引漢濟渭秦嶺隧洞工程投資控制的關鍵問題研究

李向東

(鐵道第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

引漢濟渭秦嶺隧洞工程投資控制的關鍵問題研究

李向東

(鐵道第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

為進一步加強引漢濟渭秦嶺隧洞工程投資的控制，確保陜西省引漢濟渭調水工程按期完成，針對水利部概算“編規”的局限性，在現有法律法規和定額的基礎上，重點研究了4個關鍵問題的解決方法： 1)“編規”對引水隧洞項目的劃分較粗，無法滿足秦嶺隧洞工區多、費用組成復雜的要求，設計采用金字塔型分工區結構進行概算組織； 2)進口硬巖TBM掘進設備購置費高、斷面單一，難以反復利用，“編規”僅在石方開挖單價中計取設備折舊費將使施工單位面臨巨虧，設計采用折舊費由施工單位和業主分攤的方案達到了風險共擔的目的； 3)秦嶺隧洞最大獨頭通風距離達到16 km，超越了“編規”最大12 km的極限，設計采用二次曲線擬合，準確確定TBM軸流通風機調整系數； 4)“編規”中隧洞排水費已包含在臨時設施費內綜合考慮，不單獨計列，無法適應多次穿越富水層的秦嶺隧洞，設計根據預測涌水量和排水方案計算排水費，使概算合理，留有余地。

引漢濟渭； 秦嶺隧洞； 投資控制； 概算組成； TBM設備購置費分攤； 超長距離通風費； 隧洞排水費

Abstract: In order to further strengthen the investment control for Qinling Tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project and accomplish the project on schedule, the solutions of four key problems are studied based on the existing regulations and quotas, in view of the limitations ofRegulationsforBudgetofWaterProjectDesign,theMinistryofWaterResourcesofthePeople′sRepublicofChina. 1) The regulations cannot meet the requirements of Qinling Tunnel due to its coarse classification of water diversion tunnels. The pyramid structure is employed for budget estimation. 2) The cost of imported hard rock TBMs, most of which have a single cross section and can hardly be reutilized, is very high. In the regulations, the equipment depreciation is taken into consideration only in the unit price of rock excavation, leading to huge losses for the construction company. Thus, the equipment depreciation is shared by both the construction company and the owner, so as to achieve risk sharing. 3) The maximum dead-end ventilation distance in Qinling Tunnel reaches 16 km, which is beyond the limit of 12 km specified in the regulations. The quadratic curve fitting is adopted to accurately determine the adjustment coefficient of TBM axial flow fan. 4) The cost of tunnel drainage in the regulations is included in the temporary facilities fee instead of independent budget. This is not applicable for Qinling Tunnel which passes water-rich strata several times. Thus, the drainage fee is calculated according to the predicted water gushing volume and the drainage scheme, which is more rational and allows for unforeseen circumstances.

Keywords: Hanjiang River-Weihe River water diversion; Qinling Tunnel; investment control; budget composition; purchase cost allocation of TBM equipment; extra-long distance ventilation fee; inclined shaft drainage fee

0 引言

陜西省引漢濟渭調水工程是解決關中地區水資源緊缺，地跨長江、黃河2大流域的大型調水水利工程，工程主要由黃金峽水利樞紐、秦嶺特長輸水隧洞、三河口水利樞紐3部分組成[1]。其中，橫穿秦嶺的特長輸水隧洞全長81.779 km，最大埋深2 000 m，地質條件復雜，預測富水地段長，其長度、埋深和修建難度舉世罕有，是引漢濟渭調水工程的關鍵。在設計階段，根據水利部的規定，秦嶺隧洞的投資應按《水利工程設計概(估)算編制規定》[2](以下簡稱“編規”)編制，但受“編規”年代的局限，在概算組成的合理性、TBM掘進機設備購置費用分攤、超長距離通風費、斜井排水費等4大關鍵問題上，不能完全適應秦嶺隧洞工程的需要，所以需要探索新的方法。

