敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)洞內(nèi)檢修改造方案及費(fèi)用分析
——以引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞嶺北TBM設(shè)備檢修改造為例

楊銀偉

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222)

0 引言

采用TBM法施工特長(zhǎng)隧道,隨著TBM設(shè)備老化、磨損,TBM主機(jī)及后配套設(shè)備故障率明顯升高,一般連續(xù)施工10 km左右需要在洞內(nèi)進(jìn)行1次全面檢修,以恢復(fù)TBM設(shè)備正常性能[1]。由于洞內(nèi)檢修空間狹小、吊裝不便、運(yùn)輸組織復(fù)雜,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)TBM洞內(nèi)拆解、維修技術(shù)等進(jìn)行了大量研究: 唐與等[2]介紹了遼寧大伙房項(xiàng)目在擴(kuò)大洞室和檢修間更換TBM主軸承,檢修時(shí)2臺(tái)TBM掘進(jìn)里程分別為5.982 km和12.988 km;韓小亮[3]以某引水工程φ8.5 m敞開(kāi)式TBM主軸承外密封擋圈斷裂脫落為例,從可行性和經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)比分析,在不拆卸刀盤、不擴(kuò)大洞室的情況下提出了洞內(nèi)TBM主軸承外密封擋圈維修新技術(shù);楊騰添等[4]研究了新疆某引水隧洞敞開(kāi)式TBM更換失效密封,為解決空間狹小問(wèn)題提出了“四點(diǎn)錨桿鎖定”、“四點(diǎn)支墊支撐”的刀盤固定模式;吳朝來(lái)[5]以引漢濟(jì)渭工程嶺南段為例,探索了在狹小空間下大直徑TBM刀盤與主機(jī)分離實(shí)施主驅(qū)動(dòng)密封檢查、更換的方法和技術(shù);呂二超[6]以引漢濟(jì)渭工程嶺北段為例,在不具備擴(kuò)大洞室條件下創(chuàng)新了洞內(nèi)TBM刀盤邊塊更換技術(shù)。

目前,業(yè)界對(duì)TBM洞內(nèi)檢修的研究主要集中在技術(shù)方面,缺乏對(duì)洞內(nèi)檢修的施工組織和檢修費(fèi)用進(jìn)行定量分析,水利行業(yè)將TBM檢修費(fèi)和維護(hù)費(fèi)統(tǒng)一為修理及替換設(shè)備費(fèi)綜合考慮,鐵路行業(yè)將TBM折舊費(fèi)和檢修費(fèi)作為獨(dú)立費(fèi)用由市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)決定,TBM工程造價(jià)和成本控制缺乏檢修費(fèi)方面的參考依據(jù)。本文基于引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞嶺北TBM設(shè)備檢修方案,分析工期和人、材、機(jī)配置,進(jìn)而分析TBM洞內(nèi)檢修費(fèi)用構(gòu)成,從檢修周期、費(fèi)用構(gòu)成、檢修費(fèi)與設(shè)備原值的關(guān)系和檢修費(fèi)與維護(hù)費(fèi)的關(guān)系4個(gè)方面驗(yàn)證了檢修費(fèi)的合理性,以期為類似項(xiàng)目組織管理和造價(jià)控制提供借鑒。

為與《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額(掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程)》[7](簡(jiǎn)稱2007補(bǔ)充定額)保持一致,本文中TBM主機(jī)及后配套包括主機(jī)、主機(jī)輔助設(shè)備、后配套拖車,但不包括錨桿鉆機(jī)、混凝土噴射系統(tǒng)設(shè)備、鋼筋網(wǎng)安裝器、鋼拱架安裝器、仰拱吊機(jī)。

1 工程及TBM設(shè)備概況

1.1 工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞全長(zhǎng)98.30 km,設(shè)計(jì)流量70 m3/s,縱坡1/2 500,最大埋深2 012 m,穿越秦嶺主脊段采用TBM法施工,2臺(tái)敞開(kāi)式TBM相向掘進(jìn)。其中,嶺南工區(qū)施工18 717 m,巖性以石英片巖、變粒巖、片麻巖、石英巖、花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主,Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖占比92%;嶺北工區(qū)施工16 690 m,巖性以閃長(zhǎng)巖、千枚巖、變砂巖、角閃石英片巖、花崗巖為主,Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖占比95%,見(jiàn)圖1。嶺北TBM自2014年6月開(kāi)始試掘進(jìn),至2018年12月完成合同掘進(jìn)任務(wù)后,建設(shè)單位決定實(shí)施接應(yīng)方案,接應(yīng)段長(zhǎng)3 000 m。

