0.   引　　言

随着开采深度的不断增加，煤矿瓦斯、水害威胁持续增大^[1]。煤炭开采前需施工大量瓦斯、水害治理岩石巷道用以开展瓦斯、水害治理工程，保障采煤工作面安全回采^[2]。同时，煤矿深部地层“三高一扰动”条件下，为保证巷道稳定性，多数矿井及采区系统巷道在岩层中掘进^[3]。以上因素造成煤矿岩石巷道工程量激增，传统岩巷掘进工艺较低的掘进速度已严重制约了煤矿的采掘接替。煤矿岩巷安全快速施工已成为保障煤矿正常接替的关键。

自2014年TBM（Tunnel Boring Machine）全断面掘进机在煤矿深井巷道掘进工程中成功应用以来，我国已有40余条煤矿深井岩巷TBM掘进作业线投入使用^[4]。在煤矿硬岩地层中，TBM掘进配合锚网支护工艺，施工效率可达钻爆法的5～8倍，最高达736 m/月，取得了显著的社会经济效益^[5]。但同时也暴露了TBM地层适应性偏弱的短板：在软岩、破碎等煤矿复杂地层中，需采取包括缩小锚杆（索）间排距，增加锚杆（索）数量和锚固深度等措施提高支护强度。造成支护时间大幅增加，TBM被迫频繁停机直至支护施工完成后才能继续掘进，导致TBM在煤矿复杂地层中月进尺不足200 m，无法充分发挥TBM的速度优势^[6]。TBM施工时需频繁穿越复杂地层，目前普遍使用的锚网支护体系难以同时满足支护强度和支护速度的要求^[7-9]。因此，高效、可靠的巷道支护结构与施工工艺是煤矿复杂地层TBM安全快速掘进的关键。

近年来，国内外学者在新型支护结构领域开展了大量研究工作。田四明^[10]、WANG^[11]、LIU^[12]、MEI^[13]等学者提出了钢管混凝土、U型钢混凝土拱架支护结构，开展了相关模型试验、数值模拟和现场工业性试验，有效提高了煤矿复杂地层巷道支护强度。Mezger研发了可缩型拱架支护结构，通过可控的支护结构变形，降低围岩压力，提高了挤压性地层中隧道围岩稳定性^[14]。Høien设计了钢筋混凝土肋(Ribs of Reinforced Concrete (RRS))支护结构，通过理论分析和数值模拟，提出了RRS支护参数优化设计方法^[15]。吴丽丽等^[16-17]研发了波形钢腹板支架，开展足尺模型试验和数值试验，研究揭示波形钢腹板支架设计参数对承载能力的影响规律。然而，当前多数新型支护结构多用于钻爆法和悬臂式掘进机掘进巷道，其首要目标是增加支护强度以适应煤矿复杂地层。此类支护结构安装工序复杂，支护施工速度远低于TBM掘进速度。而水利、地铁隧道常用的各类钢筋混凝土管片支护结构虽可满足支护强度和支护速度的要求，但其造价较高且难以复用，用于煤矿临时、半永久巷道支护成本过高。因此，需针对煤矿复杂地层岩巷掘进工程地质条件和TBM快速掘进需求，研发支护强度高、安装快捷、便于重复使用、施工成本低的新型支护结构。

针对当前煤矿复杂地层中TBM掘进速度受制于巷道支护速度，难以充分发挥TBM速度优势的突出问题，研究团队研发了新型钢管片型装配式支护结构。开展了新型装配式支护结构大比尺模型试验，获得新型支护结构在受载条件下变形破坏规律，根据试验结果优化新型支护结构型式。基于新型钢管片支护下TBM掘进巷道数值模拟评估新型支护结构可靠性。最后开展工业性试验，现场验证新型钢管片式支护结构用于煤矿TBM掘进巷道的可行性。试验结果表明，钢管片支护结构在煤矿深部复杂地层变形量小于1 mm，可在90 min内掘进1.5 m并完成一环管片的安装工作，显著提高了TBM掘进巷道的支护强度和TBM掘进作业线的地层适应性。为未来进一步提高煤矿巷道掘进速度、保障煤矿采掘接替提供技术参考。

