隧道工程TBM法與鉆爆法施工方案的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究

摘 要：通過(guò)分析隧道工程TBM法和鉆爆法施工技術(shù)經(jīng)濟(jì)資料，從概算編制角度分析了兩種施工方法在人工、材料、機(jī)械費(fèi)用的差異。從工程措施角度，總結(jié)分析了兩種工法在開(kāi)挖、噴混、襯砌、仰拱預(yù)制措施工程數(shù)量及單價(jià)的差異。通過(guò)實(shí)際案例，把綜合指標(biāo)差異分解至主要工程措施差異，得出主要工程措施對(duì)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響程度，研究方法和結(jié)論對(duì)其他隧道施工方案比選具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道工程；鉆爆法；TBM法；技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：U451 " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)：2096-6903（2024）12-0013-03

0 引言

在山嶺隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中，通常采用鉆爆法或掘進(jìn)機(jī)施工。掘進(jìn)機(jī)施工可分為TBM法和盾構(gòu)法，由于盾構(gòu)法一般適用于土質(zhì)圍巖，與鉆爆法及TBM法適用的地質(zhì)條件差異較大，因此本研究主要對(duì)比分析TBM法與鉆爆法施工方案的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)差異。

鉆爆法[1]是一種通過(guò)火藥爆破開(kāi)挖施工的方法，首先在開(kāi)挖巖體上鉆鑿出一定孔徑和深度的鉆孔，在鉆孔中填充火藥進(jìn)行爆破開(kāi)挖。鉆爆法施工對(duì)隧道適應(yīng)性強(qiáng)，較為經(jīng)濟(jì)，是隧道開(kāi)挖中最傳統(tǒng)、常規(guī)的施工方法。TBM掘進(jìn)機(jī)施工是一種機(jī)械開(kāi)挖的施工方法，通過(guò)TBM設(shè)備刀盤機(jī)械破碎巖體，機(jī)械傳送出渣并進(jìn)行支護(hù)。TBM設(shè)備可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，主要適用于硬巖掘進(jìn)施工，多用于山嶺隧道或大型引水工程施工。

鉆爆法和TBM掘進(jìn)法各有優(yōu)缺點(diǎn)。本研究通過(guò)分析隧道工程采用TBM法和鉆爆法技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差異的原因，以期為隧道工程設(shè)計(jì)方案比選提供相關(guān)參考。

1 TBM法與鉆爆法經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

1.1 分項(xiàng)指標(biāo)差異

本研究重點(diǎn)從開(kāi)挖單價(jià)差異、施工工藝差異兩個(gè)方面分析鉆爆法與TBM施工綜合指標(biāo)的差異。

1.2 概算編制差異

主要從概算編制的角度分析造價(jià)差異。

1.2.1 人工費(fèi)

TBM法與鉆爆法開(kāi)挖隧道需要投入的人工種類和人員數(shù)量不同。TBM法施工人員配備，勞動(dòng)組合采取多工種制，根據(jù)作業(yè)及機(jī)械設(shè)備操控要求，可分20多個(gè)工種。鉆爆法施工人員種類較少，人員配置數(shù)量隨隧道開(kāi)挖斷面的增大而增加。隨著隧道開(kāi)挖直徑的增大，TBM所需施工人員數(shù)量比鉆爆法有明顯的減少。

1.2.2 機(jī)械費(fèi)

TBM法與鉆爆法開(kāi)挖隧道需要投入的機(jī)械設(shè)備差異較大。TBM法施工較鉆爆法施工機(jī)械化程度明顯提高，但人工數(shù)量需求較少。TBM法和鉆爆法施工中所采用的機(jī)械不同，機(jī)械臺(tái)時(shí)也不同，TBM法施工較鉆爆法的機(jī)械化程度高，機(jī)械費(fèi)也明顯高。

1.2.3 材料費(fèi)