馮江波等[3]結合工程實例，將2014 年新“編規”與2002年舊“編規”進行了對比分析，指出新舊“編規”的主要變化在于提高人工預算單價、調整費率及簡化費用計算過程；賈秀玲[4]指出國內沒有能力生產硬巖TBM，國產軟巖TBM難以達到水工隧洞施工要求，分析了水利工程TBM進口中存在的問題；高建洪等[5]介紹了掘進機施工概算定額及施工機械臺時費定額編制的基本思路和方法, 闡述了定額測算方法及工程取費費率測算方法；樊琳等[6]針對長距離隧洞工程實例，對通風機械設備的選型配置及實際通風費用測算進行了探討；蔣于波等[7]介紹了秦嶺隧洞TBM嶺南反坡排水分級水倉、逐級抽排的施工方法；陳兵[8]針對國內長大隧洞反坡排水常規方式還處于人工操作階段、泵站設置數量多且管理繁瑣、人力財力耗費大的現狀，在秦嶺隧洞嶺北7號洞工區反坡排水采用自動抽排水系統，以體現節能、安全和實用的優勢?？傊陨衔墨I主要針對費用標準、TBM設備選型、長距離通風、反坡排水施工方法等展開研究，而對本文提出的4個關鍵問題，可供參考的文獻較少。

目前，引漢濟渭秦嶺隧洞正在全面施工中。為把引漢濟渭調水工程建設成百年精品，設計單位進行深入研究后提出了新的方法，編制了切合實際的概算，對投資實現了控制，確保了投資合理、可控和工程按期竣工。

1 合理概算組成研究

根據“編規”中的章節劃分，秦嶺隧洞應按“樞紐工程”—“三、引水工程”—“3、引水隧洞工程”—“土方開挖、石方開挖、模板、混凝土等”的章節細目編制概算。這對一般的引水隧洞工程比較適應，但對需要同時采用TBM掘進和鉆爆法施工，必須做好移民和環境保護，需解決好超長距離通風和斜井大量排水的秦嶺隧洞工程，則無法反映每個單位工程的投資情況，且編制深度也明顯不夠。經多方案反復研究比選，提出了如圖1所示的按秦嶺隧洞的工區來劃分章節細目進行概算編制的方法。

圖1 秦嶺隧洞工區劃分示意圖(單位： m)Fig. 1 Sketch of division of working areas for Qinling Tunnel (unit: m)

由圖1可以看出: 秦嶺隧洞共設置10座施工支洞輔助施工；鉆爆法工區42.697 km，TBM敞開式掘進機工區39.082 km；永久運營通道2座(3號和6號斜井)，其他臨時支洞8座(長20.209 km)。根據秦嶺隧洞各工區的劃分，重新組織的概算編制章節細目如圖2所示。

由圖2可以看出： 把秦嶺隧洞按單位工程進行劃分后，即可對每個獨立的單位工程分別計算投資；底層細目依然按“編規”的要求進行單價組合(圖2僅列出椒溪河主洞工區和支洞工區的底層細目，其他工區與其相同)；編制的概算呈“由總到分、由上而下、層層遞進”的金字塔結構。這樣的結構具有以下優點： 一是可以清晰地了解工程的構成和上下關系；二是每個工區獨立編制概算，可以單獨配置人工費、材料費和運雜費、施工措施費率等，概算基礎資料更準確；三是每個工區獨立編制概算，可以順利地解決每個工區因棄碴場位置不同而導致的石方運距差異，以及混凝土拌合站位置不同而導致的運輸距離單獨設定問題；四是可以根據每個工區各自的排水、通風情況，設置獨立的排水通風計算參數，切合實際地編制概算。秦嶺隧洞的投資由于合理組織了金字塔式的概算結構，條理清晰，邏輯嚴密，比較緊密地貼合了工程實際，滿足了秦嶺隧洞初設概算的深度要求和投資控制，也較順利地通過了各級審查。

2 TBM掘進機設備購置費分攤研究

2.1 TBM掘進機設備購置費分攤的提出

秦嶺隧洞長達82 km，需要開辟多個工作面才能滿足工期要求，但僅其兩端屬嶺南、嶺北中低山區，埋深較淺，且溝壑縱橫，可采取“長隧短打”的鉆爆法施工方法；中間近40 km隧洞深埋在1 000 m以上，且山體巨厚，無深切溝谷可利用，經方案比選，決定采用TBM全斷面掘進機施工[9]。

圖2 秦嶺隧洞概算編制金字塔結構示意圖Fig. 2 Sketch of pyramid structure of budgeting for Qinglin Tunnel

