敞開式TBM施工成本影響因素分析

郭利民

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

近年來中國鐵路建設(shè)取得了長足的發(fā)展，但西北、西南地區(qū)鐵路覆蓋率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。這些區(qū)域以山區(qū)地形為主，新建鐵路中越嶺隧道越來越多，TBM作為一種安全、高效的隧洞施工手段，越來越多地被應(yīng)用到隧洞施工中。TBM技術(shù)地質(zhì)適應(yīng)性較差，在軟弱圍巖及極硬巖中施工工程處理措施多、成本高。國內(nèi)外專家總結(jié)多年TBM施工經(jīng)驗(yàn)，得出若TBM開挖長度L與刀盤直徑D比值大于600或者長度大于3000m時(shí)，TBM是經(jīng)濟(jì)的[1]。近年來許多學(xué)者對TBM經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，何小新、吳慶鳴等學(xué)者提出了鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)經(jīng)濟(jì)比較模型[2],徐倩文對隧道成洞成本經(jīng)過研究給出了計(jì)算公式[3],周小松考慮了TBM施工工期效益和社會(huì)效益，對TBM施工經(jīng)濟(jì)性作出了評價(jià)[4]。但上述學(xué)者在評價(jià)TBM經(jīng)濟(jì)性的時(shí)候都是將整條隧道統(tǒng)一考慮，并未考慮不利地質(zhì)條件對TBM施工造價(jià)的影響，而往往影響TBM經(jīng)濟(jì)性及適用性的是TBM經(jīng)過不良地質(zhì)段的施工成本。本文以中天山隧道敞開式TBM施工圖紙為基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)角度分析單軸飽和抗壓強(qiáng)度、單位體積節(jié)理數(shù)、富水性、巖爆等對TBM施工經(jīng)濟(jì)性的影響，為隧道TBM施工經(jīng)濟(jì)性評價(jià)提供基礎(chǔ)。

1 影響TBM施工的工程因素

1.1 不同工況下TBM施工措施

在TBM隧道施工設(shè)計(jì)中，根據(jù)圍巖級別、單軸飽和抗壓強(qiáng)度、富水性、單位體積節(jié)理數(shù)和地應(yīng)力采取不同的工程處理措施。中天山隧道采用敞開式880TBM施工，處理措施及工程量見表1～表5。

表1 襯砌類型與圍巖分級對應(yīng)表

表2 支護(hù)類型及參數(shù)

表3 工程數(shù)量

表4 鋼架材料(榀)

表5 二襯鋼筋(每延米)

1.2 影響TBM施工工程措施的因素

分析上述表格，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，可以看出影響TBM施工的因素按重要程度依次為：單軸飽和抗壓強(qiáng)度、單位體積節(jié)理數(shù)、富水性、巖爆(高地應(yīng)力)，現(xiàn)對主要因素進(jìn)行分析。

1.2.1 單軸飽和抗壓強(qiáng)度

巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度是影響TBM施工工程措施的一個(gè)主要因素。當(dāng)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度過低，即為軟弱巖石時(shí)，圍巖自身承載能力不足，變形過大，施工中容易造成TBM卡阻。對于小于30MPa的較軟巖和30～60MPa的堅(jiān)硬巖采用A1、A2襯砌類型，全斷面采用鋼架+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土形式來保證開挖斷面的穩(wěn)定性，半圓以上采用系統(tǒng)錨桿防止洞頂局部失穩(wěn)及落石。而當(dāng)單軸飽和抗壓強(qiáng)度過高時(shí)，TBM掘進(jìn)困難，刀具磨損嚴(yán)重。單軸飽和抗壓強(qiáng)度主要影響開挖面整體穩(wěn)定性及掘進(jìn)速度，進(jìn)而影響到TBM的掘進(jìn)成本。研究不同單軸飽和抗壓強(qiáng)度下TBM施工對于隧洞TBM適應(yīng)性評價(jià)極為重要。

1.2.2 單位體積節(jié)理數(shù)