施工所用材料包括消耗性材料、構(gòu)成工程實(shí)體的裝置性材料和施工中可重復(fù)使用的周轉(zhuǎn)性材料。

1.2.4 臨時(shí)工程

TBM法施工一般必須配置仰拱塊預(yù)制場(chǎng)工程及倒渣系統(tǒng)，且對(duì)洞外場(chǎng)地和風(fēng)水電配套等臨時(shí)工程的要求較鉆爆法高。但鉆爆法要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)洞短打需增加斜井等輔助坑道和施工工作面的臨時(shí)工程配套數(shù)量。

1.2.5 工期

采用TBM法開(kāi)挖隧道，效率較高，但工期較長(zhǎng)；采用鉆爆法施工，效率較低，但可通過(guò)增加工作面縮短工期。一般兩種施工方法通過(guò)設(shè)置輔助坑道及調(diào)整工區(qū)長(zhǎng)度，均可達(dá)到目標(biāo)工期。

1.2.6 工程量

工程量的計(jì)算應(yīng)按照行業(yè)主管部門規(guī)定的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范或計(jì)量規(guī)則，以及概預(yù)算定額的規(guī)定、準(zhǔn)則。已有研究[2]表明，鉆爆法與TBM兩種施工方法下工程量的差異主要體現(xiàn)在土石方開(kāi)挖、棄渣及進(jìn)料運(yùn)輸、初期支護(hù)和永久支護(hù)的工程量。

土石方開(kāi)挖工程量的主要差別在于鉆爆法超挖較多，且對(duì)圍巖擾動(dòng)較明顯，襯砌厚度增加。初期支護(hù)的差別主要在于TBM施工初期支護(hù)較鉆爆法弱，且多數(shù)高度機(jī)械化施工，節(jié)約人工和材料?？紤]到超挖和圍巖擾動(dòng)引起的回填和襯砌厚度的增加，鉆爆法較TBM法需要多投入永久支護(hù)費(fèi)用。

1.2.7 經(jīng)濟(jì)洞長(zhǎng)

根據(jù)已有研究[3]分析及TBM設(shè)備制造商調(diào)研，鉆爆法單工作面工區(qū)長(zhǎng)度一般不超過(guò)3.5 km。一般地區(qū)施工，TBM一次性掘進(jìn)長(zhǎng)度（最大掘進(jìn)長(zhǎng)度）超過(guò)20 km，理論壽命可達(dá)30 km，為減低工程風(fēng)險(xiǎn)，若具備條件，每隔10 km應(yīng)設(shè)計(jì)一條檢修支洞。

2 TBM法與鉆爆法施工方案研究案例

2.1 工程概況

某引水工程隧洞長(zhǎng)69.2 km。對(duì)該隧洞局部段落TBM法施工與全鉆爆法施工進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 方案比較

2.2.1 臨時(shí)工程比較

鉆爆法臨時(shí)工程建設(shè)[4]要求完成“四通一平”和“三管兩路”。TBM 相對(duì)鉆爆法增加了仰拱塊預(yù)制廠、倒渣系統(tǒng)修建、預(yù)備洞和出發(fā)洞的開(kāi)挖等TBM 進(jìn)洞前必須完成的項(xiàng)目。

雖然TBM 法對(duì)臨時(shí)工程的要求更復(fù)雜，但是TBM 法由于連續(xù)施工的隧道長(zhǎng)度較鉆爆法長(zhǎng)，臨時(shí)工程攤銷至隧道每延米的費(fèi)用少，這也是TBM 法施工的優(yōu)勢(shì)所在。

2.2.2 施工進(jìn)度對(duì)比分析

全鉆爆法方案布置18 條施工支洞作為開(kāi)挖和襯砌施工的運(yùn)輸通道，支洞總長(zhǎng)14.117 km，施工工期47 個(gè)月。隧洞花崗巖段可采用TBM 掘進(jìn)施工，采用2 臺(tái)TBM 施工段落總長(zhǎng)23.064 km，其余段落采用鉆爆法施工，TBM 施工方案布置14 條施工支洞，支洞總長(zhǎng)13.458 km，施工工期57個(gè)月。