1.2 TBM設(shè)備概況

嶺北海瑞克S795號(hào)TBM刀盤直徑為8.04 m,刀盤長(zhǎng)度為4.61 m,最大推力為27 488 kN,刀盤總質(zhì)量為168 t;主驅(qū)動(dòng)電機(jī)總功率為3 500 kW,轉(zhuǎn)速為7.3 r/min,轉(zhuǎn)矩為10 725 kN/m;主軸承直徑為4 200 mm,后配套長(zhǎng)度為184 m。

圖1 秦嶺隧洞嶺脊段施工布置示意圖(單位: m)

2 TBM設(shè)備狀態(tài)評(píng)估

嶺北海瑞克 S795號(hào)TBM掘進(jìn)超過(guò)15 km,為了更好完成接應(yīng)段新增掘進(jìn)任務(wù),建設(shè)單位委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)整機(jī)設(shè)備進(jìn)行全面檢測(cè)、分析和評(píng)估,內(nèi)容包括整機(jī)運(yùn)行評(píng)估(主機(jī)及后配套設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)功能檢驗(yàn)、輔助設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試、液壓泵及主驅(qū)動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)測(cè)試)、油品取樣與檢測(cè)等。評(píng)估報(bào)告認(rèn)為:“此TBM目前機(jī)況較差,如需達(dá)到原有的設(shè)計(jì)性能,建議做好設(shè)備的維修工作,包括清潔、保養(yǎng)、修復(fù)或更換部件。針對(duì)下一階段的施工要求,需結(jié)合地質(zhì)情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性分析論證,并對(duì)部分系統(tǒng)進(jìn)行維修改造”。經(jīng)多次專家論證,建設(shè)單位批準(zhǔn)了承包商編制的《嶺北TBM接應(yīng)段設(shè)備檢修改造實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)》,開(kāi)始實(shí)施TBM檢修工作。

3 TBM檢修改造及更換方案

3.1 TBM檢修方案

嶺北TBM檢修方案的重點(diǎn)是刀盤中心塊、主驅(qū)動(dòng)和推進(jìn)撐靴組件檢修,主要檢修項(xiàng)目方案見(jiàn)表1。

表1 TBM主要檢修項(xiàng)目方案

3.2 TBM改造方案

嶺北TBM改造方案的重點(diǎn)是刀盤邊塊的改造和拆裝,主要改造項(xiàng)目方案見(jiàn)表2。

3.3 刀盤改造更換

在原合同段施工過(guò)程中,TBM刀盤歷經(jīng)3次檢修,評(píng)估報(bào)告認(rèn)為:“刀盤整體狀況較差,表面耐磨保護(hù)材料磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致盤體及刀座出現(xiàn)不同程度磨損,其中刀盤圓弧段及邊刀座磨損最為嚴(yán)重;多數(shù)刀座安裝面出現(xiàn)疲勞壓潰,多處渣口區(qū)域出現(xiàn)筋板老化變形焊縫開(kāi)裂,刀盤內(nèi)部筋板及連接螺栓出現(xiàn)不同程度磨損,噴嘴及管路損壞缺失”。TBM接應(yīng)段巖性以閃長(zhǎng)巖為主,巖石強(qiáng)度高,完整性好。嶺北TBM刀具布置、刀間距離和刀盤現(xiàn)狀將無(wú)法適應(yīng)接應(yīng)段硬巖及極硬巖的施工要求,必須實(shí)施改造和恢復(fù)性修理: 一是更換4個(gè)邊塊以適應(yīng)接應(yīng)段硬巖地質(zhì)條件,二是檢修中心塊以恢復(fù)刀盤性能。

表2 TBM主要改造項(xiàng)目方案

刀盤是TBM主機(jī)部分的關(guān)鍵部件之一,刀盤磨損程度隨掘進(jìn)延長(zhǎng)不斷加重,受結(jié)構(gòu)、重量、空間等因素影響,在隧道內(nèi)實(shí)施刀盤檢修工序較為復(fù)雜[8]。由于洞內(nèi)巖爆頻發(fā),不具備開(kāi)挖擴(kuò)大洞室和架設(shè)吊裝設(shè)備的條件,因此采用基坑法實(shí)施刀盤檢修,見(jiàn)圖2。刀盤改造更換順序?yàn)榛娱_(kāi)挖支護(hù)、基坑襯砌、后退區(qū)換拱擴(kuò)挖、吊裝設(shè)備安裝、舊邊塊拆卸、新邊塊安裝、中心塊檢修,見(jiàn)圖3。

