基于公路黃土隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖與鉆爆法開挖的經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

張秋露

（甘肅興隴工程監(jiān)理咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

（1）工程概況。黑莊坪隧道位于甘肅省定西市秦祁鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道地處黃土梁峁溝壑區(qū)，地勢(shì)起伏較大，隧道線路經(jīng)過高程為2 311～2 465 m。隧道定西岸進(jìn)口位于黃土沖溝右側(cè)山坡處，自然坡度為15°～25°，隧道中部山頂及山凹兩側(cè)的山坡坡度較大，為40°～60°，山體植被較少，主要為雜草，局部開墾為旱地。隧道臨洮按出口位于凸性山坡坡腳，自然坡度為15°～30°，植被不發(fā)育。本隧道進(jìn)出口均為分離式隧道。隧道圍巖強(qiáng)度高，經(jīng)專家評(píng)審會(huì)議通過決定采用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖作業(yè)。右線里程樁號(hào)為YK35+538～YK37+060，長(zhǎng)度為 1 640．895 m，左線里程樁號(hào)為 ZK35+510～ZK37+103，長(zhǎng)度為1 710．221 m，最大埋深為175 m。

（2）地質(zhì)概況。根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪、鉆探揭露并結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)，隧址區(qū)地層按其時(shí)代和成因分類，在勘察深度范圍內(nèi)上覆地層為第四系上更新統(tǒng)分積成因（Q3eol）新黃土；下伏新近系臨夏組（N214）泥質(zhì)砂巖。泥質(zhì)砂巖地質(zhì)特征：棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，半成巖狀，遇水易軟化，崩解，失水易龜裂，分布于整個(gè)隧址區(qū)。

（3）水文地質(zhì)條件。地表水：隧道進(jìn)出口處下方?jīng)_溝內(nèi)見少量流水，水量受大氣降水影響較大。

地下水：隧址屬于缺水地區(qū)，周邊無地表水，山坡匯水面積小，降雨時(shí)地表徑流消散很快。結(jié)合水文地質(zhì)邊界條件分析，本隧道無地下水，降雨滲入隧道內(nèi)的水極少，以點(diǎn)滴狀或滲水出水為主，但在隧道出口右側(cè)約50 m，黃土與泥巖交界面附近見3處下降泉，水量為0．1～0．5 L/s。不排除隧道存在地下水的情況，但在實(shí)際施工過程中，無滲水、涌水現(xiàn)象。

隧址區(qū)出露地層主要為新近系泥質(zhì)泥巖。巖石試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表1。

根據(jù)隧道圍巖結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合室內(nèi)巖土試驗(yàn)成果，隧道各類圍巖物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

（4）基本情況。①設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別：V級(jí)。②隧道建筑限界：建筑限界凈寬10．0 m，建筑限界凈高5．0 m。③開挖斷面面積為103．28 m2。④采用的開挖方法為上下臺(tái)階。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖和鉆爆法開挖施工進(jìn)度和效率情況對(duì)比

2.1 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工

（1）施工方法。洞身開挖采用兩臺(tái)階的施工方法，施工中首先進(jìn)行上臺(tái)階分部開挖、分部修邊，開挖完成后移機(jī)至下臺(tái)階，監(jiān)控量測(cè)小組對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行變形量測(cè)和地質(zhì)素描工作后進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)；接下來進(jìn)行下臺(tái)階開挖，監(jiān)控量測(cè)小組對(duì)下臺(tái)階進(jìn)行變形量測(cè)和地質(zhì)素描工作后進(jìn)行初期支護(hù)工作[1]。

（2）施工順序。上臺(tái)階右側(cè)開挖→上臺(tái)階右側(cè)輪廓修邊→掘進(jìn)機(jī)移機(jī)至上臺(tái)階左側(cè)→上臺(tái)階左側(cè)開挖→上臺(tái)階左側(cè)輪廓修邊→下臺(tái)階開挖。

（3）施工步驟。掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí)，利用截齒上下、左右移動(dòng)截割，截割出初步斷面形狀，當(dāng)發(fā)現(xiàn)截割斷面與實(shí)際需要斷面不一致時(shí)，要進(jìn)行二次修正。截割的第一步進(jìn)尺不能超過鉆頭長(zhǎng)度的1倍，待截割范圍均截割完成后，掘進(jìn)機(jī)再向前進(jìn)行截割第二步截割范圍。截割路線盡量利用從下而上左右移動(dòng)截割的方法。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的最大功效即掘進(jìn)機(jī)定位截割最大范圍為6．78 m×7．43 m（高×寬），施工上臺(tái)階高度確定為6．78 m，下臺(tái)階高度確定為2．407 m，以滿足掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的最大功效。

（4）斷面測(cè)量。懸臂掘進(jìn)機(jī)每次開挖前，在隧道已完成初期支護(hù)端頭安設(shè)紅外線激光儀，采用全站儀調(diào)整激光射線與開挖輪廓平行，讓激光射到掌子面處，用來指導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖作業(yè)，保證隧道開挖斷面的中線和高程必須符合設(shè)計(jì)要求。隧道開挖應(yīng)嚴(yán)格控制欠挖。當(dāng)圍巖完整、石質(zhì)堅(jiān)硬時(shí)，巖石個(gè)別突出部分（每1 m2不大于0．1 m2）侵入襯砌應(yīng)小于5 cm。拱腳和墻腳以上1 m內(nèi)斷面嚴(yán)禁欠挖。