圍巖完整性是影響TBM施工工程措施的另一個(gè)主要因素，單位體積節(jié)理數(shù)主要影響斷面開挖后的局部失穩(wěn)及掉塊，需要采取工程措施防止其發(fā)生。對單軸飽和抗壓強(qiáng)度在60～130MPa之間的堅(jiān)硬巖，單位體積節(jié)理數(shù)大于20的Ⅳ類圍巖，采用A2類襯砌類型；對單位體積節(jié)理數(shù)在16～20之間的Ⅲ類圍巖，采用A3類襯砌類型；對單位體積節(jié)理數(shù)在10～16之間的Ⅲ類圍巖，采用A4類襯砌類型；對單位體積節(jié)理數(shù)6～10之間的Ⅲ類圍巖，采用A5類襯砌類型；對單位體積節(jié)理數(shù)3～6的Ⅱ類圍巖，采用A6類襯砌類型。分析A2～A6初期支護(hù)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)單位體積節(jié)理數(shù)大于20時(shí)，對開挖斷面的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，需用鋼架+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土來保證斷面的整體穩(wěn)定性；而當(dāng)單位體積節(jié)理數(shù)在16～20之間時(shí)，對洞頂穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，需用半圓以上鋼筋網(wǎng)+拱部120°系統(tǒng)錨桿+噴混凝土來防止局部失穩(wěn)；當(dāng)單位體積節(jié)理數(shù)在10～16之間時(shí)，會(huì)影響到局部大中型巖塊的穩(wěn)定，需采取局部長錨桿加固；當(dāng)單位體積節(jié)理數(shù)在6～10之間時(shí)，會(huì)影響到局部中小型巖塊的穩(wěn)定性，需采取局部短錨桿加固；當(dāng)單位體積節(jié)理數(shù)小于3時(shí)，無須采取工程措施處理。

1.2.3 富水性

單位體積節(jié)理數(shù)和巖體透水性密切相關(guān)，一般斷層破碎帶及貫通節(jié)理密集帶，涌水量將增大。TBM施工過程中要提前探知涌水量，對涌水量特別大的段落采用提前注漿或管幕等措施處理，以便TBM能夠順利通過。對于一般富水性的段落和巖體單軸抗壓強(qiáng)度較低的段落，在使用鋼筋網(wǎng)+噴混凝土確保開挖斷面穩(wěn)定性的同時(shí)，封堵隔斷了地下水。而對于堅(jiān)硬巖，需采取加厚噴混凝土3cm來處理。

1.2.4 高地應(yīng)力

大埋深段隧道完整巖石受高地應(yīng)力作用，卻未釋放，在隧道開挖過程中應(yīng)力釋放，可能發(fā)生巖爆，影響工程施工安全。從A5′和A6′高地應(yīng)力段處理情況可以看出，高地應(yīng)力段主要通過半圓以上鋼筋網(wǎng)來防止巖塊彈出、剝落。對極高地應(yīng)力情況還需采取超前鉆孔釋放壓力等特殊措施進(jìn)行處理。

2 各因素對TBM施工成本的影響

2.1 各襯砌類型成本

按照《水利建筑工程概算定額》來計(jì)算敞開式TBM施工隧道襯砌造價(jià)，其單價(jià)明細(xì)見表6。

表6 材料單價(jià)(含人工、設(shè)備費(fèi)) 單位：元

各襯砌類型每延米成本見表7。

表7 各類襯砌類型成本

2.2 單軸飽和抗壓強(qiáng)度對施工成本的影響

單軸飽和抗壓強(qiáng)度主要影響TBM開挖臺(tái)時(shí)、刀具磨損、工人施工工時(shí)等。根據(jù)《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額(掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程)》，對不同單軸飽和抗壓強(qiáng)度巖石9m直徑敞開式TBM的開挖臺(tái)時(shí)、刀具磨損進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖1、圖2。

同時(shí)對不同單軸飽和抗壓強(qiáng)度造成的工人工時(shí)差別，采用線性插值，得出如表8列示的敞開式TBM成本表。其中432mm刀具單價(jià)按26000元/套，工長、高級工、中級工、初級工的工時(shí)工資分別按7.4元、6.98元、5.88元、3.23元計(jì)算，敞開式TBM開挖臺(tái)時(shí)折舊費(fèi)按10739.31元計(jì)算。

圖1 9m直徑敞開式TBM開挖臺(tái)時(shí)與單軸飽和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

圖2 432mm刀具磨損與單軸飽和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

表8 單軸飽和抗壓強(qiáng)度對880敞開式TBM每延米施工成本的影響 單位：元

由表8可以得到每延米掘進(jìn)成本與單軸飽和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，見圖3。

圖3 每延米掘進(jìn)成本(不含襯砌)與單軸飽和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖3可以看出，880敞開式TBM掘進(jìn)成本(不含)與單軸飽和抗壓強(qiáng)度基本成指數(shù)關(guān)系。在圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，掘進(jìn)機(jī)折舊費(fèi)占掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)成本的主要部分。隨著巖石單軸飽和強(qiáng)度的提高，刀具磨損成本急劇提高，成為掘進(jìn)成本的主要部分，人工成本占比較低。