圖2 基坑法示意圖

3.3.1 基坑施工

海瑞克S795號(hào)TBM刀盤邊塊幾何尺寸為5 600 mm×1 820 mm×1 980 mm,無(wú)法通過(guò)TBM后支撐部位(后支撐中間間距約1 850 mm,向上逐漸減小),因此在后支撐后方選擇基坑位置,基坑中線與隧道中心線重合,基坑開(kāi)挖輪廓線尺寸為10.2 m×3.5 m×3.3 m,基坑周邊采用φ32 mm中空注漿錨桿支護(hù),錨桿長(zhǎng)度為5.0 m,間距為900 mm×900 mm方形布置,鋼筋混凝土襯砌厚度為700 mm,襯砌后凈空尺寸為8.8 m×2.1 m×2.6 m。開(kāi)挖前進(jìn)行底拱加固,“放小炮”分多次開(kāi)挖,人工出渣至后配套,主洞內(nèi)采用有軌運(yùn)輸,在支洞交叉口轉(zhuǎn)為無(wú)軌運(yùn)輸至洞外渣場(chǎng)。

3.3.2 后退區(qū)域擴(kuò)挖

基坑位于后支撐后方,TBM刀盤需經(jīng)歷多次反復(fù)進(jìn)退才能到達(dá)基坑位置,為實(shí)現(xiàn)刀盤后退需要對(duì)護(hù)盾后方32 m范圍進(jìn)行換拱、擴(kuò)挖處理[9]。為確保安全,換拱按“先立后拆”順序進(jìn)行,拱架間距為45 cm,擴(kuò)挖范圍為拱部180°,擴(kuò)挖半徑為4.51 m,擴(kuò)挖后巖面噴5 cm厚C20混凝土封閉,然后架設(shè)H150鋼拱架,鋼拱架兩端拱腳坐落在堅(jiān)實(shí)巖體上,拱腳設(shè)置2根4 m長(zhǎng)φ22鎖腳錨桿。采用人工風(fēng)鎬擴(kuò)挖,開(kāi)挖循環(huán)嚴(yán)格控制在45 cm內(nèi),開(kāi)挖后立即施作鋼拱架,鋼架外翼板內(nèi)側(cè)縱向焊接φ16鋼筋,連接筋環(huán)向間距為30 cm,鋼架內(nèi)側(cè)封焊6 mm厚鋼板,回填C30混凝土。換拱擴(kuò)挖過(guò)程中必須對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè),監(jiān)控圍巖變形收斂程度。

圖3 刀盤檢修流程圖

3.3.3 吊裝設(shè)備安裝

刀盤邊塊吊裝需要定制一套專用吊裝設(shè)備,包括專用吊具、基坑起吊機(jī)、中轉(zhuǎn)支撐、托盤、轉(zhuǎn)盤等,在基坑位置完成組裝,見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 刀盤頂升機(jī)構(gòu)剖面圖(單位: mm)

圖5 刀盤頂升機(jī)構(gòu)平面圖(單位: mm)

3.3.4 刀盤邊塊拆裝

將基坑作為工作空間,以托架為支撐拆卸邊塊,利用專用吊裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)邊塊升降、轉(zhuǎn)向,反復(fù)調(diào)整TBM刀盤位置完成舊邊塊吊裝、運(yùn)輸,逆序?qū)⑿逻厜K運(yùn)至基坑處完成安裝。

1)舊邊塊拆卸。將托盤機(jī)構(gòu)放置于中轉(zhuǎn)支撐上,保證退刀盤時(shí)TBM與托盤不干涉,后退刀盤至基坑上方,旋轉(zhuǎn)刀盤將1#邊塊置于水平狀態(tài)。刀盤正面焊縫在退刀盤前刨除,在基坑內(nèi)刨除刀盤背面的邊塊焊縫。在1#邊塊底部安裝斜撐,保證斜撐底面水平,上升托盤,使轉(zhuǎn)盤與邊塊、邊塊斜撐緊密貼合,逐個(gè)拆卸1#邊塊連接螺栓,拆卸完成后下降托盤并靠底護(hù)盾上升刀盤,使1#邊塊與刀盤完全脫離[4]。

2)舊邊塊入坑。TBM繼續(xù)后退至刀盤離開(kāi)基坑位置,上升轉(zhuǎn)盤,使1#邊塊脫離巖面,將邊塊旋轉(zhuǎn)90°,保證邊塊輪廓位于基坑輪廓范圍內(nèi)。在基坑上方安裝起吊架、起吊油缸,采用頂部的起吊架將“托盤+邊塊”提起,拆除中轉(zhuǎn)支撐上的微調(diào)油缸(保留三角支撐),將邊塊入坑放置在三角支撐上。在起吊機(jī)上安裝接力桿,采用頂部的起吊機(jī)將“托盤+邊塊”二次提起,拆卸中轉(zhuǎn)支撐上的三角支撐,將邊塊放置于基坑底部。