（5）斷面觀察。洞身開挖中，應(yīng)在每一次開挖后及時(shí)觀察、描述開挖面地層的層理、節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)狀況、巖體的軟硬程度、出水量大小等，核對(duì)設(shè)計(jì)地質(zhì)情況，判斷圍巖穩(wěn)定性。

（6）開挖路線。懸臂掘進(jìn)機(jī)截割開挖路線示意圖如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割開挖路線示意圖

（7）施工進(jìn)度。根據(jù)2020年施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)30 d（停工 1 d），上臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺93．2 m（31個(gè)循環(huán)），平均每循環(huán)進(jìn)尺3 m，每循環(huán)時(shí)間約20．5 h，綜合分析月理論進(jìn)尺（30 d）可以達(dá)到105 m。

2.2 鉆爆法開挖施工

（1）炮眼布置原則。①掏槽眼布置在斷面中下方，設(shè)置在中線的左側(cè)和右側(cè)，距底板線1．5～1．8 m。②周邊眼。周邊眼是直接控制開挖輪廓面平整度的主要影響因素。一般情況下，周邊眼E=（12～20）d，炮眼直徑d=35～45 mm。對(duì)于節(jié)理發(fā)育、層理明顯的圍巖地段，周邊眼間距可適當(dāng)減小，也可在兩炮眼之間增加一個(gè)不裝藥的導(dǎo)向空眼。在本隧道施工中，炮眼間距根據(jù)圍巖性質(zhì)孔距取值為40～60 cm。③擴(kuò)槽眼、內(nèi)圈眼、底板眼。擴(kuò)槽眼、內(nèi)圈眼、底板眼均比掏槽眼、周邊眼間距大，比掘進(jìn)眼小，其間距或抵抗線一般為掘進(jìn)眼間距的80%左右。內(nèi)圈眼的間距是周邊眼距的1．5倍左右，抵抗線是內(nèi)圈眼距的0．7倍左右，二臺(tái)眼、底板眼的間距或抵抗線一般為掘進(jìn)眼間距的80%左右。④掘進(jìn)眼。一般采用環(huán)形布置，抵抗線應(yīng)小于同環(huán)的炮眼間距，常為炮眼間距的80%～100%。掘進(jìn)眼間距更稀，應(yīng)均勻布置，可采用線形布置或環(huán)形布置，一般情況下抵抗線為同排（或同環(huán)）炮眼間距的80%～100%。

（2）布眼順序。掏槽眼→周邊眼→底板眼→輔助眼→掘進(jìn)眼。

（3）鉆爆方案。周邊眼間距設(shè)計(jì)為60 cm，實(shí)際施工中周邊眼間距為60 cm；掌子面上臺(tái)階鉆孔設(shè)計(jì)為80個(gè)，實(shí)際施工中實(shí)際鉆孔為80個(gè)；周邊眼深度設(shè)計(jì)為2．0～2．6 m，實(shí)際施工中周邊眼深度為2．0～2．6 m；周邊眼外傾角要求小于4．3°，孔端外超小于15 cm，實(shí)際施工中周邊眼外傾角為3～7°，孔端外超10～25 cm；輔助眼深度為2．0～2．6 m，實(shí)際施工中輔助眼深度為 2．0～2．6 m；掏槽眼設(shè)計(jì)深度為2．3～2．9 m，實(shí)際施工中，掏槽眼設(shè)計(jì)深度為 2．3～2．9 m。

理論方案要求每循環(huán)進(jìn)尺1．8～2．4 m，用藥量不大于0．6 kg/m3，實(shí)際每循環(huán)進(jìn)尺 1．4～2．8 m，用藥量為 0．2～1．2 kg/m3（實(shí)際最大值約 0．8 kg/m3，0．8 kg 以上值包含炸材銷毀）[2]。

理論進(jìn)尺2．0 m，周邊眼外傾角4．3°的超挖值約1．88 m3/m；實(shí)際平均進(jìn)尺2．4 m，周邊眼外傾角平均為4．8°，超挖值為2．30 m3/m。炮眼布置示意圖如圖2所示。

圖2 炮眼布置示意圖

根據(jù)施工量統(tǒng)計(jì)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)20 d（停工1 d），上臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺41 m（19個(gè)循環(huán)），平均每循環(huán)進(jìn)尺2．15 m（約3榀拱架），綜合分析月理論進(jìn)尺（30 d）可以達(dá)到64．5 m。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖和鉆爆法開挖施工成本情況對(duì)比

3.1 人員投入情況

懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工每班作業(yè)人員數(shù)量情況見表3。鉆爆法施工每班作業(yè)人員數(shù)量情況見表4。對(duì)比表3和表4發(fā)現(xiàn)，鉆爆法開挖施工所需工作業(yè)人員比懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工所需作業(yè)人員多12人。