單軸飽和抗壓強(qiáng)度還影響襯砌類型，進(jìn)而影響到施工成本。選取單位體積節(jié)理數(shù)為10～16的不同單軸飽和抗壓強(qiáng)度的襯砌類型進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表9。

表9 不同單軸飽和強(qiáng)度每延米襯砌類型及成本

由表9可以看出，單軸飽和強(qiáng)度大于一定值后將不再影響襯砌成本，襯砌主要用于處理可能發(fā)生的掉塊及開挖斷面的平整；而在巖體強(qiáng)度較低時(shí)，襯砌成本急劇上升，襯砌成為主要承載構(gòu)件之一，與圍巖一起保持?jǐn)嗝娣€(wěn)定。

敞開式TBM每延米掘進(jìn)成本與單軸飽和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖4，在單軸飽和抗壓強(qiáng)度小于30MPa時(shí)，襯砌成本占主要部分；在單軸飽和抗壓強(qiáng)度在30～150MPa時(shí)，TBM機(jī)械折舊費(fèi)占主要部分；在單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于150MPa時(shí)，刀具磨損成本占主要部分。

圖4 880敞開式TBM每延米施工成本與單軸飽和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

2.3 單位體積節(jié)理數(shù)對敞開式TBM施工成本的影響

根據(jù)單軸飽和抗壓強(qiáng)度60～130MPa不同單位體積節(jié)理數(shù)對應(yīng)不同的襯砌類型，計(jì)算不同單位節(jié)理數(shù)對襯砌成本的影響，再加上對應(yīng)的掘進(jìn)成本，便是單位體積節(jié)理數(shù)對敞開式TBM施工成本的影響，其結(jié)果見表10、圖5。

表10 單位體積節(jié)理數(shù)與襯砌類型、成本

圖5 單位體積節(jié)理數(shù)與施工成本關(guān)系同線

從圖5可以看出，單位體積節(jié)理數(shù)小于20時(shí)，單位體積節(jié)理數(shù)不會(huì)影響到斷面的整體穩(wěn)定性，整體施工成本上升不大。而當(dāng)單位體積節(jié)理數(shù)大于20時(shí),單位體積節(jié)理數(shù)影響到開挖斷面的整體穩(wěn)定性，施工成本急劇上升。

2.4 富水性及高地應(yīng)力對敞開式TBM施工成本的影響

分析表7中A5、A6襯砌類型是否富水對施工成本的影響，可以得出富水性工況下襯砌成本增加6.0%；而高地應(yīng)力下局部巖爆地段襯砌成本增加1.7%；巖爆地段襯砌成本增加2.5%。富水性及高地應(yīng)力的處理成本占總開挖成本比例較小。

3 結(jié)論及展望

3.1 結(jié)論

a.影響敞開式TBM每延米施工成本的因素依次為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、單位體積節(jié)理數(shù)、富水性、高地應(yīng)力。

b.單軸飽和抗壓強(qiáng)度較低時(shí)，開挖斷面存在整體、局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，襯砌成本占施工成本主要部分；單軸飽和抗壓強(qiáng)度適中時(shí)，TBM折舊費(fèi)占施工成本主要部分；單軸飽和抗壓強(qiáng)度較高時(shí)，刀具磨損占施工成本主要部分。施工成本隨單軸飽和抗壓強(qiáng)度的提高，呈現(xiàn)出先降后升的規(guī)律，在單軸飽和抗壓強(qiáng)度在55MPa時(shí)，達(dá)到最低值，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為30～150MPa，敞開式TBM施工成本較低。

c.敞開式TBM每延米施工成本隨著單位體積節(jié)理數(shù)的提高，呈指數(shù)規(guī)律上升。單位體積節(jié)理數(shù)小于20時(shí)，不會(huì)影響到斷面整體穩(wěn)定性，成本上升不大；當(dāng)單位體積節(jié)理數(shù)大于20時(shí)，開挖斷面存在整體、局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，成本快速上升。

3.2 討論

在敞開式TBM每延米施工成本計(jì)算過程中，存在以下沒有考慮到的情況：?沒有考慮經(jīng)過含水?dāng)鄬悠扑閹闆r，在該工況下還需要通過提前管幕注漿等措施進(jìn)行處理；?特高地應(yīng)力情況，該工況下需要采用提前鉆孔注水等措施處理。

本文通過計(jì)算880敞開式TBM施工成本，分析了單軸飽和抗壓強(qiáng)度、單位體積節(jié)理數(shù)、富水性、高地應(yīng)力對敞開式TBM施工成本的影響，為下一步鉆爆法和TBM施工經(jīng)濟(jì)對比、隧洞TBM經(jīng)濟(jì)性評價(jià)提供參考。

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