中天山隧道TBM施工機(jī)械臺班維護(hù)費(fèi)研究

楊國慶

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

0 引言

目前，國內(nèi)長大鐵路隧道大多采用TBM法+ 鉆爆法施工。單項(xiàng)工程TBM累計(jì)掘進(jìn)距離一般不超過15 km，而敞開式TBM 新機(jī)設(shè)計(jì)使用壽命通常按25～30 km考慮。單臺敞開式TBM 的使用壽命遠(yuǎn)小于其固有壽命，且普遍缺乏后續(xù)工程，導(dǎo)致設(shè)備長期閑置，存放保養(yǎng)成本高，自然老化等帶來的損失較大，甚至報(bào)廢，造成企業(yè)固定資產(chǎn)嚴(yán)重浪費(fèi)。

近年來，業(yè)內(nèi)關(guān)于全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)再制造的研究與實(shí)踐已越來越多。如易新乾[1]分析了我國再制造的現(xiàn)狀、存在的問題以及對再制造認(rèn)識上存在的不足和錯誤，指出對再制造的正確認(rèn)識以及具體要求，并為再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出建議； 康寶生[2]分析和總結(jié)了我國隧道掘進(jìn)機(jī)再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、前景、重點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵； 孫海波[3]對敞開式TBM再制造關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐進(jìn)行了分析和總結(jié)； 曲長海等[4]對TBM維修改造進(jìn)行了可行性分析； 王寶友[5]論述了TB880E型全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤刀具在不良地質(zhì)條件下的改良方案。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，目前全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)再制造領(lǐng)域中主要以技術(shù)、工法上的研究為主，而關(guān)于TBM再制造在工程造價方面的研究與應(yīng)用卻不多，個別涉及到工程造價的，也僅是宏觀方面的介紹，針對具體項(xiàng)目情況不同，人工、材料、機(jī)械臺班單價也有較大出入，沒有一個統(tǒng)一的結(jié)論，參考價值不大。研究現(xiàn)有鐵路隧道TBM施工成本發(fā)現(xiàn)，TBM隧道施工費(fèi)用中占比大的主要是TBM施工機(jī)械臺班費(fèi)，對于機(jī)械臺班單價中的折舊費(fèi)、檢修費(fèi)，一般能得到較好的控制； 而在特長隧道 TBM 施工過程中的維護(hù)費(fèi)成本控制方面一般存在很大的不同，前期概算費(fèi)用與實(shí)際支出有較大的差異。

本文以西康秦嶺隧道φ8.8 m的TB880E型全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)為例(以下簡稱TBM)，依托中天山隧道TBM施工項(xiàng)目，針對機(jī)械施工中的維護(hù)費(fèi)支出情況進(jìn)行研究，以秦嶺西康隧道現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立TBM維護(hù)費(fèi)和臺班數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，提煉出TBM維護(hù)費(fèi)隨臺班數(shù)的發(fā)展函數(shù)關(guān)系式，并考慮到TBM停滯期間發(fā)生費(fèi)用和局部再制造費(fèi)用對工作臺班數(shù)的影響。最后以中天山特長隧道等項(xiàng)目的TBM維護(hù)費(fèi)支出情況來驗(yàn)證理論的正確性，以期為今后類似隧道工程在前期概算編制、成本控制等方面提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 秦嶺隧道TBM

秦嶺隧道是我國2000年建成的最長鐵路隧道,全長18.46 km,最大埋深約1 600 m,埋深超過1 000 m地段長約3.8 km。隧道地質(zhì)條件十分復(fù)雜,部分地段有高應(yīng)力、巖爆、地?zé)?、斷裂帶涌水、圍巖失穩(wěn)等不良地質(zhì)[6]。工程采用于1997年從德國維爾公司引進(jìn)的2臺直徑為8.8 m的敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)(TB880E)開挖, 設(shè)計(jì)壽命掘進(jìn)35 km以上[6]，采用2臺敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)相對掘進(jìn)的方案。

TBM主要技術(shù)參數(shù)： 掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑8.8 m,總質(zhì)量3 000余t,總長度256 m,設(shè)備總裝機(jī)功率5 400 kVA,刀盤最大推力2 100 t,撐靴最大撐緊力6 100 t,每個掘進(jìn)行程1.8 m,刀盤轉(zhuǎn)速2.7 r/min和5.4 r/min,正常掘進(jìn)采用電機(jī)驅(qū)動為主驅(qū)動,液壓輔助驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)刀盤在軟弱地質(zhì)條件下的脫困[6]。