3)舊邊塊提升。按2)舊邊塊入坑步驟的逆序進(jìn)行。拆除起吊架及其他附屬物,TBM向前步進(jìn)至基坑出露在后支腿后方,將起吊設(shè)備安裝于基坑上方,采用“起吊架+接力桿” 起吊“托盤+邊塊”,通過(guò)三角撐中轉(zhuǎn)后將邊塊吊至脫離基坑。

4)舊邊塊裝車。在邊塊吊起狀態(tài)下安裝吊耳,采用卸車吊機(jī)將邊塊吊起,將轉(zhuǎn)盤與邊塊進(jìn)行分離,然后將“托盤+轉(zhuǎn)盤”放置于中轉(zhuǎn)三角支撐上。在基坑上方安裝軌道并在邊塊底部安裝運(yùn)輸支撐,軌距900 mm,軌道兩側(cè)固定在基巖上,中部固定于托盤上。將板車推至吊機(jī)下方,然后將邊塊放置到平板車上,完成舊邊塊裝車[10]。

5)舊邊塊運(yùn)輸。將舊邊塊固定于板車上,采用內(nèi)燃機(jī)車和平板車運(yùn)輸至轉(zhuǎn)運(yùn)站,使用2臺(tái)25 t行吊完成轉(zhuǎn)運(yùn),采用輪胎式平板車運(yùn)輸出洞,至5#支洞口使用1臺(tái)70 t汽車吊卸車。如此反復(fù)4次完成4個(gè)舊邊塊運(yùn)輸[11]。

6)新邊塊運(yùn)輸。采用5)舊邊塊運(yùn)輸步驟的逆序進(jìn)行,將新邊塊運(yùn)輸至基坑位置,如此反復(fù)4次完成4個(gè)新邊塊運(yùn)輸。

7)新邊塊安裝及固定。TBM向前步進(jìn)緩慢移動(dòng)刀盤,使刀盤中心塊定位于邊塊正上方,通過(guò)前后移動(dòng)刀盤調(diào)整邊塊前后安裝位置,微調(diào)油缸進(jìn)行上下提升調(diào)整邊塊上下安裝位置。邊塊調(diào)整到位后,采用絲桿或螺栓將邊塊定位,先進(jìn)行中心塊和邊塊之間的螺栓連接,再進(jìn)行邊塊之間的螺栓連接,最后進(jìn)行螺栓緊固和轉(zhuǎn)矩校核。

8) 刀盤立面焊接。焊前用氧氣乙炔火焰預(yù)熱至150 ℃左右,按打底層、填充層、蓋面層“分層分道”焊接,打底層和填充層第1層采用直流手工焊機(jī),其他層采用CO2保護(hù)焊,焊后覆蓋保溫,最后探傷檢測(cè)焊縫質(zhì)量。

3.3.5 中心塊檢修

刀盤4塊邊塊更換完成后,對(duì)刀盤中心塊區(qū)域進(jìn)行全面檢修,主要檢修內(nèi)容如下。

1)更換正面耐磨板。為提高刀盤耐磨性能,定制1套59塊新型復(fù)合耐磨鋼板,焊接在刀盤正面區(qū)域。

2)更換中心塊區(qū)域刀箱。為解決刀箱磨損、變形、開(kāi)裂,適應(yīng)接應(yīng)段圍巖特點(diǎn),提前委托專業(yè)廠家設(shè)計(jì)制造新型式刀箱,更換中心塊區(qū)域所有刀箱。

3)更換中心塊區(qū)域刀箱C形保護(hù)板。刀具C形保護(hù)塊共有28塊,主要安裝于刀盤正面區(qū)域,由于其直接受巖石沖擊極易磨損,因此需要全部進(jìn)行更換修復(fù)。

4)更換包箱隔板。評(píng)估報(bào)告顯示,包箱隔板局部磨損量過(guò)半,局部焊縫出現(xiàn)裂紋,須提前委托專業(yè)廠家對(duì)包箱隔板進(jìn)行設(shè)計(jì)改造,確保包箱隔板良好的耐磨性能和承載性能。

5)更換中心塊區(qū)域噴水裝置。由于長(zhǎng)期受石渣沖擊影響刀盤,導(dǎo)致噴水系統(tǒng)噴水基座變形、管路及接頭損壞變形、漏水嚴(yán)重、噴嘴堵塞,因此委托專業(yè)廠家重新設(shè)計(jì)安裝新的噴水系統(tǒng),以滿足接應(yīng)段施工需要。

3.4 主驅(qū)動(dòng)檢修

TBM主軸承及驅(qū)動(dòng)部件是掘進(jìn)機(jī)的核心部件,直接影響TBM使用壽命。采用錨桿支撐、鋼結(jié)構(gòu)支撐、鋼結(jié)構(gòu)墊撐相結(jié)合的方式,將刀盤固定在掌子面上,分離刀盤和主軸承形成工作面,檢查更換內(nèi)、外密封。

