地下隧洞施工鉆爆法與TBM掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比研究

南海蛟

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

0 引 言

隧洞開挖中全斷面掘進(jìn)機(jī)法(TBM)和鉆爆法作為兩種基本方法，應(yīng)綜合比較工程投資、施工環(huán)境、沿線地質(zhì)、工程特點(diǎn)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，選擇合理的施工方法[1-2]。實(shí)際工程中，鉆爆法為隧洞施工開挖普遍選用的方法[3]。鉆爆法開挖爆破巖石時(shí)存在適用性強(qiáng)、較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其施工過程主要有鉆出一定深度、孔徑的炮眼→裝入火藥→爆破開挖→通風(fēng)排煙→清撬支護(hù)→出渣→再次循環(huán)，該方法屬于最為常規(guī)、傳統(tǒng)的隧洞開挖法。通常情況下，一天內(nèi)鉆爆法能夠循環(huán)掘進(jìn)2次，甚至達(dá)到3次，考慮隧洞的進(jìn)洞長度、洞經(jīng)、地質(zhì)條件等因素，鉆爆法的挖進(jìn)尺范圍為60-180m/月。

在盾構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的TBM掘進(jìn)機(jī)法，主要適用于硬巖山嶺隧洞或大型引水工程。全斷面掘進(jìn)機(jī)的產(chǎn)品種類繁多，經(jīng)過多年的發(fā)展其施工技術(shù)基本完善，隧洞掘進(jìn)速度快且?guī)r層適應(yīng)能力強(qiáng)，TBM掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)已在鐵路、公路、水利等行業(yè)的隧洞開挖中得到廣泛的應(yīng)用，并已成為隧洞開挖中的首選施工機(jī)具[4]。TBM掘進(jìn)機(jī)法能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的機(jī)械破碎、支護(hù)、出渣等操作，通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸向刀盤施加壓力，然后對隧洞巖石利用盤形滾刀破碎，從而完成斷面的一次成型。TBM可以稱為能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)的移動(dòng)工程，屬于一種集信息技術(shù)、傳感、液壓、機(jī)電于一體的綜合成套設(shè)備，在完成機(jī)械運(yùn)輸、出渣支護(hù)、破巖作業(yè)的情況下實(shí)現(xiàn)工廠化施工，掘進(jìn)單工作面時(shí)存在效率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前，按照護(hù)盾形式可將TBM分為單護(hù)盾、雙護(hù)盾和開敞式三種類型。考慮隧洞的洞經(jīng)、地質(zhì)條件等因素，TBM掘進(jìn)機(jī)法的綜合進(jìn)尺范圍為500-800m/月。

遼東半島東部某引調(diào)水工程等別為Ⅰ等，設(shè)計(jì)取水規(guī)模60m3/s，引水線路長12.6km，隧洞沿線深埋于混合巖、變質(zhì)砂巖及弱風(fēng)化-微風(fēng)化花崗巖內(nèi)，圍巖類型以Ⅱ-Ⅲ類為主，平均抗壓強(qiáng)度處于60-120MPa范圍。可行性研究報(bào)告較好的詮釋了鉆爆法、掘進(jìn)機(jī)法的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，該工程存在的施工難點(diǎn)與重點(diǎn)如下：①掘進(jìn)距離長、開挖斷面小，該引調(diào)水工程的隧洞斷面為12m2，出渣支護(hù)、排煙排水、供風(fēng)供電等作業(yè)難度大；②地質(zhì)條件復(fù)雜、隧洞埋深大，引水隧洞埋深較大，在高水壓力和圍巖大應(yīng)力作用下易誘發(fā)涌水、冒頂、塌方等問題；③交通條件差、輸送難度高，引水工程地下隧洞穿越崇山峻嶺，隧洞布置困難且施工道路狹窄，運(yùn)輸效率低、成本高、強(qiáng)度大，運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)和管理難度大；④施工干擾大、工序多，隧洞施工過程中存在平行施工的襯砌、灌漿、支護(hù)、出渣、開挖等工序，為保證各工序順利實(shí)施應(yīng)合理組織施工。

水工隧洞支護(hù)形式按照隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定分為鋼拱架、噴混凝土、錨桿加固、不襯砌等形式，并且水工隧洞支護(hù)方式受開挖方式的影響較大?？偠灾?，文章通過比較分析方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，確定最佳方案法是鉆爆法與TBM掘進(jìn)機(jī)法相結(jié)合的方法。

1 經(jīng)濟(jì)對比分析

1.1 施工對比

以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)存在明顯差異，具體如下：隧洞開挖中鉆爆法屬于應(yīng)用成熟的傳統(tǒng)施工方法，存在造價(jià)相對較低、可靠性高、技術(shù)成熟、機(jī)動(dòng)靈活和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)有勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、掘進(jìn)長度受限、單工作面進(jìn)尺施工速度慢等。TBM法存在自動(dòng)化程度高、施工環(huán)境好、可減少支洞數(shù)量、單工作面掘進(jìn)長度長及單向進(jìn)尺施工速度快等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)有地質(zhì)條件適應(yīng)性較差、對外交通道路要求較高、對承包商專業(yè)素質(zhì)要求高、造價(jià)較高、維修不便、前期設(shè)備投入多等，施工時(shí)需滿足大件設(shè)備的運(yùn)輸要求且可擇優(yōu)選擇的承包商較少。綜合對比分析其工期、安全性、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益等因素，如表1所示。

