《地下矿山大坡度小断面巷道掘砌平行作业施工技术》

《地下矿山大坡度小断面巷道掘砌平行
作业施工技术》
摘要：我国是矿产资源生产和消耗大国，且矿山开采以地下开采为主。

地下矿山巷道衬砌施工工艺较为成熟，但在矿山建井巷道中，有部分巷道属于大
坡度斜井、斜坡道，巷道的坡度较大，断面较小，施工难度大，以往大多采用人
工拆、装组合模板进行浇筑施工，不仅混凝土外观质量差，而且投入人工工作量大、掘进与衬砌工序间相互干扰，导致施工进度缓慢。

国内大断面巷道使用钢模台车衬砌技术已经非常成熟，但在矿山小断面巷道
应用较少。

地下矿山大坡度、小断面巷道独头掘进，利用钢模板台车衬砌施工时，不能实现掘砌平行作业。

对地下矿山斜坡道钢模台车混凝土衬砌施工技术应用进
行研究，将原钢模台车改装成穿行式钢模台车、研制出混凝土衬砌钢模台车液压
行走系统。

关键词：地下矿山斜坡道钢模台车掘砌平行作业衬砌施工
1钢模台车混凝土衬砌施工现状分析
我国从1978年改革开放后，开始引进国外钢模台车设备及技术，1983年在
京广大瑶山隧道引进日本105㎡大断面钢模台车砼衬砌。

该钢模台车为穿行式长
8m，重约100t。

而后，又仿制了许多隧道钢模台车，断面30-80㎡。

全断面钢模台车在鲁布革水电工程中首次应用。

该工程引水隧洞直
径8m。

后经学习、消化，研制出国内第一台全断面钢模台车(断面φ5.8m×9m)，成功地运用于鲁布革水洞砼衬砌。

之后，先后制造了φ8m×12m、φ9m×12m、
φ9m×15m、φ9.7m×15m等多套、多种直径的钢模台车，分别在广蓄等工程建设
中发挥了重要的作用。

我国隧洞砼衬砌施工方法有：全断面一次成型，先浇底拱后浇边顶拱、先浇
边顶拱后浇底拱、先顶拱后边墙及先边墙后顶拱等。

鲁布革电站引水隧洞钢模台车，模板全长38m，每移动一次浇筑15m。

自鲁布革电站使用钢模台车以后，很
快在全国各工程中推广。

目前已使用这种钢模台车的洞径为9.5m。

在国内大断面使用钢模台车已经非常成熟，但在矿山上应用较少，矿山上大
坡度、小断面独头掘进时，利用钢模板台车施工时，不能实现掘砌平行作业。

2工况分析
瓮福磷矿穿岩洞矿80万吨/年地下矿山项目辅助斜坡道长1512m，其中420m
需要衬砌，斜坡道基本参数如下：巷道净宽5m，净断面17.58㎡，坡度12%，斜
坡道断面小，坡度大，独头掘进工程量大。

辅助斜坡道计划工期：14个月，计划开工日期2019年8月1日，由于征地、搬迁、疫情影响，整个工期被耽误3个月，斜坡道工期仅剩下11个月，11个月
需要掘进1512m，衬砌420m（钢模台车衬砌时，边、顶一次性成型），工期无法
保障。

为了保质保量按期完成斜坡道工程施工，对地下矿山斜坡道钢模台车混凝土
衬砌施工技术应用进行研究，将原钢模台车改装成穿行式钢模台车、研制出混凝
土衬砌钢模台车液压行走系统，运用地下矿山大坡度小断面巷道钢模台车混凝土
衬砌穿行式施工技术，实现了地下矿山小断面巷道掘砌平行作业，确保按期完工。

3钢模台车改装原理
钢模台车改装原理如下：
（1）钢模台车用于混凝土衬砌作业，坑道车用于掘进出渣作业，钢模台车
整体为“门”字形形状并且其下方设置为运输通道，坑道车能够在该运输通道中
穿行。