主軸承密封更換流程: 由外向內(nèi)逐層拆除環(huán)形壓板、唇形密封、隔環(huán),清理密封腔,檢查耐磨環(huán),確定唇形密封新的安裝位置,確定隔環(huán)組合方案,密封腔均勻涂抹潤(rùn)滑脂,由內(nèi)向外逐層安裝唇形密封、隔環(huán)和環(huán)形壓板。更換過(guò)程做到5個(gè)確保,即: 確保支撐可靠避免隔環(huán)變形、確保唇型密封唇口朝向無(wú)誤、確保唇形密封安裝姿態(tài)正確、確保唇形密封免受外力損傷、確保拆裝過(guò)程清潔。

3.5 推進(jìn)撐靴組件檢修

TBM推進(jìn)系統(tǒng)及支撐系統(tǒng)在原合同掘進(jìn)中出現(xiàn)過(guò)撐靴油缸脫落、推進(jìn)油缸和撐靴油缸漏油、撐靴平衡油缸損壞等問(wèn)題,主要部件或組件需要更換。

1)更換撐靴油缸。在洞壁相應(yīng)位置施作φ32 mm錨桿,將撐靴固定于洞壁上,在撐靴油缸兩側(cè)分別搭設(shè)1 m×2 m腳手架作為拆卸平臺(tái),使用導(dǎo)鏈、液壓千斤頂進(jìn)行安拆作業(yè)。拆卸完成后,舊撐靴油缸采用索瑪機(jī)車編組轉(zhuǎn)輪胎式板車運(yùn)出洞外,新?lián)窝ビ透装茨嫘蛴啥赐膺\(yùn)至洞內(nèi)撐靴位置[12]。

2)更換推進(jìn)油缸。在推進(jìn)油缸及轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)域?qū)?yīng)位置施作φ32 mm錨桿,錨桿與鋼板焊接后作為油缸吊點(diǎn),使用導(dǎo)鏈、液壓千斤頂實(shí)施安拆。拆卸完成后,舊推進(jìn)油缸采用索瑪機(jī)車編組轉(zhuǎn)輪胎式板車運(yùn)出洞外,新推進(jìn)油缸按逆序由洞外運(yùn)至洞內(nèi)安裝位置。

3.6 工期

TBM主機(jī)及后配套檢修總工期為97 d,節(jié)點(diǎn)工期為: 主機(jī)機(jī)械、液壓、電氣系統(tǒng)檢修75 d,刀盤檢修90 d,交工驗(yàn)收7 d。由于TBM檢修所處位置巖爆頻發(fā),基坑施工、后退段擴(kuò)挖施工受到較大影響,造成準(zhǔn)備工作時(shí)間延長(zhǎng),本文不涉及準(zhǔn)備期土建施工,僅考慮正常條件下的TBM檢修工作。TBM檢修工期橫道見(jiàn)圖6。

4 資源配置

4.1 勞動(dòng)力組織

在TBM掘進(jìn)勞動(dòng)力組織的基礎(chǔ)上,TBM檢修按工序分成9個(gè)班組,每組設(shè)工長(zhǎng)1人,刀盤檢修、推進(jìn)撐靴組件檢修、主機(jī)檢修和運(yùn)輸采用3班制,其他采用1班制。檢修期間用工峰值83人、谷值34人,共計(jì)消耗人工79 616工時(shí),見(jiàn)表3。由于洞內(nèi)運(yùn)輸里程達(dá)到15 km,上下班往返耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)4～5 h,為盡量減少上下班路途耗時(shí),檢修期間按照每班工作12 h、休息24 h組織,即每天平均工作時(shí)長(zhǎng)11.33 h,因此TBM檢修共計(jì)消耗人工112 756工時(shí)。S795號(hào)TBM由德國(guó)海瑞克公司設(shè)計(jì)制造,TBM檢修涉及進(jìn)口設(shè)備部件較多,為保證檢修質(zhì)量,另聘請(qǐng)8名外籍專家進(jìn)行指導(dǎo)。

圖6 TBM檢修工期橫道圖

表3 TBM檢修勞動(dòng)力配置表

TBM檢修兼有安裝和拆卸的工作內(nèi)容,洞內(nèi)安裝定額用工74 360工時(shí),洞內(nèi)拆卸定額用工51 282工時(shí)。表3中TBM檢修用112 756工時(shí),與安裝拆卸之和基本相當(dāng),主要原因是洞內(nèi)檢修運(yùn)距長(zhǎng)達(dá)15 km,上下班往返時(shí)間占工作時(shí)間的40%以上,除此以外,正常用工與洞內(nèi)安裝定額基本相當(dāng)。