表1 綜合對比分析

1.2 投資分析

1.2.1 TBM設(shè)施與價(jià)格

要購買全套的圍巖掘進(jìn)機(jī)施工承包單位必須有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)的投資成本較高。通常條件下，對于中硬巖的掘進(jìn)壽命名牌TBM主機(jī)達(dá)到40-50km，實(shí)際中10-20m長的施工隧洞最為常見[5]。例如，遼東半島東部某引調(diào)水工程選用直徑3.5m的雙護(hù)盾式TBM掘進(jìn)機(jī)，主機(jī)和配套輔助設(shè)備的總成本達(dá)7500萬元，地下隧洞掘進(jìn)長度12.6km，將全斷面掘進(jìn)機(jī)(TBM)的所有費(fèi)用分擔(dān)至每延米成洞中，其分?jǐn)偝杀据^高且未按常規(guī)的方法實(shí)施折舊。

1.2.2 隧洞成洞總費(fèi)用

隧洞成洞總費(fèi)用主要包括一次性購買設(shè)備費(fèi)以及初期支護(hù)襯砌、二期襯砌、隧道開挖成洞兩大部分，這也是實(shí)現(xiàn)隧洞成洞的必要條件，為滿足工程上施工的需要承包商應(yīng)有一定的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。通過對比分析掘進(jìn)機(jī)的成本數(shù)據(jù)，一般條件下鉆爆法低于掘進(jìn)機(jī)的襯砌、成洞費(fèi)用，其主要原因如下：①計(jì)算方法不同，通常按照20km分?jǐn)側(cè)珨嗝婢蜻M(jìn)機(jī)(TBM)全套設(shè)備折舊費(fèi)，而大多數(shù)承包商通常以一個(gè)工程長度分?jǐn)傉叟f費(fèi)，其原因?yàn)樵诤笃诠こ讨性撎拙蜻M(jìn)機(jī)的配套設(shè)備和直徑不一定適用；由此以來，大幅度提高了每延米上分?jǐn)偟恼叟f費(fèi)，使得掘進(jìn)機(jī)成洞費(fèi)用大大增加。②掘進(jìn)機(jī)法較傳統(tǒng)的鉆爆法能夠減少對隧洞圍巖的擾動(dòng)，該方法無需實(shí)施爆破作業(yè)，且在隧洞開挖過程中掘進(jìn)機(jī)的二期鋼筋混凝土襯砌、初期支護(hù)襯砌，其厚度較鉆爆法略薄。圍巖等級高的隧洞按照新奧法施工工藝原理，可以不實(shí)行隧洞襯砌，從而降低初期、二期襯砌以及掘進(jìn)機(jī)成洞的總費(fèi)用。目前，我國還沒有形成適用于掘進(jìn)機(jī)法的混凝土襯砌規(guī)范，現(xiàn)有的相關(guān)規(guī)范僅限于鉆爆法，仍以鉆爆法的襯砌作為掘進(jìn)機(jī)隧洞的襯砌方式，因此組合的鉆爆法混凝土襯砌及掘進(jìn)機(jī)開挖提高了成洞總費(fèi)用。③運(yùn)行管理費(fèi)較高，對于操作人員、工藝技術(shù)、機(jī)械設(shè)備TBM掘進(jìn)機(jī)具有較高的要求，一般地TBM法需經(jīng)歷比較復(fù)雜的調(diào)試、組裝、大件運(yùn)輸、海運(yùn)通關(guān)、TBM設(shè)計(jì)制造、采購招評標(biāo)、設(shè)備選型等過程，并且經(jīng)歷艱難復(fù)雜的正式掘進(jìn)和試掘進(jìn)，任一環(huán)節(jié)存在問題都將對項(xiàng)目整個(gè)工期造成重大影響。

實(shí)踐表明，在施工和設(shè)計(jì)過程中TBM法較鉆爆法，不可避免的會(huì)遇到地質(zhì)、設(shè)備、技術(shù)管理等更多更大的風(fēng)險(xiǎn)，受以上因素影響往往會(huì)造成難以預(yù)見的投資損失、工期延長，投資和工期保證程度低。對于大部分圍巖(Ⅲ類除外)類型，鉆爆法的造價(jià)指標(biāo)略低于TBM掘進(jìn)機(jī)法，并且造價(jià)指標(biāo)因圍巖類型的不同而存在較大偏差，所以在水利工程隧洞方案選擇要應(yīng)重點(diǎn)分析工程地質(zhì)條件，全面考慮技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)可行性，以Ⅲ類圍巖為主的工程優(yōu)先考慮TBM掘進(jìn)機(jī)法。綜上分析，為減少TBM掘進(jìn)法的總成本必須實(shí)行科學(xué)的折舊計(jì)算、襯砌優(yōu)化、快速穩(wěn)健的進(jìn)尺、高水平管理、正確的設(shè)備選型等措施。針對超過3km長的隧洞，掘進(jìn)機(jī)成洞總費(fèi)用能夠低于或者持平于鉆爆法。

2 結(jié) 語

為合理選定最佳的方法，還要考慮運(yùn)行維護(hù)、環(huán)境影響、施工工期、安全保障、征地占用、工藝條件等因素。在我國地下工程中TBM掘進(jìn)機(jī)法逐漸得到推廣和應(yīng)用，實(shí)踐表明該方法具有良好的應(yīng)用成效，可為推動(dòng)地下工程的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支撐。