０１６，７（４）：８９９２．袁靖乙．大跨连续梁及节段拼装梁施工机械配套技术—［Ｊ］．国防交通工程与技术，２０１７，１５（Ｓ１）：４５，１６．李成涛，章世祥．基于ＢＩＭ技术的桥梁病害信息三维—可视化研究［Ｊ］．公路，２０１７，６２（１）：７６８０．陈宁，马志华，柏平，等．基于ＢＩＭ技术的桥梁病害信息三维可视化采集管理系统［Ｊ］．中外公路，２０１７，３７—（１）：３０５３０８．李鑫．ＢＩＭ技术在铁路预制梁场规划与布置中的应用—研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（７）：１９２３．２０１８ｆ０７Ｊ万方数据