4.2 配件和材料

4.2.1 配件

建設(shè)單位多次組織專家會(huì)對(duì)TBM檢修清單進(jìn)行評(píng)估,并且委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)需要更換的部件、配件進(jìn)行了價(jià)格咨詢,確定本次TBM主機(jī)及后配套檢修配件費(fèi)用為32 365 583元(油脂列入材料費(fèi)),見(jiàn)表4。

表4 TBM檢修配件費(fèi)用表

4.2.2 材料

TBM檢修工作量大、工作面廣、工種多,材料消耗主要集中在更換油液和焊接、切割等作業(yè),根據(jù)TBM檢修物資材料計(jì)劃,材料消耗共計(jì)336 375元,見(jiàn)表5。焊接、切割材料主要用于主機(jī)部分,因此均歸集為TBM主機(jī)及后配套檢修范疇。

表5 TBM檢修材料費(fèi)用表

與TBM安裝、拆卸定額比較,定額消耗液壓油1 422.03 L、潤(rùn)滑油3 231.95 L、齒輪油1 034.16 L,3種油品實(shí)際耗量分別為定額耗量的658%、97%和80%,液壓油耗量明顯高于定額。分析原因,液壓油箱額定容積4 500 L,定額耗量?jī)H為額定容積的32%,定額與實(shí)際嚴(yán)重不符;實(shí)際檢修中實(shí)施2次沖洗消耗液壓油2 160 L,加注液壓油4 500 L,工藝損耗約占總量的28%。與TBM安裝、拆卸定額比較,氧氣、乙炔氣、電焊條等焊割材料僅相當(dāng)于安裝、拆卸定額的30%,主要原因是后配套鋼結(jié)構(gòu)焊接、切割工作量很小。

4.3 機(jī)械設(shè)備配置

4.3.1 主要機(jī)械配置

TBM檢修配備的機(jī)械設(shè)備主要包括起重機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、加工機(jī)械和通風(fēng)除塵設(shè)備,由于TBM區(qū)域需進(jìn)行鉆爆和大量焊接工作,為保證洞內(nèi)施工作業(yè)正常供風(fēng)、除塵、降溫,在5#支洞洞口配置1臺(tái)3×200 kW風(fēng)機(jī)向交叉口供風(fēng),在交叉口配置1臺(tái)2×315 kW風(fēng)機(jī)向掌子面接力供風(fēng),在主洞增加5臺(tái)2×75 kW射流風(fēng)機(jī)配合通風(fēng), TBM隨機(jī)工業(yè)空調(diào)和除塵風(fēng)機(jī)改造完成后即可投入運(yùn)行,實(shí)施除塵降溫。 根據(jù)機(jī)械設(shè)備的用途,對(duì)TBM主機(jī)及后配套檢修和通用設(shè)備分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并計(jì)算機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng),見(jiàn)表6。

TBM檢修方案中還涉及到部分自制非標(biāo)設(shè)備、工人乘坐車輛等,在此不再詳細(xì)統(tǒng)計(jì)其價(jià)值和使用時(shí)長(zhǎng),視為包含在其他機(jī)械費(fèi)中。

起重機(jī)械消耗方面,洞內(nèi)安裝和拆卸定額消耗1 462臺(tái)時(shí),TBM檢修實(shí)際消耗1 344臺(tái)時(shí),消耗水平基本相當(dāng);運(yùn)輸機(jī)械消耗方面,洞內(nèi)安裝和拆卸定額消耗1 142臺(tái)時(shí),TBM檢修實(shí)際消耗6 048臺(tái)時(shí),相當(dāng)于安拆定額消耗的5.3倍。其原因在于: 兩者工況大相徑庭,定額是按洞外安裝、洞內(nèi)拆卸編制的,前提條件是具備洞外安裝場(chǎng)地和洞內(nèi)拆卸洞室,沒(méi)有考慮支洞、主洞長(zhǎng)距離運(yùn)輸和運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換。

4.3.2 工器具配置

TBM檢修改造工器具種類繁雜、數(shù)量眾多,粗略統(tǒng)計(jì)有近200種550余件,主要包括吊運(yùn)工器具、電工工具、緊固工具等,僅統(tǒng)計(jì)價(jià)值較大的30余種工具,采購(gòu)價(jià)值為214 500元,絕大部分為通用工器具,很難界定使用的部位,其總價(jià)值與主要機(jī)械設(shè)備相比相對(duì)很小,列入小型機(jī)具使用費(fèi)。

5 TBM主機(jī)及后配套檢修費(fèi)分析

5.1 TBM檢修經(jīng)濟(jì)性分析

一般中小型機(jī)械的設(shè)計(jì)使用壽命由廠家提供,大型機(jī)械設(shè)備特別是由多個(gè)關(guān)鍵部件組成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備,其設(shè)計(jì)使用壽命主要根據(jù)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)壽命確定[13],關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)壽命按工程量或使用時(shí)間計(jì)算。在不大修的情況下,整個(gè)大型設(shè)備的設(shè)計(jì)使用壽命計(jì)算公式如下:

Ti=Qi/V;

(1)

T總=min(Ti,Tj)。

(2)

式(1)—(2)中:Ti為按工程量確定壽命的機(jī)械部件轉(zhuǎn)換后的設(shè)計(jì)使用壽命;Qi為按工程量確定壽命的機(jī)械部件的設(shè)計(jì)使用工程量;V為按工程量確定使用壽命的機(jī)械部件的正常平均工作效率;T總為大型機(jī)械整體設(shè)計(jì)使用壽命;Tj為按時(shí)間確定使用壽命的機(jī)械部件的設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)間。

海瑞克S795號(hào)TBM主要部件是按照掘進(jìn)長(zhǎng)度25 km設(shè)計(jì)制造的,主軸承等主要部件工作壽命為15 000 h。引漢濟(jì)渭嶺北合同段內(nèi)共掘進(jìn)50個(gè)月,完成隧洞開(kāi)挖15 215 m,主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)為7 307 h,平均掘進(jìn)效率為2.082 2 m/h,施工期內(nèi)TBM平均利用率為20%,與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)論“TBM平均利用率21.45%”基本相近。

Ti=Qi/V=25 000÷2.082 2=12 006 h;

T總=min(Ti,Tj)=min(12 006,15 000)=12 006 h。

TBM自始發(fā)至合同分界點(diǎn)累計(jì)運(yùn)行7 307 h,達(dá)到整體設(shè)計(jì)使用壽命的60.86%。因此,在不實(shí)施整體大修的情況下,通過(guò)刀盤適應(yīng)性改造和整機(jī)檢修完全可以滿足接應(yīng)段施工任務(wù),符合大型機(jī)械設(shè)備維修規(guī)律[15]。

5.2 TBM檢修費(fèi)的構(gòu)成

TBM檢修費(fèi)是指在規(guī)定的耐用總臺(tái)班內(nèi),按規(guī)定的檢修間隔進(jìn)行必要的檢修,以恢復(fù)其正常功能所需的費(fèi)用。參考《水利工程設(shè)計(jì)概(估)算編制規(guī)定》[16]和《水利工程施工機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)定額》[17],由表3至表6的資源配置分析得到檢修費(fèi)的費(fèi)用構(gòu)成: 人工費(fèi)(L)1 084 745元,材料費(fèi)(S)353 206元,配件費(fèi)(P)32 365 583元,小型機(jī)具使用費(fèi)(T)214 500元,機(jī)械使用費(fèi)(M)7 279 522元。

TBM檢修費(fèi)=∑(L,S,P,T,M)=41 297 556元/臺(tái)次。

綜上所述,TBM主機(jī)及后配套1次洞內(nèi)檢修費(fèi)為41 297 556元,其中,工料機(jī)占比22%,配件費(fèi)占比78%。

5.3 TBM檢修費(fèi)與設(shè)備原值的關(guān)系

檢修費(fèi)與設(shè)備原值的比例關(guān)系是衡量檢修經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo),TBM屬于大型定制設(shè)備,受設(shè)備制造、隧道設(shè)計(jì)、施工組織影響,其檢修周期、檢修條件、施工方案存在差異,經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)有據(jù)可查的檢修案例較少,現(xiàn)對(duì)維爾特TB880E洞外檢修、鐵建重工DZ101返廠檢修與海瑞克S795洞內(nèi)檢修3個(gè)案例進(jìn)行比較。

1)維爾特TB880E于1997年生產(chǎn),在西康鐵路秦嶺隧道、西南鐵路桃花鋪一號(hào)隧道掘進(jìn)11.8 km,2007年進(jìn)行洞外檢修,業(yè)主批復(fù)檢修費(fèi)3 590萬(wàn)元(不含備用主軸承費(fèi)用),占設(shè)備原值的17.27%。檢修后應(yīng)用于吐庫(kù)二線中天山隧道SK1標(biāo)施工。

2)鐵建重工DZ101TBM于2014年生產(chǎn),在吉林引松供水工程二標(biāo)段掘進(jìn)15.74 km,2020年進(jìn)行返廠檢修,TBM主機(jī)及后配套檢修費(fèi)用3 589.64萬(wàn)元(未更換主軸承),占設(shè)備原值的31.89%。檢修后應(yīng)用于樂(lè)西高速公路大涼山1號(hào)隧道K2標(biāo)施工。