表3 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工每班作業(yè)人員數(shù)量表

表4 鉆爆法開挖施工每班作業(yè)人員數(shù)量表

3.2 主要成本因素分析對(duì)比

3.2.1 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工

根據(jù)2020年4月份施工進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)，4月上臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺93．2 m，下臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺88 m。

（1）懸臂掘進(jìn)機(jī)月租金為30萬元（包含懸臂掘進(jìn)機(jī)租金、變壓器租金、掘進(jìn)機(jī)操作人員工資）。

（2）用電消耗情況：據(jù)統(tǒng)計(jì)，上臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺207．2 m，下臺(tái)階進(jìn)尺201．75 m，共計(jì)用電16 633 kW·h，單價(jià)為 0．8 元 /kW·h?？傠娰M(fèi) =16 633×0．8=13 306．4元。綜合分析每延米電費(fèi)價(jià)格約 13 306．4/207．2（成洞米）=64．22元，共完成挖方 21 174．47m3，每立方耗電約0．79 kW·h，計(jì) 0．63 元。

（3）截齒消耗：截齒消耗25個(gè)（上臺(tái)階完成207．2 m，下臺(tái)階完成201．75 m），綜合攤銷每立方米為0．41元（截齒單價(jià)為350元/個(gè)），預(yù)計(jì)每施工100 m隧道消耗12個(gè)截齒，計(jì)4 200元。

3.2.2 鉆爆法開挖施工

據(jù)2020年4月施工進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)，月上臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺39 m，下臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺11 m。

（1）爆破基礎(chǔ)費(fèi)用：炸藥費(fèi)用為8．8元/kg；導(dǎo)爆管雷管費(fèi)用為6．2元/枚（含5 m線）；爆破服務(wù)費(fèi)為27 523/月；服務(wù)人員費(fèi)用共計(jì)15 000/月；服務(wù)車輛費(fèi)用為550/次（每天一次）。

（2）代號(hào)服務(wù)費(fèi)：共運(yùn)輸18次，乳化炸藥共1 722 kg；毫秒雷管為2 340枚（每枚含5 m線），總費(fèi)用為20．2萬元，含服務(wù)費(fèi)和人員工資（鉆眼配備10人，工資為12 000元/月·人）。民爆公司服務(wù)費(fèi)攤銷平均到每方開挖量的費(fèi)用為54．8元，炸材消耗每開挖1立方米的費(fèi)用為9．4元。綜合分析每進(jìn)尺寸100 m消耗炸材9．7萬元，爆破服務(wù)費(fèi)為56．6萬元（該費(fèi)用因月進(jìn)度改變變動(dòng)較大，按月進(jìn)度60 m計(jì)算服務(wù)費(fèi)約29．9萬元）。

（3）耗電量情況：鉆眼用電量應(yīng)在2．5～3．5元/m3。

3.3 開挖對(duì)后續(xù)施工噴射混凝土成本的影響

（1）每延米設(shè)計(jì)噴射混凝土用量。S-Va、S-Vb、S-Vc圍巖結(jié)構(gòu)襯砌類型設(shè)計(jì)噴射混凝土用量為6．55 m3/m，不含仰拱初支[3]。

（2）懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工。噴射混凝土：根據(jù)統(tǒng)計(jì)，上臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺93．2 m，下臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺88 m，累計(jì)消耗噴射混凝土1 296 m3，設(shè)計(jì)用量計(jì)算為610．46 m3，含超挖及回彈計(jì)算應(yīng)耗量為1 047．23 m3（按平均允許超挖計(jì)入噴射混凝土量和回彈超耗允許量），超過設(shè)計(jì)理論用量112．3%，超過應(yīng)耗量 23．76%。

（3）鉆爆法開挖施工情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，月上臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺39 m，下臺(tái)階累計(jì)進(jìn)尺11 m，累計(jì)消耗噴射混凝土486 m3，設(shè)計(jì)用量為212 m3，含超挖+回彈應(yīng)耗量359 m3，超過設(shè)計(jì)理論用量129%，超過應(yīng)耗量35%。

由此分析，懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖斷面超挖值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于爆破鉆爆法開挖的超挖值，從而大大節(jié)省了噴射混凝土用量，降低了施工成本。

4 綜合分析結(jié)果

以某隧道施工為例，每完成1 km相同斷面的隧道開挖施工的成本對(duì)比見表5。

表5 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工與鉆爆法開挖施工每公里作業(yè)成本對(duì)比表

5 結(jié)論

由以上對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在黃土隧道開挖工序中采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，開挖斷面圓順，提高了初期支護(hù)和噴射混凝土的質(zhì)量；掘進(jìn)與裝運(yùn)同時(shí)進(jìn)行可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，能夠加快施工進(jìn)度，在施工效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鉆爆法施工；在成本控制方面，臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工較鉆爆法開挖施工也有著不小的優(yōu)勢(shì)。因此，在黃土隧道施工中采用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖作業(yè)，可以更好地提升企業(yè)施工效率，降低企業(yè)施工成本和施工安全風(fēng)險(xiǎn)，還能提升企業(yè)形象和市場(chǎng)影響力。