懸臂式掘進(jìn)機(jī)在不同地質(zhì)條件下的洞挖直接費成本分析

胡紅燕，付進(jìn)，陳正勛

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，成都，610072)

1 工程概況

1.1 工程布置情況

四川省廣安市前鋒區(qū)龍灘煤礦運輸巷道防滲處理工程，由1條交通洞和2條平行于煤礦運輸巷道軸線布置的灌漿隧洞組成，呈“Y”形布置[1]。交通洞進(jìn)口位于龍灘煤礦辦公區(qū)東面沖溝內(nèi)，進(jìn)口底板高程為322.04m。交通洞開挖斷面為3.9m×3.9m(寬×高)，襯砌后斷面為3m×3.5m(寬×高)，全長約1.12km。灌漿隧洞接交通洞末端，布置于煤礦運輸巷道左右兩側(cè)，除回車場段外(段長約200m，兩側(cè)灌漿隧洞距離煤礦運輸巷道間距15.43m)，兩條主洞平行煤礦運輸巷道軸線布置(南側(cè)灌漿隧洞距離煤礦運輸巷道間距為37.25m，北側(cè)灌漿隧洞距離煤礦運輸巷道間距15.43m)。東、西兩端跨巷道部分采用弧形隧洞與兩條主洞相連，隧洞在巷道防滲處理洞段上方約20m處呈環(huán)形布置，總長約2199.0m；灌漿隧洞為城門洞型，Ⅲ類圍巖開挖斷面為3.9m×4.85m，Ⅳ類圍巖開挖斷面為4.0m×4.9m，Ⅴ類圍巖開挖斷面為4.12m×4.96m，襯砌后斷面為3.0m×4.0m(寬×高)。

煤礦運輸巷道防滲處理工程距離煤礦運輸巷道很近，鉆爆法施工工藝對其安全生產(chǎn)影響較大，易造成重大安全隱患。經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，隧洞開挖擬采用掘進(jìn)機(jī)施工工藝。

本文以龍灘煤礦運輸巷道防滲處理工程中交通洞、南北側(cè)灌漿洞石方洞挖為例，分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)在不同地質(zhì)條件下的洞挖直接費成本。

1.2 地質(zhì)概況

交通洞沿線穿越地層有：自流井組強(qiáng)風(fēng)化泥巖、粉砂巖夾頁巖及砂巖、弱風(fēng)化～新鮮泥巖、粉砂巖夾頁巖及砂巖和新鮮灰?guī)r、介殼灰?guī)r，珍珠沖組泥巖夾砂巖、石英砂巖，須家河組長石石英砂巖、泥巖、粉砂巖，局部夾煤層或煤線。強(qiáng)風(fēng)化泥巖、粉砂巖夾頁巖及砂巖洞段為Ⅴ類圍巖，弱風(fēng)化～新鮮泥巖、粉砂巖夾頁巖及砂巖洞段以Ⅳ類圍巖為主，部分砂巖洞段為Ⅲ類圍巖，新鮮長石石英砂巖、砂巖、粗砂巖、灰?guī)r、介殼灰?guī)r洞段以Ⅲ類圍巖為主，局部段巖溶發(fā)育，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。

灌漿洞沿線穿越地層有：須家河組砂巖，雷口坡組灰?guī)r與泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，嘉陵江組白云巖、泥質(zhì)白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，飛仙關(guān)組灰質(zhì)泥巖夾少量泥質(zhì)灰?guī)r。沿線無大的斷層及構(gòu)造破碎帶發(fā)育，局部存在溶蝕破碎帶或規(guī)模不大的構(gòu)造破碎帶；全洞段Ⅲ類圍巖約占70%～75%，洞室自身穩(wěn)定性及成洞條件均較好，Ⅳ類及Ⅴ類圍巖主要分布于泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖等洞段，圍巖穩(wěn)定性較差；隧洞全部位于推測地下水位以下，開挖過程及汛期沿溶蝕和構(gòu)造破碎帶可能產(chǎn)生涌水、涌泥。

2 資源配置

2.1 主要機(jī)械配置

結(jié)合交通洞、灌漿隧洞工程地質(zhì)、水文、施工環(huán)境等因素，并考慮巖石的抗壓強(qiáng)度，巖石構(gòu)造等條件，選用EBZ260掘進(jìn)機(jī)(主要特征：總體長度12.75m、總體寬度3.6m、總體高度2m，切割電機(jī)功率260kW，總功率429kW，截割頭轉(zhuǎn)速:55/27r/min，行走速度:0～6.5m/min，一共布置74把截齒)，洞內(nèi)安裝1臺容量1000kVA的防爆型、防碰撞礦用專用變壓器。交通洞施工時，在交通洞洞口布置2臺37kW的軸流式風(fēng)機(jī)，同時開啟；當(dāng)南北側(cè)灌漿洞開始施工時，在灌漿洞口各增設(shè)1臺22kW軸流式風(fēng)機(jī)；等南北側(cè)灌漿洞施工到中間部位時再把交通洞洞口布置的2臺37kW的軸流式風(fēng)機(jī)分別移置到南北側(cè)灌漿洞，在交通洞洞口增設(shè)2臺55kW的軸流式風(fēng)機(jī)。