3)海瑞克S795號(hào)TBM采購(gòu)于2012年,TBM主機(jī)及后配套(不含錨桿鉆機(jī)、混凝土噴射系統(tǒng)設(shè)備、鋼筋網(wǎng)安裝器、鋼拱架安裝器、仰拱吊機(jī)等輔助設(shè)備)設(shè)備原值為170 297 009元,TBM主機(jī)及后配套洞內(nèi)檢修費(fèi)相當(dāng)于其設(shè)備原值的24.25%。

經(jīng)對(duì)比分析,以檢修費(fèi)占設(shè)備原值比例高低衡量,洞外檢修約占18%,洞內(nèi)檢修約占25%,返廠檢修約占32%。鐵建重工DZ101與海瑞克S795出場(chǎng)時(shí)間、開(kāi)挖斷面、掘進(jìn)里程非常近似,僅檢修環(huán)境不同,具有較強(qiáng)的可比性。

5.4 TBM檢修費(fèi)與維護(hù)費(fèi)的關(guān)系

TBM維護(hù)費(fèi)是指在規(guī)定的耐用總臺(tái)班內(nèi),按規(guī)定的維修間隔進(jìn)行各級(jí)維護(hù)和臨時(shí)故障排除所需的費(fèi)用,包括維修保養(yǎng)和故障排除發(fā)生的人工費(fèi)、潤(rùn)滑擦拭材料費(fèi)、更換配件費(fèi)、工器具使用費(fèi)、維修機(jī)械使用費(fèi)等。臺(tái)班維護(hù)費(fèi)與臺(tái)班檢修費(fèi)關(guān)系如下:

臺(tái)班維護(hù)費(fèi)=檢修費(fèi)×K(K為維護(hù)費(fèi)系數(shù),指臺(tái)班維護(hù)費(fèi)占臺(tái)班檢修費(fèi)的比例)。

統(tǒng)計(jì)分析海瑞克S795TBM維護(hù)費(fèi)發(fā)現(xiàn),TBM維護(hù)費(fèi)(y)與掘進(jìn)里程(x)符合指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系(見(jiàn)圖7)。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)回歸分析方法得到TBM維護(hù)費(fèi)與掘進(jìn)里程的函數(shù)關(guān)系:

y=1×106×e0.000 2x。

(3)

令x=25 000,得到y(tǒng)=148 413 159。由此預(yù)測(cè)TBM設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)維護(hù)費(fèi)總額為148 413 159元。K=維護(hù)費(fèi)/檢修費(fèi)=148 413 159/41 297 556=3.59。

同理,經(jīng)分析TBM維護(hù)費(fèi)(y)與運(yùn)行時(shí)間(x)符合一元二次函數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系(見(jiàn)圖8),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)回歸分析方法得到TBM維護(hù)費(fèi)與運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系:

y=0.635 3x2-734.15x+2×106。

(4)

令x=15 000,得到y(tǒng)=133 930 250,由此預(yù)測(cè)TBM設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)維護(hù)費(fèi)總額為133 930 250元。K=維護(hù)費(fèi)/檢修費(fèi)=133 930 250/41 297 556=3.24。

對(duì)比錦屏二級(jí)電站羅賓斯TBM維護(hù)費(fèi)系數(shù)K=3.12,與以上2種算法的結(jié)果基本相當(dāng)。

圖8 TBM維護(hù)費(fèi)-運(yùn)行時(shí)間曲線圖

6 結(jié)論與建議

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞嶺北TBM在工作50個(gè)月掘進(jìn)15 km后實(shí)施全面檢修,重點(diǎn)對(duì)刀盤、主驅(qū)動(dòng)和推進(jìn)撐靴組件進(jìn)行了檢修改造,檢修工作歷時(shí)97 d。TBM檢修改造后設(shè)備狀況良好,設(shè)備完好率達(dá)到85%以上,對(duì)接應(yīng)段地質(zhì)情況的適應(yīng)性明顯加強(qiáng),克服超硬巖、強(qiáng)巖爆、高地溫等難題完成了接應(yīng)任務(wù)。通過(guò)研究引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞嶺北TBM檢修改造的施工組織、資源配置和費(fèi)用構(gòu)成,得到如下結(jié)論。

1)TBM在使用壽命周期內(nèi)有必要進(jìn)行1次檢修,以恢復(fù)其正常功能,檢修周期為主軸承運(yùn)行7 000 h左右。

2)在不具備檢修洞室條件下,實(shí)施TBM洞內(nèi)檢修改造工期約100 d。

3)引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞嶺北TBM主機(jī)及后配套檢修費(fèi)占設(shè)備原值約25%,配件費(fèi)約占檢修費(fèi)的78%。TBM維護(hù)費(fèi)系數(shù)為3.24～3.59。

由于TBM檢修工作受設(shè)備狀況和施工條件影響較大,洞外檢修、返廠檢修、檢修費(fèi)與維護(hù)費(fèi)的關(guān)系等還需要進(jìn)一步研究。