取消钢模台车下部支撑横岭梁，在台车上搁置多根定位撑，通过行走机构
运行至衬砌施工点，定位撑的一端与钢模台车连接，另一端插入衬砌施工点处的
围岩内固定钢模台车。

图1 钢模台车改装前设计示意图
图2 钢模台车改装后设计示意图
（2）钢模台车左右两侧安装行走机构和液压驱动装置，液压驱动装置为行走机构的运行提供动力，研制的液压行走系统由左右对称布置的两根移动滑槽、两个长程液压油缸（每一次行程80cm)、四个滑动支座、四个液压立柱、四个平移底座组成。

图3 钢模台车安装液压行走系统前设计示意图
图4 钢模台车安装的液压行走系统后设计示意图
4钢模台车改装
地下矿山斜坡道钢模台车混凝土衬砌施工技术，包括钢模台车和坑道车，钢模台车用于混凝土衬砌施工，坑道车用于运出掘进施工所产生的石渣。

4.1“门”字改装
钢模台车下方输送通道横断面尺寸为：宽×高=3150mm×2930mm。

取消钢模台车下部支撑横岭梁，在台车上搁置多根定位撑，通过行走机构运行至衬砌施工点，定位撑的一端与所述钢模台车1螺纹固定连接，定位撑的另一端插入该衬砌施工点处的围岩内，采用树脂药卷锚固，锚固长度500mm。

定位撑数量为6根，采用钢筋制成，定位撑公称直径不小于
φ25mm。

图5 钢模台车改装实物图（改装中）
图6 钢模台车改装后衬砌作业图
4.2增设构件
混凝土衬砌钢模台车增设液压行走系统，行走机构数量为偶数，并且按数量对称部署于钢模台车左右两侧。

图7 钢模台车增设的液压行走系统图
4.3施工工艺及方法
对改装后的钢模台车进行衬砌施工，采用可移动钢模台车+泵送混凝土+附着式振捣器施工工艺进行施工。

4.3.1斜坡道掘砌平行作业
本科研项目研制出一种地下矿山斜坡道掘砌平行作业施工装置，实现掘砌平行作业。

在钢模台车进入斜坡道前完成巷道两帮500mm边墙施工，为了防止钢模台车浇筑混凝土跑浆漏浆，边墙需“平、顺、直、齐”。

钢模台车用于混凝土衬砌施工，坑道车用于掘进出渣作业，坑道车能够在该输送通道中穿行，使掘进与衬砌施工平行作业，提高了工作效率。

同时，选用可穿行的小型混凝土罐车为掘进作业面的锚网喷支护喷浆作业供料。

图8 辅助斜坡道掘砌平行作业图
（1）施工平面布置
施工平面布置如图2.3-1所示，为了便于坑道出渣车进出，把混凝土罐车和
地泵布置在衬砌附近的调车硐室，混凝土输送管沿墙壁布置，进行混凝土浇筑。

钢模台车衬砌距离掘进作业面不小于300m。

图9施工平面布置图
（2）坑道车穿行安全间隙
坑道车穿行钢模台车安全间隙，左右各500mm，离顶部钢模台车450mm。

满
足穿行安全要求。

如下图所示：
图10安全间隙示意图
4.3.2钢模台车行走
研制的混凝土衬砌钢模台车液压行走系统应用于大纵坡巷道的衬砌钢模台车，可以有效提高就位精度，保证施工安全和进度。

钢模行走由两根移动滑槽、两个
长程液压油缸（每一次行程80cm)、四个滑动支座、四个液压立柱、四个平移底
座相互配合完成。

具体操作步骤如下：
（1）升起液压立柱，由滑动支座支撑钢模台车；
（2）操作平移油缸使平移底座沿移动滑槽向前移动；
（3）收缩液压立柱，由平移底座支撑钢模台车；
（4）操作动力油缸，使钢模台车整体向前移动。

