矿山巷道与山岭隧道TBM应用差异性研究

李财隆马士涛王福松程志

晋能控股煤业集团塔山煤矿 211600；江苏神盾工程机械有限公司 211600

摘要：摘要：全断面隧道掘进机（TBM）凭借其高效、安全、自动化的优势，正逐步从传统的水利、交通山岭隧道领域向深部矿山巷道工程拓展。然而，受限于地质条件、瓦斯环境及空间尺度，TBM在两类工程中的应用存在显著差异。本文通过对比矿山巷道与山岭隧道的施工约束，剖...

关键词：

TBM；矿山巷道；山岭隧道；施工差异；技术改进

出处：

《现代工程科技》2025年11期

DOI：
10.13738/j.cnki.acc.qklw60536
专辑：
科学Ⅰ辑;信息科技
专题：
信息、科学;综合科技
分类号：
G90;N92

摘要： 全断面隧道掘进机（TBM）凭借其高效、安全、自动化的优势，正逐步从传统的水利、交通山岭隧道领域向深部矿山巷道工程拓展。然而，受限于地质条件、瓦斯环境及空间尺度，TBM在两类工程中的应用存在显著差异。本文通过对比矿山巷道与山岭隧道的施工约束，剖析了两者在围岩特性、防爆要求及空间布局上的不同点，并探讨了TBM在选型设计、施工工艺及经济性方面的针对性改进。研究结果表明，矿山TBM需在小型化、防爆化及小转弯半径方面进行定制化开发。本文旨在为TBM技术在矿区复杂巷道中的推广应用提供理论支撑。

关键词： TBM；矿山巷道；山岭隧道；施工差异；技术改进

1 引言

随着我国深部资源开发与跨流域调水、高速铁路建设的并行推进，地下工程建设规模持续扩大。TBM作为地下掘进的“国之重器”，其应用场景正经历从单一的山岭隧道向矿山深部巷道的战略转型。尽管两者均属于地下暗挖工程，但矿山巷道尤其是煤矿巷道，面临着高地应力、高瓦斯以及极其受限的作业空间，这与常规的山岭隧道施工环境迥然不同。研究TBM在两类工程中的应用差异，不仅有助于优化设备选型，更能推动地下工程掘进技术的精细化发展，对于实现“智慧矿山”与“极限隧道”建设具有深远的现实意义。

2 矿山巷道与山岭隧道地质环境与施工约束差异

2.1 围岩力学特性与地质构造复杂性的异同分析

山岭隧道多穿越断层破碎带、溶洞或高地应力区，围岩稳定性差异大，但整体上具有较强的可预测性。矿山巷道尤其是深部煤矿巷道，其围岩性质通常更趋于复杂，多表现为软岩、复合岩层或极破碎岩层，且受采动应力影响显著。山岭隧道侧重于防塌方与涌水，而矿山巷道需应对更为频繁的岩爆与底鼓现象。此外，矿山巷道往往处于多层位叠加受力状态，其围岩力学特性的非线性特征更为明显，这对TBM的刀盘抗冲击能力和撑靴稳定性提出了更高的瞬时载荷要求。

2.2 矿山高瓦斯环境与深部高地应力的特殊挑战

这是矿山巷道与山岭隧道最本质的区别。山岭隧道虽有瓦斯隧道之分，但绝大多数为无瓦斯或低瓦斯环境；而煤矿矿山巷道常态化处于高瓦斯赋存区。这意味着矿山TBM必须进行全机防爆设计，包括电机、开关柜、传感器乃至照明系统均需符合严苛的矿用防爆标准。在应力方面，山岭隧道多受构造应力主导，而矿山深部巷道则处于三轴高应力状态，巷道掘进后围岩变形速率极快，若TBM支护步距不合理，极易发生“卡机”风险，这要求矿山TBM具备更强的脱困扭矩和快速支护能力。

2.3 施工空间、坡度限制与后配套系统的布局差异

山岭隧道空间相对开阔，后配套系统可以长距离展开，运输多采用大功率轨道或皮带机。矿山巷道则面临严重的“空间约束”，断面通常较小，且巷道内存在频繁的转弯与坡度起伏（如大坡度斜井）。矿山TBM需要设计极短的后配套系统，并具备更小的转弯半径（通常在30-50米量级），而山岭隧道TBM转弯半径多在300米以上。此外，矿山巷道的垂直空间极其宝贵，如何在有限的巷道断面内布置通风、排水、除尘及防爆管线，是矿山TBM布局设计的核心难点。

3 TBM设备选型与针对性设计改进的差异研究

3.1 针对矿山巷道小转弯半径与防爆性能的定制化改进

为了适配矿山巷道的特殊环境，矿山专用TBM（如“淮北矿业号”、“平宝号”）在结构上进行了大规模重构。首先是防爆化，所有电气元件均采用隔爆或增安型设计，并配备高灵敏度的瓦斯监测断电联动装置。其次是小型化与紧凑化，通过采用多级折叠式后配套和柔性传动技术，显著提升了设备在狭窄巷道内的机动性。为了实现小转弯半径，矿山TBM采用了独特的双护盾或改进型敞开式结构，增加了机身调向机构的自由度，确保其能像“贪吃蛇”一样在复杂的巷道网络中灵活穿梭。