2.2.3 投資比較

在同一施工段下（二類圍巖占比約36%，三類圍巖占比約64%）。定額及編制辦法采用水利部水總[2014]429號(hào)文及部頒水利概算定額（水利工程隧洞掘進(jìn)施工概算定額），材料編制期價(jià)格依據(jù)2020年3季度市場(chǎng)價(jià)格。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用TBM 法施工單價(jià)為49 360元/m，鉆爆法施工單價(jià)為36 254元/m，高13 106元/m，高出36%。

2.2.3.1 開(kāi)挖/掘進(jìn)單價(jià)差異分析

分析表1可見(jiàn)，TBM掘進(jìn)單價(jià)（含洞內(nèi)出渣）為597.11元/m3，較鉆爆法二類圍巖開(kāi)挖單價(jià)（含洞內(nèi)出渣）284.69元/m3高312.42元/m3，較鉆爆法三類圍巖開(kāi)挖單價(jià)（含洞內(nèi)出渣）220.02元/m3高377.09元/m3。則該施工段TBM開(kāi)挖單價(jià)較鉆爆法開(kāi)挖單價(jià)高353.81元/m3。

TBM單價(jià)較鉆爆法高，主要由材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)較高引起。經(jīng)測(cè)算，在相同開(kāi)挖斷面（直徑7.08 m）下，因施工方法不同，引起的掘進(jìn)延米綜合指標(biāo)差為13 929.19元/m。

2.2.3.2 襯砌、噴混及仰拱預(yù)制塊單價(jià)差異分析

水利工程根據(jù)設(shè)計(jì)流量計(jì)算鉆爆法與TBM斷面大小，相同設(shè)計(jì)流速（47 m3/s）下，鉆爆法每延米開(kāi)挖量為38.81 m3，TBM掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖量39.37 m3。兩種施工方法初期支護(hù)與襯砌參數(shù)如表2。

根據(jù)鉆爆法與TBM法初襯噴混與二襯厚度的差異計(jì)算工程量差如表3，根據(jù)水利定額計(jì)算初襯噴射混凝土與襯砌混凝土單價(jià)差異如表4。

根據(jù)水利工程工程量計(jì)算規(guī)則，不單獨(dú)計(jì)算超挖量。襯砌定額已考慮超挖部分，每100m3襯砌消耗146 m3混凝土，因此超挖部分引起的單價(jià)差異已包含于襯砌指標(biāo)內(nèi)。由上述分析可知，TBM法掘進(jìn)Ⅱ類圍巖在噴混與襯砌方面可以節(jié)約投資5 598.9元/m。Ⅲ類圍巖可節(jié)約投資3 609.4元/m。根據(jù)該施工段圍巖比例，綜合節(jié)約投資4 325.62元/m。

2.2.3.3 仰拱預(yù)制塊

由于TBM需預(yù)制仰拱預(yù)制塊（TBM襯砌數(shù)量不含仰拱預(yù)制塊），每延米預(yù)制塊1.87 m3，引起TBM法較鉆爆法單價(jià)高2 524.5元/m。

2.2.4 綜合指標(biāo)差異分解

TBM法與鉆爆法均可滿足60個(gè)月的目標(biāo)工期，TBM工區(qū)二、三類圍巖連續(xù)性差，且TBM棄渣無(wú)法加工砂石料。綜合投資比選結(jié)果，該隧洞推薦采用全鉆爆法方案。TBM法與鉆爆法指標(biāo)對(duì)照分解分析如表5。

3 結(jié)束語(yǔ)

在同一施工段下，TBM法與鉆爆法綜合指標(biāo)差異主要由開(kāi)挖、襯砌、噴混、仰拱預(yù)制等工程措施差異引起。TBM法較鉆爆法開(kāi)挖為正影響，噴混與襯砌為負(fù)影響，仰拱襯砌為正影響。對(duì)綜合指標(biāo)差異進(jìn)行分解分析后發(fā)現(xiàn)：TBM綜合指標(biāo)較鉆爆法綜合單價(jià)高13 106元/m，高出36%。其中開(kāi)挖工序影響38%；襯砌及噴混工序影響-12%；仰拱預(yù)制因素影響7%；其他因素3%。

參考文獻(xiàn)

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