1.   TBM掘进煤矿巷道装配式支护结构选型

当前可供选择的煤矿深井巷道支护结构型式主要包括：钢筋混凝土管片、锚网（喷）和型钢棚架^[18]。其中，钢筋混凝土管片造价高，体积、质量大，井下有限空间内运输、安装不便，管片结构还会妨碍瓦斯抽采工作。锚网（喷）支护需依次钻孔、挂网、放置锚固剂、安装杆体、托盘和螺母，工序繁多，难以完全实现自动化操作，限制了TBM掘进效率优势的充分发挥。另外，TBM设备尺寸大、子系统繁多，掘进工作面空间狭小，严重限制了支护作业空间，进一步降低了支护施工速度。导致TBM穿越软弱、破碎地层时难以有效控制巷道围岩变形破坏。而型钢棚架支护工序繁琐，且各榀间采用钢条或钢筋连接，强度偏弱，易出现平面外失稳破坏^[19]。

因此，煤矿深井巷道TBM掘进作业线迫切需要一种支护强度高、重量轻、尺寸小、安装速度快、造价低、方便拆卸且易于回收修整利用、不影响注浆等其他二次支护施工的新型支护结构型式，以提高支护强度和施工效率、适应不同服务年限巷道支护需求、降低金属材料消耗。

笔者团队依托TBM掘进煤矿深井巷道工程实践，提出了新型装配式支护结构。该支护结构由钢板或型钢制成的单个弧板拼装形成封闭环形支护结构。增强了支护结构沿巷道轴向的刚度，防止出现平面外失稳。可根据巷道围岩地层情况选择连续密集安装或间隔安装。临时巷道废弃封闭前，便可拆除装配式支护结构，检测合格的支护结构修整后可重复使用，破损严重的则作为废钢材回收利用。

针对TBM掘进巷道工程地质条件，考虑到装配式支护结构安装后与围岩间存在间隙，难以实现主动支护。因此，从多种方案中优选出密封性较好的钢管片型装配式支护结构。在钢管片安装完成后，在钢管片和巷道围岩的间隙中注入水泥浆充填材料，起到均匀传递围岩荷载的作用。

2.   TBM掘进巷道新型装配式支护结构力学性能试验

2.1   模型制备

图1所示为钢管片型装配式支护结构模型。每环支护结构由6块弧形管片拼装而成。管片采用厚8 mm的 Q345钢板焊接而成，模型外径2.5 m，内径2.484 m，宽0.5 m，各管片间采用螺栓连接，形成完整圆形装配式支护结构。

图  1  装配式支护结构模型结构

Figure  1.  Model structure diagram of prefabricated support structures

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2.2   试验方案

煤矿巷道支护结构力学性能试验平台，包括反力装置、加载系统和监测系统（图2）。反力装置为钢-混凝土复合结构，可开展5 m以下直径支护结构试验。加载系统包括16个加载油缸，油缸最大行程为300 mm、最大压力为33 MPa。

图  2  装配式支护结构大比尺模型试验

Figure  2.  Large-scale model test of prefabricated support structures

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试验平台的加载系统配有压力传感器，可通过监测液压油缸油压，计算油缸施加的径向荷载。使用伸缩式位移计监测模型变形。

由于垂直安装模型并施加荷载难度较大，采用水平放置模型，使用油缸模拟围岩荷载方式开展试验。模型外侧使用M30砂浆模拟工程现场管片壁后充填层。试验开始后，先以0.005 MPa/s的加载速率对模型进行加载，每增加0.9 MPa，保持荷载不变30 s。当荷载大于预计破坏荷载的90%时，加载速率为 0.0025 MPa/min，每增加0.3 MPa保持荷载不变30 s。每级加载后记录模型荷载与变形数据，直至模型破坏后停止试验。

