水利工程TBM掘進(jìn)機法與鉆爆法技術(shù)經(jīng)濟對比分析論文
摘 要：通過(guò)列舉引水工程的地下隧洞設計實(shí)例，將水利工程中的TBM掘進(jìn)機法與鉆爆法施工工藝、費用的比較分析，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。
關(guān)鍵詞：TBM掘進(jìn)機 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。這種方法適應性強，較為經(jīng)濟，是隧洞開(kāi)挖中最為傳統、常規的施工方法。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、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3個(gè)循環(huán)。根據隧洞不同的地質(zhì)條件、洞徑和進(jìn)洞長(cháng)度等因素，一般鉆爆法洞挖進(jìn)尺為60～180m/月。
TBM掘進(jìn)機法是一種用機械破碎巖石、出渣與支護實(shí)行連續作業(yè)的綜合設備，它是由盾構技術(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)機它由電動(dòng)機驅動(dòng)主軸旋轉、對刀盤(pán)施加一定壓力、使其貼近巖壁、通過(guò)刀盤(pán)上裝設的盤(pán)形滾刀破碎巖石、使隧洞斷面一次成型的大型工程機械。TBM堪稱(chēng)一個(gè)移動(dòng)工廠(chǎng)，它是一種集機、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設備，可以實(shí)現連續掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出碴、支護及運輸等作業(yè)，實(shí)現工廠(chǎng)化施工，單工作面掘進(jìn)速度較快，效率較高。目前TBM按護盾形式主要分為：開(kāi)敞式TBM、單護盾TBM、雙護盾TBM三種形式。根據隧洞不同的地質(zhì)條件、洞徑等因素，TBM法洞挖綜合進(jìn)尺一般為500～800m/月。
2017年水利設計院承接《海南省屯昌縣大邊河～木色水庫引水工程》的可行性研究報告，在報告中對掘進(jìn)機法、鉆爆法兩者的技術(shù)經(jīng)濟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庫區，引水線(xiàn)路長(cháng)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(cháng)度長(cháng)，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)條件復雜。隨著(zhù)埋深加大，在圍巖大應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)隧洞運輸過(guò)程中，運輸效率低、強度大，運輸成本高，交通管理風(fēng)險點(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、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)濟分析比較最終采用了TBM掘進(jìn)機法加鉆爆法相結合作為推薦方案。
2.施工綜合對比分析
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的施工方法，其優(yōu)點(diǎn)是適應性強，機動(dòng)靈活，技術(shù)成熟，可靠性高，造價(jià)相對較低；缺點(diǎn)是單工作面進(jìn)尺施工速度較慢，掘進(jìn)長(cháng)度有所限制，作業(yè)環(huán)境較差，勞動(dòng)強度大。TBM法的優(yōu)點(diǎn)是單工作面掘進(jìn)長(cháng)度較長(cháng)，能夠減少支洞數量；單向進(jìn)尺施工進(jìn)度快，施工機械化、自動(dòng)化程度高；洞內施工環(huán)境相對較好。缺點(diǎn)是前期設備投入大，維修不便，造價(jià)較高；對承包商的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)要求高，可擇優(yōu)選擇的承包商較少；對外交通道路要求較高，須滿(mǎn)足大件設備運輸要求；對地質(zhì)條件的適應性較差。其施工綜合對比分析如表1。
3.投資分析
3.1TBM設施及價(jià)格
全斷面巖石隧道掘進(jìn)機設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)濟實(shí)力來(lái)購買(mǎi)全套設備。一臺國外名牌TBM主機對中硬巖一般壽命可掘進(jìn)40～50km，而往往有些工程施工洞長(cháng)只有10多公里或20多公里。例如在海南省屯昌縣大邊河～木色水庫引水工程中，所采用的TBM機為直徑3.5m的雙護盾掘進(jìn)機，主機4500萬(wàn)元，后配套及輔助設備3000萬(wàn)元，合計約7500萬(wàn)元。本工程13.8km隧洞，整機的設備費全部分攤到該工程的每延米成洞費用中，并沒(méi)有按常規的掘進(jìn)機壽命進(jìn)行折舊，分攤成本。
3.2隧洞成洞總費用分析
隧洞成洞總費用可以按兩個(gè)方面來(lái)分析：一是隧道開(kāi)挖成洞、初期支護襯砌、二期襯砌；二是一次性購買(mǎi)設備的費用。前者是工程上施工的需要，后者需要承包商有足夠的經(jīng)濟實(shí)力，兩個(gè)條件缺一不可。
從目前國內掘進(jìn)機施工工程的造價(jià)數據分析來(lái)看，掘進(jìn)機的成洞、襯砌的費用一般都要高于鉆爆法。其原因主要有以下三方面。
�、倬蜻M(jìn)機全套設備折舊費的計算方法不同，一般是按照20km的掘進(jìn)長(cháng)度分攤。而實(shí)際中，大部分承包商都是將掘進(jìn)機系統的折舊費分攤到一個(gè)工程的長(cháng)度上。因為該套掘進(jìn)機的直徑、配套設備不一定適用后期的工程。這樣就造成了分攤到每延米的折舊費大幅度的提高，也就大大增加了掘進(jìn)機成洞的費用。
�、谂c傳統的鉆爆法相比，掘進(jìn)機法不需要爆破，減少對隧洞圍巖的擾動(dòng)。這樣掘進(jìn)機在開(kāi)挖隧洞時(shí)，初期支護、二期鋼筋混凝土襯砌的厚度可較鉆爆法略薄。根據隧洞新奧法施工工藝原理，圍巖等級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用，進(jìn)而也降低了掘進(jìn)機成洞總費用。目前我國隧洞混凝土襯砌的規范僅限于鉆爆法，并沒(méi)有掘進(jìn)機成洞混凝土襯砌的規范，掘進(jìn)機隧洞的襯砌還是沿用鉆爆法的襯砌，所以掘進(jìn)機開(kāi)挖及鉆爆法的混凝土襯砌的組合提高了掘進(jìn)機成洞的總費用。
�、劬蜻M(jìn)機系統運行管理費相對較高。由于TBM法施工對設備、施工技術(shù)和技術(shù)人員要求高，TBM法一般需經(jīng)歷更為復雜的設備選型、采購招評標、TBM設計與制造、海運、通關(guān)，大件運輸、組裝和調試，試掘進(jìn)直至正式掘進(jìn)的復雜艱難歷程，往往一個(gè)環(huán)節出現問(wèn)題，都將造成重大的工期耽誤。根據國內相關(guān)工程經(jīng)驗，TBM法其設計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、設備風(fēng)險和技術(shù)管理風(fēng)險等各種風(fēng)險，容易因上述原因造成不可預見(jiàn)的工期損失和投資損失，工期和投資保證性相對較差。
鑒于以上所述，只有正確的設備選型、高水平的管理、穩健快速的進(jìn)尺、優(yōu)化的襯砌、合理的計算折舊是降低掘進(jìn)機成洞總費用的有效措施。特別是對長(cháng)度3km以上的隧洞使用掘進(jìn)機成洞的總費用會(huì )比鉆爆法少或者與之持平。
4.結論
總之，TBM這一新技術(shù)在我國地下工程中，逐步推廣并取得了初步的經(jīng)驗和良好效果。今后將會(huì )對我國地下工程的發(fā)展帶來(lái)重大的影響。
參考文獻：
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