根據(jù)當(dāng)時現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)相關(guān)資料顯示，完成秦嶺隧道施工的2臺TBM單臺設(shè)備購置費(fèi)為24 326.89萬元，耐用總臺班為8 000臺班，折舊年限為8年，大修臺班為1 100臺班。秦嶺隧道施工實(shí)際完成工作總臺班數(shù)為2 318.6臺班，掘進(jìn)總長度為11 454 m，維護(hù)費(fèi)累計(jì)消耗配件、潤滑油脂費(fèi)用為5 811.50萬元，維修保養(yǎng)及臨時故障排除累計(jì)人工、機(jī)械費(fèi)350.80萬元。秦嶺隧道TBM維護(hù)費(fèi)為26 577.21元/臺班。

秦嶺隧道TBM實(shí)現(xiàn)了隧道掘進(jìn)的機(jī)械化施工, 代表當(dāng)時世界隧道施工機(jī)械化的先進(jìn)水平,是我國鐵路隧道建設(shè)史上的一個重要里程碑[6]。

1.2 中天山隧道TBM

改建鐵路南疆線吐魯番至庫爾勒段增建第二線中天山特長隧道為2座單線隧道，為全線控制性工程。中天山隧道所處環(huán)境為暖溫帶干燥寒冷的戈壁荒漠地區(qū)，具有施工作業(yè)環(huán)境極端惡劣、建設(shè)規(guī)模宏大、建設(shè)周期長、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、修建難度大、工程質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。

中天山特長隧道進(jìn)口端左、右線采用2臺TBM同時掘進(jìn)，施工段全長共25 248 m。其中： 左線隧道TBM施工為12 418 m，右線隧道TBM施工為12 830 m； 出口端采用鉆爆法施工，出口左線DK158+400處設(shè)1座長2 547.14 m的斜井輔助左線施工，右線DyK158+526處設(shè)1座長2 545.89 m的斜井輔助右線施工[7]。

中天山隧道施工采用的2臺TBM掘進(jìn)機(jī)于1997年從德國WIRTH引進(jìn)以來，先后承擔(dān)了秦嶺隧道、桃花鋪隧道、磨溝嶺隧道的掘進(jìn)任務(wù)。秦嶺隧道左線TBM掘進(jìn)機(jī)累計(jì)掘進(jìn)11.656 km、右線TBM掘進(jìn)機(jī)累計(jì)掘進(jìn)9.44 km，其后處于閑置狀態(tài)長達(dá)近5年之久。2007年4月，中天山隧道施工單位重新組織人員對TBM設(shè)備進(jìn)行了全面整修，并于2007年12月開始在中天山隧道投入掘進(jìn)施工。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)： 左線隧道TBM工作臺班數(shù)累計(jì)5 325.99臺班(其中秦嶺隧道1 179.51臺班，桃花鋪隧道1 400.65臺班，中天山左線2 745.83臺班)； 右線隧道TBM工作臺班數(shù)累計(jì)5 109.37臺班(其中秦嶺隧道1 139.14臺班，磨溝嶺隧道1 172.57臺班，中天山右線2 797.66臺班)。

2 分析與研究

2.1 維護(hù)費(fèi)

依據(jù)《鐵路工程施工機(jī)具臺班費(fèi)用定額》(2017 版)中相關(guān)理論，TBM施工機(jī)械臺班單價主要由折舊費(fèi)、檢修費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、安裝拆卸費(fèi)、人工費(fèi)、燃料動力費(fèi)和其他費(fèi)用組成。其中，維護(hù)費(fèi)一般是指機(jī)械在耐用總臺班內(nèi)，按規(guī)定的維護(hù)間隔進(jìn)行各級維護(hù)和臨時故障排除所需的費(fèi)用，包括為保障機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需替換設(shè)備與隨機(jī)配備工具附具的攤銷費(fèi)用、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)及日常維護(hù)所需潤滑與擦拭的材料費(fèi)用和機(jī)械停滯期間的維護(hù)費(fèi)用等[8]。

查閱《鐵路工程施工機(jī)具臺班費(fèi)用定額》(2017 版)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在鐵路機(jī)械臺班費(fèi)中的維護(hù)費(fèi)計(jì)算公式為維護(hù)費(fèi)=檢修費(fèi)×維護(hù)費(fèi)系數(shù)，維護(hù)費(fèi)系數(shù)指預(yù)計(jì)施工機(jī)械在耐用總臺班內(nèi)發(fā)生的全部維護(hù)費(fèi)占全部檢修費(fèi)的比例。