2.3   试验结果

开始加载后的较长时间内，模型未有明显变形。试验开始后2280 s时，模型130°方位角处开始出现明显变形，如图3所示。随后模型该位置处变形速度增加，模型迅速破坏。在150°方位角处，腹板与上下环板出现严重变形，120°～180°方位角处管片端板变形严重。

图  3  管片模型试验失稳破坏特征

Figure  3.  Failure characteristics of the model

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图4所示为模型变形监测数据。模型破坏时，16个加载油缸总荷载为3972 kN，最大径向位移出现在A8位移计测点处，达37.5 mm，向模型外侧变形。在加载开始后，各测点位移值缓慢增长，并与总荷载增长呈近似线性关系。当总荷载达到3831.5 kN时，各测点变形值迅速增加，模型在短时间内破坏。

图  4  钢管片型装配式支护结构模型试验总荷载-位移曲线

Figure  4.  Deformation characteristics of the model of fabricated support structure

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通过钢管片型装配式支护结构模型试验可得，钢管片接头处，端板与肋板、腹板焊接处易出现变形破坏，进而导致支护结构整体失稳。因此，需加强管片连接处强度。

3.   TBM掘进煤矿巷道装配式支护结构工程实践

3.1   工程概况

淮南矿区某煤矿TBM掘进巷道，设计工程量2843 m，设计标高−813.7～−824.4 m。巷道断面为圆形，直径为5.5 m。巷道穿越岩层主要为砂质泥岩、泥岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩（图5）。

图  5  淮南矿区某煤矿TBM掘进巷道地质剖面示意

Figure  5.  Geological cross-section of a TBM-excavated roadway in a certain coal mine in the Huainan mining area

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淮南矿区某煤矿TBM掘进巷道采用单护盾TBM施工，开挖直径5530 mm。巷道采用钢管片型装配式支护结构进行支护。TBM掘进后在TBM护盾的掩护下，使用管片拼装机安装钢管片。如图6所示，钢管片外径5300 mm，内径4800 mm，宽1.5 m，由6个管片拼装形成一环封闭支护结构，可在90 min内完成一环管片的安装工作。根据钢管片型装配式支护结构模型试验结果，为解决钢管片接头处端板、肋板变形问题，将模型试验中单层弧板改为双层弧板结构，内外弧板均与腹板、肋板、端板焊接，在提高钢管片型装配式支护结构的强度的同时，使钢管片内表面更加平整，方便工作人员通行。每环管片由4个标准块、2个临接块和1个楔块组成。安装管片时，先安装标准块和临接块，最后用管片安装机将楔块沿巷道径向压入临接块间的缝隙中，并用楔块卡板固定，完成一环管片的安装。相邻环管片间使用螺栓连接，管片与巷道围岩之间的空隙间同步充填水泥砂浆，在距掘进工作面40 m左右四号台车位置进行二次补浆（补充盾尾同步注浆的间隙）。后期需要拆除钢管片时，可利用配套的管片拆卸机将拼好的钢管片拆卸后循环使用。

图  6  钢管片式装配式支护结构

Figure  6.  Steel pipe segment fabricated support structure

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3.2   钢管片支护TBM掘进巷道数值模拟

3.2.1   TBM掘进煤矿巷道数值模型

鉴于新型钢管片型支护结构首次在煤矿深部复杂地层TBM掘进巷道支护施工中应用，为验证新型支护结构支护能力，在巷道掘进前开展TBM掘进巷道钢管片支护数值模拟，开展钢管片支护条件下TBM掘进巷道围岩稳定性分析。

为降低边界效应影响，使模拟结果更加接近实际情况，取模型尺寸为40 m（X方向）×48 m（Y方向）×40 m（Z方向），巷道直径为5.5 m。实体单元203680个，节点206577个，结构单元130560个，节点11008个。围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，模型及力学相关参数见图7、表1、表2。