4.3.3钢模台车就位
滑枕竖向油缸上、下运动台车可作纵向调整，安装在滑枕上的横移油缸可使台车横向调整。

纵向、横向稳定原理解决纵向稳定问题，下有底座竖向油缸支撑，上有抗浮千斤顶固定，增加了整个台车的稳定性，横向稳定装置是两对可定位的伸缩千斤顶，安装在前后抗浮架上，当台车调整后，旋紧千斤顶，支撑横梁，保证台车横向稳定。

4.3.3.1立模
钢模台车就位后，即可进行立模工作，立模步骤如下：
（1) 利用液压行走系统将钢模台车行走到衬砌位置；
（2) 操作竖向油缸，将钢模台车前后底座支承牢固；
（3) 操作侧向油缸、顶模油缸，调整左、右边模及顶模就位。

旋紧螺旋千
斤顶，将模板支承牢固；
（4) 采用测量仪器，操作竖向油缸和横向油缸调整，使模板断面与巷道断
面中心重合一致；
（5)端头模：采用木模立模封堵。

4.3.3.2钢模台车固定
钢模台车上采用6根定位拉杆，当钢模台车通过行走机构运行至衬砌施工点时，定位拉
杆的一端与钢模台车螺纹固定连接，定位拉杆的另一端插入该衬砌施工点处的围岩内，采用
树脂药卷锚固，锚固长度500mm。

定位拉杆采用钢筋制成，定位拉杆公称直径不小于
φ25mm。

4.3.4混凝土浇筑
经检查，钢模台车就位验收合格后，即可进行混凝土浇筑。

浇筑之前，钢模
台车外表面需涂抹脱模剂，以减少脱模时的表面粘力。

浇筑输送口包括工作窗口
和浇筑口。

浇筑时，先从钢模台车模板侧排工作窗口进行浇筑，浇筑至混凝土快
要平齐工作窗口时，暂停浇筑，进行插入式振捣棒振捣，待振捣充分后，依次关
闭工作窗口，再从起拱处第二排工作窗口进行浇筑，操作同上。

两侧的混凝土浇
筑均匀上升，最后通过浇筑口封顶，并采用附壁式振捣器振捣。

（1）边模浇筑
边模浇筑开始，混凝土由边模上的工作窗口进料。

为了保证台车的受力均匀
和浇筑质量，边模浇筑时应该调整左右模的混凝土浇筑，使其两边的混凝土表面
高度差不大于50cm，浇筑一定高度后要进行必要的振捣工作。

（2）顶模浇筑及养护
边模浇筑后再进行顶模浇筑，混凝土由顶模的注浆口进入，进行浇筑。

浇筑
过程中应随时观察浇筑的情况，当混凝土浇筑满时，应立即停止砼浇筑泵的输送，并推进顶模浇筑口插销板封住浇筑窗口，完成后，进行附着式振捣。

所有模面浇
筑完成后，在拆模之前将进行24小时左右的混凝土养护，确保其浇筑质量。

在
浇筑过程中要注意以下几点:
1)在每次浇筑前，应检查丝杠、千斤顶是否有松动，防止在浇筑时台车变形。

2)浇筑时，混凝土最大下落高度不超过2m，左右两侧混凝土高度差不超过
500mm。

3)浇筑到通过浇筑口封顶的后期，必须控制进料速度，待混凝土注满后即可
封闭观察口。

（3）浇筑过程
a 下料方式：采用混凝土输送泵浇注混凝土，侧排工作窗口和顶部浇筑口入仓；
b 混凝土坍落度为160～180mm；
c 采用8个附着式平板振捣器（第一排的4个离地面高度1700mm，第二排的4个位于巷道起拱下方）和插入式振捣棒联合振捣；
d 浇注持续时间约5h；
e 混凝土养护时间24h、脱模1h。