研究發(fā)現(xiàn) TBM 臺班維護(hù)費(fèi)主要由2部分組成。1)隨機(jī)配件、潤滑油脂及自購配件消耗； 2)每天固定的維修保養(yǎng)及臨時故障排除所需的人工費(fèi)和常規(guī)機(jī)械設(shè)備使用費(fèi)。

2.2 維護(hù)費(fèi)變化影響主要因素

1)作業(yè)時間。作業(yè)時間增加，設(shè)備老化，故障率增高。

2)地質(zhì)條件。地質(zhì)條件復(fù)雜導(dǎo)致異常損壞增多。

3)關(guān)鍵部件壽命。隨著關(guān)鍵部件使用時間增長，已達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)極限。

4)維修環(huán)境。受洞內(nèi)空間環(huán)境所限，維修時間長，維修質(zhì)量受影響。

5)施工條件。溫度高、濕度大，導(dǎo)致故障率高。

2.3 現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

引用《TBM施工工程經(jīng)濟(jì)分析研究總報(bào)告》中秦嶺隧道TBM現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)的維護(hù)費(fèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 秦嶺隧道TBM維護(hù)費(fèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.4 數(shù)學(xué)模型

通過上面的研究分析和實(shí)際工作數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，TBM實(shí)際累計(jì)臺班與維護(hù)費(fèi)可能存在一定的函數(shù)關(guān)系。現(xiàn)以秦嶺隧道TBM維護(hù)費(fèi)數(shù)據(jù)(表1)為基礎(chǔ)，生成TBM維護(hù)費(fèi)和單臺TBM累計(jì)工作臺班的散點(diǎn)圖，并擬合出二者的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 秦嶺隧道TBM維護(hù)費(fèi)發(fā)展曲線

由圖1可以看出，TBM維護(hù)費(fèi)和單臺TBM累計(jì)工作臺班的關(guān)系曲線與散點(diǎn)圖基本吻合，相關(guān)系數(shù)R=0.957 0，經(jīng)檢驗(yàn)0.7

y=10 801ln(x)-52 357。

(1)

式中：y為投產(chǎn)至當(dāng)期TBM維護(hù)費(fèi)均值，元/臺班；x為單臺TBM累計(jì)工作臺班。

第n期TBM維護(hù)費(fèi)均值計(jì)算公式為

Zn=(yn×xn-yn-1×xn-1)÷tn。

(2)

式中：Zn為當(dāng)期TBM維護(hù)費(fèi)均值,元/臺班；yn為投產(chǎn)至第n期TBM維護(hù)費(fèi)均值,元/臺班；yn-1為投產(chǎn)至第n-1期TBM維護(hù)費(fèi)均值,元/臺班；xn為投產(chǎn)至第n期末TBM工作臺班；xn-1為投產(chǎn)至第n-1期末TBM工作臺班；tn為第n期內(nèi)單臺TBM工作臺班。

3 工程應(yīng)用及效果分析

3.1 TBM 停滯期間臺班數(shù)量折算

根據(jù)《建設(shè)工程施工機(jī)械臺班費(fèi)用編制規(guī)則》(2015 年)，施工機(jī)械停滯費(fèi)指施工機(jī)械非自身原因停滯期間所發(fā)生的費(fèi)用，計(jì)算公式為機(jī)械停滯費(fèi)=折舊費(fèi)+人工費(fèi)+其他費(fèi)[9]。中天山隧道2臺TBM的閑置時間分別為5年和5.33年。

西康秦嶺隧道TBM總臺班按8 000臺班計(jì)，臺班單價為7 544.62元/臺班； TBM臺班折舊費(fèi)為28 888.18元/臺班，人工費(fèi)為64.18元/臺班。

TBM停滯費(fèi)=28 888.18+64.18+0=28 952.36 元/臺班。

長時間停滯的設(shè)備投入使用后，雖然經(jīng)過一定的保養(yǎng)措施，但設(shè)備表面的污垢、氧氣的腐蝕氧化以及大氣濕度還是會對設(shè)備的性能造成影響，會使設(shè)備投入使用后的初期故障率明顯升高，相當(dāng)于重新進(jìn)入磨合期(初期故障期)，同時還會使偶發(fā)故障期變短，提前進(jìn)入損耗故障期。 閑置時間越長，以上變化就越明顯。通過計(jì)算TBM停滯費(fèi)占臺班單價的比重，折算成停滯期臺班數(shù)量，進(jìn)一步量化TBM停滯期對設(shè)備的物質(zhì)壽命和經(jīng)濟(jì)壽命的影響。