图  7  TBM掘进巷道数值模型

Figure  7.  Numerical model of the TBM excavated roadway

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表  1  巷道围岩力学参数

Table  1.  Mechanical properties of roadway surrounding rock

岩性	密度/（kg·m−3）	体积模量/GPa	剪切模量/GPa	泊松比	黏聚力/MPa	内摩擦角/（°）	抗拉强度/MPa
粉砂岩	2460	19.5	10.83	0.2	2.75	38	1.840
细砂岩	2873	21.01	13.52	0.24	3.20	42	1.290
中砂岩	2431	34.31	15.1	0.23	9.80	40	4.700
砂质泥岩	2510	5.425	2.36	0.15	2.16	36	0.750
泥岩	2461	8.75	6.08	0.26	1.20	30	0.605

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表  2  钢管片材料参数

Table  2.  Material parameters of steel segment

参数	弹性体积模量/MPa	弹性剪切模量/MPa	抗拉强度/MPa	法向接触刚度	切向接触刚度
数值	1.67×105	0.79×105	235	2.72×1012	2.72×1012

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模型的下表面设置为位移边界条件，模型的四周则设置为应力边界条件，使用null命令模拟巷道掘进，采用Liner结构单元模拟管片，管片采用错缝拼接，每环管片长度和掘进步距均为1.5 m（图7）。

3.2.2   数值模拟结果

巷道掘进后围岩位移场分布特征如图8a、图8b所示。两帮水平收敛量为4 mm，顶板沉降变形量最大为1.6 mm，底板隆起变形量为1.6 mm，巷道顶板底板最大收敛量为3.2 mm。巷道围岩应力场分布规律如图8c、图8d所示，巷道水平应力在顶底板处集中，最高达32 MPa，垂直应力在巷道两帮处集中。巷道总体变形较小，采用钢管片支护结构可有效控制巷道围岩变形。

图  8  巷道围岩位移与应力云

Figure  8.  Displacement and stress nephogram of tunnel surrounding rock

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3.3   现场监测

TBM掘进巷道围岩变形与破坏特征测试采用钻孔观测方式，钻孔内安装分布式光纤传感单元，进一步获得TBM掘进过程中钻孔控制范围内围岩变形特征。在施工联巷内施工监测钻孔，钻孔开孔位置距离TBM掘进巷道13 m。钻孔偏向TBM掘进巷道10°水平钻进，孔深80 m。钻孔开孔孔径127 mm，终孔孔径90 mm。钻孔布置如图9所示。

图  9  监测钻孔布置图

Figure  9.  Layout of the monitoring borehole

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当TBM距离钻孔控制范围较远时，围岩的变形速率及程度均较小，当TBM逐渐靠近钻孔控制范围时，围岩的应变增幅及增长速率加大，围岩应变增长首先从巷道围岩表面开始，然后向围岩深部转移。当TBM逐渐远离钻孔控制围岩时，围岩逐渐趋于稳定状态。巷道围岩最大拉应变位于距巷道表面10 m深度位置，应变为803×10⁻⁶（图10）。巷道内采用收敛尺开展钢管片变形监测，其水平、竖向收敛值均小于1 mm。监测结果表明钢管片型装配式支护结构具有较高的支护强度，可有效控制TBM掘进煤矿深井巷道围岩变形。

图  10  TBM掘进围岩扰动钻孔光纤监测结果

Figure  10.  TBM tunneling surrounding rock disturbance borehole fiber optic monitoring results

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在钢管片安装过程中，利用管片注浆孔安装振弦式压力盒，监测钢管片支护结构荷载分布演化规律。如图11所示，在底部、帮部和顶部管片安装3个压力盒，管片安装后，其表面荷载快速增加，在管片安装的第20天，1号、2号、3号压力盒荷载分别为1.34、1.18和0.98 MPa。在20天以后，荷载增速逐渐放缓；50天以后荷载基本稳定，最终1号、2号、3号压力盒所测荷载分别为 1.74、 1.42和1.20 MPa。荷载分布呈底部大顶部小的特征。