f 混凝土质量:
第一仓脱模后，出现局部细微麻面，巷道成型良好。

针对第一仓混凝土浇筑成型后的质量效果，在经过对混凝土原材料及搅拌质量的改进提升和浇筑过程的精度控制下，进行第二、三仓试验，试验结果：巷道成型良好。

图11巷道成型质量效果图
4.3.5脱模
浇筑完成之后，必须让混凝土凝固一定时间后才能进行脱模。

脱模按以下几步进行:
(1)现场取混凝土试样同条件养护检测，待达到0.05~0.25MPa后进行脱模。

(2)拆掉侧向千斤顶、对地丝杠千斤顶和端头模。

(3)启动液压系统，操作手动换向阀手柄，操作侧向油缸，使左右边模脱离衬砌面，油缸收缩行程为190mm~300mm。

(4)收起基础千斤顶。

(5)操作手动换向阀手柄，控制竖向油缸。

使钢模台车钢模顶面全部脱离衬
砌表面。

油缸收缩时，必须分次收缩，切忌一次性强制脱模。

油缸收缩行程为
150mm~ 250mm。

4.4进度成果分析
（1）研制出混凝土衬砌钢模台车液压行走系统，解决了钢模台车行走困难
的问题，将原钢模台车安装液压行走系统后，一个衬砌施工循环移动时间缩短3h，改装前后衬砌施工循环时间图如下：
图12 钢模台车改装前衬砌施工循环图
图13 钢模台车改装后衬砌施工循环图
（2）衬砌420m，掘砌顺序作业时，衬砌需要3.5个月，地下矿山斜坡道钢
模台车混凝土衬砌施工技术实现了掘砌平行作业，缩短工期3.5个月。

改装前后
作业进度图如下：
图14钢模台车改装前作业进度图
图15 钢模台车改装后作业进度图
4.5技术经济分析
通过对地下矿山斜坡道钢模台车混凝土衬砌施工技术应用及研究，在辅助斜坡道联合支护段运用穿行式钢模台车进行衬砌施工，实现掘进与衬砌平行作业。

掘进完成1512m，掘进进度为：150m/月，完成该掘进工作需要10.1月，衬砌完成420m，衬砌进度为：120m/月，衬砌3.5月。

具体节约费用明细表如下：
（1）研制出混凝土衬砌钢模台车液压行走系统，解决了钢模台车行走困难的问题，移动时间缩短，节约人力及物力27万元；
表1 节约费用明细表
（2）通过对钢模台车改装，实现了地下矿山小断面巷道掘砌平行作业。

完善施工管理，消除施工安全隐患，确保了施工安全、质量及进度的要求，缩短工程工期3.5个月，为公司及作业队节约直接费和间接费148万元。

表2 节约费用明细表
5结束语
通过对地下矿山斜坡道钢模台车混凝土衬砌施工技术应用及研究，实现了地下矿山小断面巷道掘砌平行作业，保证了工程工期，保质保量并提前完成辅助斜坡道的施工，为后续中段和采切巷道的施工创造了有利的条件。

研制出混凝土衬砌钢模台车液压行走系统，解决了钢模台车行走困难的问题，移动时间缩短，节约人力及物力，缩短建设工期，为公司及作业队节约大量的直接费和间接费。

图16辅助斜坡道与1020中段提前顺利贯通
研究过程中，项目科研工作人员运用理论技术不断地完善实际施工进程，并提出优化改进措施，结合国内外成功的地下矿山巷道掘进与衬砌平行作业施工经
验，通过收集并分析钢模台车改装（取消台车下部支撑横岭梁，增设液压行走系统）、改装后移动就位、混凝土浇筑试验、出渣车辆通行试验各个阶段的数据，
分析试验成本以及所取得的试验结果，实现了地下矿山小断面巷道掘砌平行作业，消除施工安全隐患，确保了施工质量进度的要求，可为类似地下矿山巷道及隧道
施工提供可借鉴的实践经验和技术保障，经济效益和社会效益非常明显。

6参考文献
[1]《井巷工程》东兆星、刘刚，徐州：中国矿业大学出版社，2013.
[2]《大坡率隧道衬砌台车固定施工技术》刘晶，山西：山西建筑2018年12期.
[3]《公路隧道施工技术规范》中交第一公路工程局有限公司，人民交通出
版社2009.
[4]《矿井通风》喻晓峰，重庆：重庆大学出版社，2010.
[5]《矿山安全工程》陈宝智，北京：冶金工业出版社，2009.。