水利工程TBM掘進(jìn)機(jī)法與鉆爆法技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

李景鋼

摘 要：通過(guò)列舉引水工程的地下隧洞設(shè)計(jì)實(shí)例，將水利工程中的TBM掘進(jìn)機(jī)法與鉆爆法施工工藝、費(fèi)用的比較分析，突出TBM施工工藝的優(yōu)越性，為今后的隧洞掘進(jìn)施工和編制施工造價(jià)，提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：TBM掘進(jìn)機(jī) 鉆爆法施工 造價(jià)分析

1.概述

在隧洞開(kāi)挖施工過(guò)程中，通常采用的是鉆爆法。鉆爆法是通過(guò)在巖體上鑿出一定孔徑和深度的炮眼、并裝上火藥進(jìn)行爆破開(kāi)挖巖石的方法。這種方法適應(yīng)性強(qiáng)，較為經(jīng)濟(jì)，是隧洞開(kāi)挖中最為傳統(tǒng)、常規(guī)的施工方法。鉆爆法的基本施工過(guò)程有鉆孔、裝藥放炮、排煙通風(fēng)、清撬、支護(hù)、出渣。一般情況下，鉆爆法一天可以掘進(jìn)2個(gè)循環(huán)，最高可達(dá)3個(gè)循環(huán)。根據(jù)隧洞不同的地質(zhì)條件、洞徑和進(jìn)洞長(zhǎng)度等因素，一般鉆爆法洞挖進(jìn)尺為60～180m/月。

TBM掘進(jìn)機(jī)法是一種用機(jī)械破碎巖石、出渣與支護(hù)實(shí)行連續(xù)作業(yè)的綜合設(shè)備，它是由盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。主要適用硬巖，一般用在山嶺隧道或大型引水工程。TBM掘進(jìn)機(jī)它由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)、對(duì)刀盤(pán)施加一定壓力、使其貼近巖壁、通過(guò)刀盤(pán)上裝設(shè)的盤(pán)形滾刀破碎巖石、使隧洞斷面一次成型的大型工程機(jī)械。TBM堪稱一個(gè)移動(dòng)工廠，它是一種集機(jī)、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出碴、支護(hù)及運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，實(shí)現(xiàn)工廠化施工，單工作面掘進(jìn)速度較快，效率較高。目前TBM按護(hù)盾形式主要分為：開(kāi)敞式TBM、單護(hù)盾TBM、雙護(hù)盾TBM三種形式。根據(jù)隧洞不同的地質(zhì)條件、洞徑等因素，TBM法洞挖綜合進(jìn)尺一般為500～800m/月。

2017年水利設(shè)計(jì)院承接《海南省屯昌縣大邊河～木色水庫(kù)引水工程》的可行性研究報(bào)告，在報(bào)告中對(duì)掘進(jìn)機(jī)法、鉆爆法兩者的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較給出了較好的詮釋。該工程位于海南省屯昌縣、瓊中縣，從瓊中縣大邊河上游引水至屯昌縣木色水庫(kù)庫(kù)區(qū)，引水線路長(zhǎng)約13.8km。該工程存在以下施工重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（1）隧洞單頭掘進(jìn)長(zhǎng)度長(zhǎng)，開(kāi)挖斷面小。隧洞斷面僅為10㎡。斷面小、供電、供風(fēng)、排水、排煙、出碴等存在困難。

（2）隧洞埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著埋深加大，在圍巖大應(yīng)力和高水壓力作用下，也容易誘發(fā)塌方、冒頂以及涌水等問(wèn)題。

（3）隧洞交通運(yùn)輸困難。由于本工程穿越崇山峻嶺，支洞布置困難，施工道路窄、坡度大，整個(gè)隧洞運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸效率低、強(qiáng)度大，運(yùn)輸成本高，交通管理風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，管理困難。

（4）隧洞施工工序多，干擾大。隧洞施工過(guò)程中，開(kāi)挖、出渣、支護(hù)、灌漿、襯砌等工序存在平行施工，如何合理組織施工確保各工序順利進(jìn)行是本工程的重點(diǎn)之一。

綜上所述，本工程經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較最終采用了TBM掘進(jìn)機(jī)法加鉆爆法相結(jié)合作為推薦方案。

2.施工綜合對(duì)比分析

鉆爆法和TBM掘進(jìn)法各有優(yōu)缺點(diǎn)。鉆爆法是目前隧洞施工最成熟和傳統(tǒng)的施工方法，其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)靈活，技術(shù)成熟，可靠性高，造價(jià)相對(duì)較低；缺點(diǎn)是單工作面進(jìn)尺施工速度較慢，掘進(jìn)長(zhǎng)度有所限制，作業(yè)環(huán)境較差，勞動(dòng)強(qiáng)度大。TBM法的優(yōu)點(diǎn)是單工作面掘進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，能夠減少支洞數(shù)量；單向進(jìn)尺施工進(jìn)度快，施工機(jī)械化、自動(dòng)化程度高；洞內(nèi)施工環(huán)境相對(duì)較好。缺點(diǎn)是前期設(shè)備投入大，維修不便，造價(jià)較高；對(duì)承包商的專業(yè)素質(zhì)要求高，可擇優(yōu)選擇的承包商較少；對(duì)外交通道路要求較高，須滿足大件設(shè)備運(yùn)輸要求；對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差。其施工綜合對(duì)比分析如表1。