TBM停滯費(fèi)÷秦嶺隧道臺班單價=28 952.36÷70 544.62=41%。

參照《建設(shè)工程施工機(jī)械臺班費(fèi)用定額》(2015年)中干式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)年臺班使用量250 臺班，將TBM停滯費(fèi)折算成臺班數(shù)量。

右線TBM停滯期折算臺班=1×250×5.33×41%=546.33臺班。

同理類推： 左線TBM停滯期折算臺班=1×250×5×41%=512.50臺班。

3.2 再制造費(fèi)用臺班數(shù)量折減

全新設(shè)備在應(yīng)用一段時間后,經(jīng)過再制造可再次使用。秦嶺隧道TBM在施工中天山隧道時已經(jīng)工作23 000 h,某些部件已經(jīng)損耗比較嚴(yán)重,再制造可在很大程度上采用后來的先進(jìn)技術(shù)、設(shè)計(jì)理念、更加成熟的產(chǎn)品,從而使機(jī)械性能與全新TBM保持基本一致。但并非再制造TBM的質(zhì)量就會與全新TBM相同,畢竟舊機(jī)受到原設(shè)計(jì)制造的限制,例如主梁、鞍架、機(jī)頭架、部分油缸(不包括油缸密封)、結(jié)構(gòu)件等不可能全部更新[10]。因而，再制造TBM從總體性能和技術(shù)水平上,只是基本而非完全達(dá)到全新狀態(tài), 滿足工程需要是基本原則[10]。

中天山隧道實(shí)施過程中概算每臺班計(jì)列了3 590萬元的再制造費(fèi)用，實(shí)際發(fā)生費(fèi)用暫無更詳細(xì)資料，當(dāng)時秦嶺隧道TBM累計(jì)施工總臺班數(shù)為4 891.87臺班。可以將當(dāng)時投入的費(fèi)用看作是對前期工作臺班引起機(jī)械損耗的再制造，其分?jǐn)倖蝺r為2×35 900 000÷4 891.87=14 677.4元/臺班。

單臺TBM折減臺班數(shù)=(14 677.4÷70 544.6)×4 891.87÷2=508.90臺班。

3.3 中天山隧道TBM換算總臺班

綜合考慮到閑置期折舊和再制造費(fèi)用投入對實(shí)際工作臺班的影響，現(xiàn)對中天山隧道TBM臺班維護(hù)費(fèi)計(jì)算如下：

左線TBM累計(jì)臺班=1 179.51+1 400.65+512.5-508.9+2 745.83=5 329.59臺班。

右線TBM累計(jì)臺班=1 139.14+1 172.57+546.33-508.9+2 797.66=5 146.80臺班。

3.4 工程案例驗(yàn)證

3.4.1 中天山隧道

查閱中天山左線隧道TBM施工資料： 實(shí)施階段TBM工作的施工數(shù)量為2 745.83臺班，TBM維護(hù)費(fèi)為45 733元/臺班。根據(jù)理論模型推導(dǎo)出的線性方程式計(jì)算，中天山左線隧道TBM累計(jì)工作5 329.59臺班，投產(chǎn)至當(dāng)期TBM維護(hù)費(fèi)均值為40 326.71元/臺班，當(dāng)期維護(hù)費(fèi)為47 685.35元/臺班，比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高4.3%。

中天山右線隧道TBM施工資料： 實(shí)施階段TBM工作的施工數(shù)量為2 797.66臺班，TBM維護(hù)費(fèi)為45 733元/臺班。根據(jù)理論模型推導(dǎo)出的線性方程式計(jì)算，中天山右線隧道TBM累計(jì)工作5 146.80臺班，投產(chǎn)至當(dāng)期TBM維護(hù)費(fèi)均值為39 949.75元/臺班，當(dāng)期維護(hù)費(fèi)為47 063.11元/臺班，比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高2.9%。

可以看出該理論模型計(jì)算基本與實(shí)際情況相吻合。

3.4.2 寧西線桃花鋪1號隧道

調(diào)研寧西線桃花鋪1號隧道施工單位資料： 實(shí)際TBM使用1 400.65臺班，TBM維護(hù)費(fèi)為39 224.91元/臺班。根據(jù)理論模型推導(dǎo)出的線性方程式計(jì)算，桃花鋪1號隧道TBM累計(jì)工作2 580.16臺班(1 179.51+1 400.65)，投產(chǎn)至當(dāng)期TBM維護(hù)費(fèi)均值為32 491.41元/臺班，當(dāng)期維護(hù)費(fèi)為39 611.09元/臺班，比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高0.98%。理論模型計(jì)算基本與實(shí)際情況相吻合。