图  11  支护结构荷载监测

Figure  11.  Loading monitoring results of support structure

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4.   煤矿复杂地层TBM掘进巷道安全快速支护技术展望

煤矿复杂地层中TBM掘进-支护匹配问题一直是TBM掘进速度和TBM地层适应性的瓶颈。当前煤矿巷道和水利、交通隧道常用的钢筋混凝土管片、锚杆、型钢拱架等支护结构及其支护工艺均难以与煤矿TBM匹配。其主要问题在于现有支护材料难以同时满足支护强度、支护施工速度和支护施工成本方面的要求^[20]。新型装配式支护结构支护强度高、采用机械安装，装配速度快，较好地满足了煤矿深部复杂地层TBM安全快速掘进的要求。同时新型装配式支护结构采用钢材制造，便于修整和重复使用，对于服务年限较短的临时、半永久巷道，支护结构重复使用可有效降低巷道支护成本。未来基于新型装配式支护结构，进一步提高煤矿巷道掘进效率和自动化、智能化水平，对于破解煤矿复杂地层TBM掘进掘−支失调问题，保证煤矿采掘接替意义重大。

未来，需针对不同TBM掘进巷道工程地质条件，优选TBM掘进巷道支护材料和支护工艺选型工作。对于围岩强度较高、围岩完整性较好的地层，可采用锚网重点支护巷道顶板，防止顶板碎岩掉落，巷道两帮可滞后支护或不支护，以减少支护工作量，提高支护施工速度。对于软岩、破碎地层，宜使用新型装配式支护结构，在TBM护盾保护下完成钢管片装配式支护结构的安装，配合壁后充填注浆，实现支护结构−注浆充填层−围岩协同承载。对于严重破碎地层，围岩常在开挖后短时间内即发生严重变形，挤压刀盘和护盾，造成TBM卡机事故。此类条件下应在掘进前沿TBM掘进方向施工顺层钻孔，开展地层预注浆改性工作，提高围岩强度，在TBM掘进时再根据地层条件和注浆效果选用合适的支护结构及支护工艺。

当前，新型钢管片型装配式支护结构大幅提高了支护强度和支护施工机械化水平。但在自动化、智能化方面仍有提升空间。当前虽可使用管片安装机实现钢管片吊运、举升，但螺栓安装和螺母紧固工作仍依赖人工操作。未来可考虑开发专用机械臂，代替人工完成管片螺栓安装工作，则可完全实现TBM掘进巷道无人化支护施工，进一步提高TBM掘进巷道支护施工安全性和施工效率。

当前采用装配式支护结构支护的巷道、隧洞等多采用支护结构和监测元件依次安装的施工模式。支护结构与监测元件集成度低，监测原件暴露在支护结构表面，损坏失效时有发生。未来应考虑将变形、荷载等监测原件嵌入支护结构，并基于无线数据传输技术完成井下组网，监测支护结构工况，基于机器学习算法和大数据技术建立支护结构及围岩失稳预警系统，实现TBM掘进巷道稳定性智能监测。

5.   结　　论

1）针对当前煤矿复杂地层中TBM掘进速度受制于巷道支护速度，难以充分发挥TBM速度优势的突出问题，研究团队研发了新型钢管片型装配式支护结构，安装方便快捷、支护强度高且便于复用，满足了TBM掘进巷道支护结构在支护强度、施工效率和施工成本方便的要求。

2）开展新型钢管片型装配式支护结构大比尺模型试验，研究钢管片支护结构变形破坏特征。试验表明，钢管片接头处，端板与肋板、腹板焊接处易出现变形破坏，进而导致支护结构整体失稳。

3）根据支护结构模型试验，优化钢管片支护结构型式和设计参数，加强了接头处强度。开展钢管片支护TBM掘进巷道工业性试验。现场监测结果表明，采用钢管片支护，支护结构变形和巷道围岩扰动程度小，可满足煤矿复杂地层TBM掘进巷道支护要求，可为未来类似工程提供参考依据。