3.2 山岭隧道大直径、长距离掘进的刀盘与驱动系统选型

山岭隧道TBM设计核心在于“高效”与“长寿”。由于掘进里程往往达十余公里，其刀盘设计更强调耐磨性与破岩效率，通常采用大直径盘形滚刀和重载变频驱动系统。相比矿山TBM，山岭隧道TBM的直径范围更大（可达15米以上），其推力与扭矩的储备更多是为了克服地层压力和长距离掘进的刀具损耗。其驱动系统多采用大功率变频调速技术，追求在不同硬度岩层下的恒效率掘进，而无需像矿山设备那样过度牺牲空间性能去置换防爆等级。

3.3 支护模式差异：锚网索喷与管片衬砌的应用选择

在支护方式上，山岭隧道常采用预制混凝土管片随掘随拼，追求结构的永久性与防水性能。而矿山巷道为了后续采煤工艺的需要，多采用“锚网索喷”的主动支护模式。矿山TBM通常在盾体后方紧邻布置双钻机系统，实现掘进与锚杆支护的动态平衡。由于矿山围岩变形大，刚性的管片支护极易被压碎，柔性的锚网支护反而更能适应采动应力的释放。这种从“被动撑”到“主动护”的转变，是矿山TBM后配套设计的关键技术分水岭。

4 施工工艺、进度管理与经济性的综合对比

4.1 掘进、支护、辅助运输平行作业模式的效能对比

山岭隧道TBM已形成了成熟的平行作业流程，掘进、管片拼装、豆砾石回填及注浆可同步进行。矿山TBM则需在掘进的同时，处理频繁的超前预探（探瓦斯、探水）工作。由于矿山辅助运输能力（皮带或单轨吊）往往受限于矿井总提升量，其TBM掘进效率常受限于“后路运输”。相比山岭隧道动辄单月千米的进尺，矿山TBM更注重“均衡进尺”，即在确保瓦斯安全与支护到位的前提下，维持稳健的掘进速率。

4.2 设备搬迁、组装与始发场地的工程条件差异

山岭隧道TBM通常具备开阔的洞口始发场，组装空间大，重型吊装设备可直接到达。矿山TBM则多为“井下始发”，所有部件必须通过狭窄的罐笼或斜井下运至数百米深的井下。这要求矿山TBM必须具备极高的模块化程度，所有结构件的尺寸和重量必须严格匹配矿井提升系统的极限载荷。在设备转场方面，矿山TBM需要实现“快速拆解、快速平移”，而山岭隧道TBM通常在完成一个标段后进行大规模解体或整体埋掉。

4.3 投资成本、施工周期与全生命周期效益评估

山岭隧道TBM初期投资巨大，但分摊到超长距离后单位成本较低。矿山巷道单条长度通常较短（2-3公里），若按传统算法，TBM的经济性不如掘进机或炮掘。但从全生命周期看，TBM大幅提升了安全性，减少了井下作业人员，降低了瓦斯事故风险。随着矿山劳动力成本上升和国家对“少人则安”的要求，矿山TBM的综合效益正逐步凸显。研究表明，在千米深井、高地温环境下，TBM的效率优势是传统工艺的3至5倍，其缩短的工期能够提前释放煤炭产能，产生的经济效益远超设备投资本身。

5 推动矿山TBM应用技术进化的实践策略

5.1 强化深部开采环境下岩爆与突水的监测预警

针对矿山TBM面临的极端环境，应在机头上集成高精度超前地质预报系统，如瞬变电磁与微震监测系统。通过在TBM掘进过程中实时采集围岩声发射信号，利用AI算法提前20-30米预警潜在的突水点和应力集中区。这要求设备在设计阶段就预留传感器的安装位和数据传输链路，实现施工安全从“被动受困”向“主动规避”的智能化转型。

5.2 提升设备模块化与快速转场能力的路径探讨

为了解决矿井提升系统对设备体积的限制，未来的矿山TBM应进一步推行“积木式”设计。核心驱动单元、刀盘系统及辅助支撑应实现标准化接口连接，缩短井下组装周期。同时，研发具备自主行走能力的后配套系统，在巷道贯通后能实现快速退场或原地调头，从而提高单台设备在多巷道作业中的复用率，降低综合折旧成本。

5.3 智能化掘进与大数据在差异化场景中的融合应用

无论是矿山还是山岭隧道，智能化均是未来方向。应建立TBM大数据云平台，采集不同岩层下的扭矩、推力及贯入度数据，形成“地质-参数”映射矩阵。在矿山场景中，应侧重于瓦斯浓度与掘进速度的自动匹配；在山岭隧道中，则侧重于刀具磨损预测与自主纠偏。通过算法赋能，使TBM能够根据环境差异自动调节运行姿态，真正实现地下掘进的“无人值守、有人巡检”。

6 结语

矿山巷道与山岭隧道TBM应用的差异性根源于其不同的功能定位与服役环境。矿山TBM并非山岭TBM的简单“翻版”，而是涉及防爆、小型化及柔性支护等领域的深度再造。通过对两类工程差异性的系统研究，可以发现，定制化的设备选型与工艺匹配是提升TBM适用性的核心。随着国产TBM技术的持续突破，针对矿山特殊环境的研发投入将进一步加大，TBM必将成为推动我国矿山建设由劳动力密集型向技术密集型转型的关键驱动力。