2.2 人員配置

掘進(jìn)工班實行三班制，每班8h輪流上班，根據(jù)現(xiàn)場觀測及生產(chǎn)需要，掘進(jìn)機(jī)機(jī)上人工2人，電工及檢修工2人，焊工1人，測量放線1人，記錄員1人，工長1人，安全檢查1人，瓦斯檢查人員1人，雜工3人。

3 掘進(jìn)機(jī)石方洞挖定額確定

通過對現(xiàn)場調(diào)研資料及掘進(jìn)機(jī)施工信息調(diào)查統(tǒng)計表、施工運行記錄表的分析，選取交通洞(J0+008～J1+120.6)全長1120.6m、北側(cè)灌漿洞(NG0+0.4～NG1+083.3)1081.7m、南側(cè)灌漿洞(SG0+0.4～SG1+087.9)1082.1m作為定額擬定研究對象。由于南北側(cè)灌漿洞前半部分、后半部分施工時，布置的軸流風(fēng)機(jī)對定額擬定有一定的影響，定額擬定按灌漿洞前、后半部分分別進(jìn)行擬定。

根據(jù)項目的資源配置、掘進(jìn)機(jī)的施工效率及各型號截齒的平均消耗量，掘進(jìn)機(jī)石方洞挖定額根據(jù)國家相關(guān)法律法規(guī)、遵循實事求是并結(jié)合隧洞結(jié)構(gòu)形式、斷面尺寸、施工組織設(shè)計確定的施工方法、主要機(jī)械規(guī)格及型號進(jìn)行擬定。采用水利部文件水總〔2014〕429號頒發(fā)的《水利工程設(shè)計概(估)算編制規(guī)定》、水利部文件水總〔2002〕116號頒發(fā)的《水利建筑工程預(yù)算定額》《水利工程施工機(jī)械臺時費定額》作為計價依據(jù)，擬定定額如表1所示。

4 直接費用測算

本次測算僅測算石方洞挖的直接費用，不包含為掘進(jìn)機(jī)施工而布設(shè)的特種變壓器(1140V)、電纜等直接費用。

4.1 基礎(chǔ)價格

人工工時預(yù)算單價：工長11.55元/工時、高級工10.67元/工時、中級工8.90元/工時、初級工6.13元/工時、機(jī)械工8.90元/工時[3]；綜合電價為1.034元/kW·h、綜合水價為0.872元/m3；掘進(jìn)機(jī)(EBZ260)為724.48元/臺時；采用的各種型號截齒的價格為廠家提供的采購價格，詳見表2。

表2 截齒采購價格匯總

4.2 單價匯總

根據(jù)擬定的定額及上述基礎(chǔ)價格，測算出交通洞、南北側(cè)灌漿洞在不同圍巖類別及不同巖性下的石方洞挖直接成本匯總見表3。

表3 石方洞挖直接成本匯總

5 成本分析

對直接費用中人、材、機(jī)消耗分析可以看出，人工費占直接費比重為6%左右；材料費用中截齒費用占直接費比重為35%左右；機(jī)械費用中掘進(jìn)機(jī)費用占直接費比重為50%左右?？梢娊佚X費用和掘進(jìn)機(jī)費用是影響洞挖單價的主要因素。

5.1 截齒費用分析

掘進(jìn)機(jī)的截齒耗量與巖石的強(qiáng)度和圍巖類別密切相關(guān)，截齒在不同圍巖類別和不同巖性下，截齒耗量差異很大，巖石的耐磨性和硬度越高截齒耗量也越多。本工程消耗為0.12個/m3～3.29個/m3，石英砂巖消耗量是灰?guī)r的近2倍，交通洞截齒平均消耗為0.47個/m3，北側(cè)灌漿洞截齒平均消耗為0.39個/m3，南側(cè)灌漿洞截齒平均消耗為0.35個/m3。截齒單價也差別很大，目前采用的截齒有進(jìn)口截齒、合金截齒、普通截齒，其中普通截齒267元/個、合金截齒422元/個、進(jìn)口截齒631元/個。本工程在實施過程中截齒廠家根據(jù)地層情況對特種材料配比進(jìn)行微調(diào)，使灌漿洞后半段截齒耗量能夠明顯降下來。因此，在選用截齒的時候盡量選經(jīng)久耐用、高度耐磨、更換方便和地質(zhì)條件相適應(yīng)的截齒。