3.4.3 寧西線磨溝嶺隧道

調(diào)研寧西線磨溝嶺隧道施工單位資料： 實(shí)際TBM使用1 172.57臺班，TBM維護(hù)費(fèi)為37 669.56元/臺班。根據(jù)理論模型推導(dǎo)出的線性方程式計(jì)算，磨溝嶺隧道TBM累計(jì)工作2 311.71臺班(1 139.14+1 172.57)，投產(chǎn)至當(dāng)期TBM維護(hù)費(fèi)均值為31 304.77元/臺班，當(dāng)期維護(hù)費(fèi)為38 730.85元/臺班，比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高2.82%。理論模型計(jì)算基本與實(shí)際情況相吻合。

3.4.4 秦嶺隧道TBM維護(hù)費(fèi)總額

根據(jù)《現(xiàn)代設(shè)備管理的命脈： 設(shè)備經(jīng)濟(jì)管理》[11]中介紹，“據(jù)武漢設(shè)備管理協(xié)會1984年的資料，設(shè)備后期維持費(fèi)中的維修費(fèi)為購置費(fèi)的3倍?！?/p>

截至中天山隧道施工貫通，左線TBM計(jì)算臺班數(shù)為5 329.59臺班，根據(jù)線性方程式計(jì)算，維護(hù)費(fèi)總額為20 561.34 萬元,加上前期再制造費(fèi)用3 590萬元，右線TBM后期年維修費(fèi)占TBM購置費(fèi)(24 327萬元)的0.99； 同理類推，右線TBM后期年維修費(fèi)占TBM購置費(fèi)(24 327萬元)的1.03。按線性方程式計(jì)算出TBM機(jī)械后期維護(hù)費(fèi)與購置費(fèi)的占比結(jié)果滿足要求，但也從側(cè)面反映出當(dāng)時秦嶺隧道TBM購置費(fèi)用高，估計(jì)該理論模型計(jì)算在大型機(jī)械國產(chǎn)化后的成本驗(yàn)算中應(yīng)該會更趨合理，期待后續(xù)的實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過分析西康秦嶺隧道TBM維護(hù)費(fèi)發(fā)展規(guī)律，得出TBM壽命周期內(nèi)維護(hù)費(fèi)線性方程式，經(jīng)過中天山隧道和國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料驗(yàn)證，該線性方程式基本能反映出TBM壽命周期內(nèi)維護(hù)費(fèi)發(fā)展的普遍規(guī)律。秦嶺隧道TBM當(dāng)時在修理過程中由于工期緊，未及時更換控制系統(tǒng)，項(xiàng)目最后在施工后期的實(shí)際維護(hù)費(fèi)用略有增加。綜合考慮到中天山隧道TBM超過使用壽命、磨耗嚴(yán)重、效率大幅降低等原因，中天山隧道實(shí)際TBM施工機(jī)械臺班維護(hù)費(fèi)比計(jì)算數(shù)據(jù)略高。

雖然中天山隧道施工年代較早,TBM非國產(chǎn)，但是測算的數(shù)據(jù)基本上是在同型號的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，研究結(jié)論還是有一定的理論價值。在西康秦嶺隧道TBM施工機(jī)械臺班維護(hù)費(fèi)實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過中天山隧道等幾個項(xiàng)目實(shí)際維護(hù)費(fèi)用的驗(yàn)證，進(jìn)一步佐證該理論模型推導(dǎo)出的函數(shù)關(guān)系式的正確性，單臺TBM累計(jì)工作臺班在壽命周期內(nèi)對應(yīng)的維護(hù)費(fèi)是準(zhǔn)確的，可適用于類似項(xiàng)目TBM維護(hù)費(fèi)的確定。

4.2 建議

本文為筆者在實(shí)際工作中的一些總結(jié)和思考，以期為TBM施工成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)研究起到借鑒的作用。本維護(hù)費(fèi)的研究對以下幾方面具有一定的參考價值。

1)適合特長隧道的TBM施工，在經(jīng)濟(jì)壽命周期內(nèi)的維護(hù)費(fèi)計(jì)算。

2)國產(chǎn)與國外公司有一定差異(主要設(shè)備價格差)。

3)為類似工程在TBM施工前期的初步設(shè)計(jì)概算編制提供一種研究思路。

4)為項(xiàng)目管理單位在控制TBM施工成本上提供一種計(jì)算理論模型。

5)為鐵路管理部門在研究編制TBM施工機(jī)械臺班費(fèi)用定額方面提供參考。