3.投資分析

3.1TBM設(shè)施及價(jià)格

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的一次性投資成本較高，這就要求施工承包單位有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)力來(lái)購(gòu)買全套設(shè)備。一臺(tái)國(guó)外名牌TBM主機(jī)對(duì)中硬巖一般壽命可掘進(jìn)40～50km，而往往有些工程施工洞長(zhǎng)只有10多公里或20多公里。例如在海南省屯昌縣大邊河～木色水庫(kù)引水工程中，所采用的TBM機(jī)為直徑3.5m的雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)，主機(jī)4500萬(wàn)元，后配套及輔助設(shè)備3000萬(wàn)元，合計(jì)約7500萬(wàn)元。本工程13.8km隧洞，整機(jī)的設(shè)備費(fèi)全部分?jǐn)偟皆摴こ痰拿垦用壮啥促M(fèi)用中，并沒(méi)有按常規(guī)的掘進(jìn)機(jī)壽命進(jìn)行折舊，分?jǐn)偝杀尽?img src="https://cimg.fx361.com/images/2018/07/11/qkimageszjsyzjsy201810zjsy20181025-1-l.jpg"/>

3.2隧洞成洞總費(fèi)用分析

隧洞成洞總費(fèi)用可以按兩個(gè)方面來(lái)分析：一是隧道開(kāi)挖成洞、初期支護(hù)襯砌、二期襯砌；二是一次性購(gòu)買設(shè)備的費(fèi)用。前者是工程上施工的需要，后者需要承包商有足夠的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，兩個(gè)條件缺一不可。

從目前國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)施工工程的造價(jià)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，掘進(jìn)機(jī)的成洞、襯砌的費(fèi)用一般都要高于鉆爆法。其原因主要有以下三方面。

①掘進(jìn)機(jī)全套設(shè)備折舊費(fèi)的計(jì)算方法不同，一般是按照20km的掘進(jìn)長(zhǎng)度分?jǐn)?。而?shí)際中，大部分承包商都是將掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的折舊費(fèi)分?jǐn)偟揭粋€(gè)工程的長(zhǎng)度上。因?yàn)樵撎拙蜻M(jìn)機(jī)的直徑、配套設(shè)備不一定適用后期的工程。這樣就造成了分?jǐn)偟矫垦用椎恼叟f費(fèi)大幅度的提高，也就大大增加了掘進(jìn)機(jī)成洞的費(fèi)用。

②與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，掘進(jìn)機(jī)法不需要爆破，減少對(duì)隧洞圍巖的擾動(dòng)。這樣掘進(jìn)機(jī)在開(kāi)挖隧洞時(shí)，初期支護(hù)、二期鋼筋混凝土襯砌的厚度可較鉆爆法略薄。根據(jù)隧洞新奧法施工工藝原理，圍巖等級(jí)高的隧洞可以不襯砌，這樣就可以降低初期及二期襯砌的費(fèi)用，進(jìn)而也降低了掘進(jìn)機(jī)成洞總費(fèi)用。目前我國(guó)隧洞混凝土襯砌的規(guī)范僅限于鉆爆法，并沒(méi)有掘進(jìn)機(jī)成洞混凝土襯砌的規(guī)范，掘進(jìn)機(jī)隧洞的襯砌還是沿用鉆爆法的襯砌，所以掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖及鉆爆法的混凝土襯砌的組合提高了掘進(jìn)機(jī)成洞的總費(fèi)用。

③掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行管理費(fèi)相對(duì)較高。由于TBM法施工對(duì)設(shè)備、施工技術(shù)和技術(shù)人員要求高，TBM法一般需經(jīng)歷更為復(fù)雜的設(shè)備選型、采購(gòu)招評(píng)標(biāo)、TBM設(shè)計(jì)與制造、海運(yùn)、通關(guān)，大件運(yùn)輸、組裝和調(diào)試，試掘進(jìn)直至正式掘進(jìn)的復(fù)雜艱難歷程，往往一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都將造成重大的工期耽誤。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，TBM法其設(shè)計(jì)和施工不可避免地會(huì)面臨比鉆爆法更大更多的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)管理風(fēng)險(xiǎn)等各種風(fēng)險(xiǎn)，容易因上述原因造成不可預(yù)見(jiàn)的工期損失和投資損失，工期和投資保證性相對(duì)較差。

鑒于以上所述，只有正確的設(shè)備選型、高水平的管理、穩(wěn)健快速的進(jìn)尺、優(yōu)化的襯砌、合理的計(jì)算折舊是降低掘進(jìn)機(jī)成洞總費(fèi)用的有效措施。特別是對(duì)長(zhǎng)度3km以上的隧洞使用掘進(jìn)機(jī)成洞的總費(fèi)用會(huì)比鉆爆法少或者與之持平。

4.結(jié)論

總之，TBM這一新技術(shù)在我國(guó)地下工程中，逐步推廣并取得了初步的經(jīng)驗(yàn)和良好效果。今后將會(huì)對(duì)我國(guó)地下工程的發(fā)展帶來(lái)重大的影響。

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