5.2 掘進(jìn)機(jī)費用分析[4]

5.2.1 費用分析

影響掘進(jìn)機(jī)費用主要為掘進(jìn)機(jī)臺時費用[4]和掘進(jìn)機(jī)的效率，其中掘進(jìn)機(jī)臺時費用測算為：根據(jù)廠家提供的資料，EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)售價為510萬元，考慮5%的運雜費，預(yù)算價為535.5萬元。總共調(diào)研了10個工地12臺掘進(jìn)機(jī)，大修間隔平均時間為4000h，平均每次大修費用占設(shè)備價格的10%～20%，按15%計算，壽命周期=(大修次數(shù)+1)×大修間隔時間=(6+1)×4000=28000h，殘值率按5%計列。

(1)臺時折舊費=5355000×(1-5%)/28000=181.69元/臺時；(2)臺時大修理費=5355000×15%×6/28000×1.1=189.34元/臺時；(3)掘進(jìn)機(jī)操作主副手2人，機(jī)上人工操作手為中級工，耗用2.4工時；(4)根據(jù)施工機(jī)械技術(shù)指標(biāo)及參考其它工地施工過程中的資料綜合確定，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中所耗費電量為其額定功率的0.7倍。EBZ260懸臂式掘進(jìn)功率為429kW，故其臺時耗電量為429×0.7=300.30kWh；(5)掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中為潤滑和降塵，需使用高壓水，用水量不小于100L/min，故其臺時耗水量為(100/1000)×60=6m3。

經(jīng)測算，掘進(jìn)機(jī)BBZ260的臺時費為724.48元/臺時。由此可以看出影響臺時費用的主要因素為掘進(jìn)機(jī)的采購價、經(jīng)濟(jì)壽命及耗電量。

5.2.2 影響因素分析

根據(jù)已開挖完成的交通洞和灌漿洞的施工運行記錄分析，影響掘進(jìn)機(jī)效率的因素主要有：

(1)隧洞長度：灌漿洞前半段距離洞口較近，出渣、運輸、通風(fēng)、除塵、維修保養(yǎng)等施工邊界條件比灌漿洞后半段要好，掘進(jìn)效率前半段比后半段高些，因此隨著隧洞掘進(jìn)長度增加，掘進(jìn)效率會降低。

(2)地質(zhì)因素：圍巖強(qiáng)度越高越完整，掘進(jìn)效率越低，反之亦然。巖石的抗壓強(qiáng)度是影響掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素之一。一般的掘進(jìn)機(jī)能夠掘進(jìn)的巖石抗壓強(qiáng)度范圍為30MPa～130MPa。巖石的硬度和耐磨性越高，材料消耗和施工成本就越高，造成停機(jī)換材料次數(shù)增加，影響掘進(jìn)速度。巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，即巖體的裂隙化程度或巖體的完整程度與掘進(jìn)效率也有很大的關(guān)系?？箟簭?qiáng)度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，若結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不同，掘進(jìn)機(jī)的純掘進(jìn)速度差異明顯。

(3)隧洞積水：由于洞內(nèi)局部滲水較大，掃底開挖過程中已被磨成粉磨的底板渣料遇水后變成淤泥，通過掘進(jìn)機(jī)鏟板出渣難度大，造成效率下降。

(4)欠挖控制：底部掘進(jìn)開挖時，為了更好地控制欠挖，掘進(jìn)開挖底板一段距離后需把開挖段渣料清理，然后由測量人員及輔助人員確定欠挖部位，掘進(jìn)機(jī)再次重新掘進(jìn)欠挖部分，同一段底板可能需要重復(fù)掃底兩三次，因此造成施工效率較低。

6 結(jié)語

(1)受客觀因素制約，巷道防滲處理工程交通洞和灌漿隧洞洞挖無法采用鉆爆法施工，為推進(jìn)工程進(jìn)展，將原鉆爆法施工調(diào)整為掘進(jìn)機(jī)法施工。從洞挖直接費用分析中可以看出，該工程采用掘進(jìn)機(jī)石方洞挖單價偏高，不太經(jīng)濟(jì)。隨著掘進(jìn)機(jī)洞挖工藝的發(fā)展，若能提高截齒的硬度和耐磨度以減少截齒更換時間、提高掘進(jìn)機(jī)切割速度并降低制造成本，使截齒消耗費用降低和降低掘進(jìn)機(jī)臺時費，就能有效降低掘進(jìn)機(jī)石方洞挖單價，從而更能體現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在石方洞挖中的優(yōu)勢。

(2)掘進(jìn)機(jī)石方洞挖單價在不同條件下差別很大，本工程所測算的單價只能參考使用，對其他洞挖工程要根據(jù)其所處的地質(zhì)條件、采用的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備型號及實施過程中洞挖效率和截齒消耗量做具體分析。