TBM工法作為第4代施工技術，是目前隧道施工中公認的最先進的工法之一。TBM采用機械式破巖，集隧道施工的開挖、出碴、初期支護(管片襯砌)、通風除塵、鋪設隧道軌線以及風水電延伸于一體，具有快速、優質、安全和環保等施工特點，實現了長大隧道施工的流程化作業，其優勢非常明顯[10]。但TBM在秦嶺隧洞使用過程中也有不足之處，主要表現在2方面： 1)量身定制，通用性差。一般輸水隧洞的斷面由流量來控制，秦嶺隧洞輸水量大，要求的TBM直徑也大，施工單位按設計要求購得掘進機后很難將其再用于其他工程。2)設備昂貴，初期投入大。目前國產TBM設備主要用于區間較短且多為軟弱圍巖的城市軌道交通項目，尚難以滿足像秦嶺隧洞這樣使用長度接近20 km、巖石飽和抗壓強度為30～133 MPa的長大硬巖隧洞施工。為了保障安全和工期，必須進口國外成套的硬巖TBM設備[4]。

進口TBM設備購置費用昂貴，如果設備由業主采購，業主的投入過高，不利于施工單位對TBM的愛護和使用；反之,受水工斷面的單一性限制，施工單位無法繼續在其他項目中使用TBM，后期設備還得存放和定期養護，施工單位勢必承擔較大的風險。因此，提出TBM掘進機設備購置費模式及費用分攤問題。

2.2 TBM掘進機購置模式

經研究確定的秦嶺隧洞TBM購置模式為： 設計單位提供設備技術規格書，由施工單位出資負責招標采購，業主委托專業人員和施工單位聯合監造；設備到岸后由雙方聯合組織驗收，設備的國內運輸和現場組裝拆卸調試及整個TBM施工期的維修養護都由施工單位負責；工程竣工后，設備經第三方檢測后完整移交給業主，業主向施工單位支付購買設備的折舊余值費用；后期，業主對設備整修后可以用直接租賃或融資租賃等方式來進行TBM全壽命期管理。這種方式充分平衡了TBM購置的風險，考慮了雙方的利益，業主在前期可以以較少的投入完成工程目標，而施工單位只要順利地完成工程就可以拿到剩余折舊費，不必承擔設備后續使用的壓力。

2.3 TBM掘進機設備購置分攤費的計算

根據水利部門的規定，在水利工程概算中一般不單獨計取TBM掘進機購置費，其費用僅按臺時費計取在石方洞挖的綜合單價中。對于引漢濟渭秦嶺隧洞這樣的特殊工程，這種傳統計費模式顯然與實際存在較大差距，必須對此特殊考慮。

根據《水利工程施工機械臺時費定額》和《水利工程概預算補充定額(掘進機施工隧洞工程)》[11]的規定，水利工程中施工機械的費用按臺時計算，臺時費中的折舊費是指機械在壽命期內回收原值的臺時折舊攤銷費用[12]，見式(1)。

設備臺時折舊費=(設備采購價+運雜費)×(1-設備殘值率)/壽命總臺時。

(1)

可以認為TBM掘進機的購置費在扣除殘值后可以按使用小時回收，并以折舊攤銷費的形式計算出TBM掘進機的購置分攤費用。

秦嶺隧洞TBM段施工長度達到39.08 km，分南北2個工區相向掘進。嶺南TBM由3號支洞進入，掘進距離為17.58 km，嶺北TBM由6號支洞進入，掘進距離為21.5 km。秦嶺隧洞石方開挖數量及TBM臺時統計見表1。

表1 秦嶺隧洞TBM開挖數量及臺時統計Table 1 Statistics of the total excavation volume and the excavation volume per hour by a TBM for Qinling Tunnel

根據初步設計方案，秦嶺隧洞配置2臺開敞式全斷面TBM掘進機，其購置費單臺2.5億元(含后配套及皮帶機)，扣除設備殘值5%，TBM掘進機可使用價值為4.75億元。在《水利工程隧洞掘進機施工機械臺時費定額》中，直徑為8 m的敞開式TBM掘進機折舊費為6 530.72元/臺時，則TBM的使用時間為4.75億元÷6 530.72元/臺時=7萬2 733臺時。根據預測和統計分析，本段TBM綜合利用率按35%考慮[13]，則TBM壽命周期成本內的設備使用時間為7萬2 733臺時×35%=2萬5 456臺時。嶺南TBM掘進石方為89.3萬m3，消耗1萬6 709臺時，占壽命周期的66%；嶺北TBM掘進石方為110.95萬m3，消耗1萬8 313臺時，占壽命周期的72%。經計算，嶺南TBM工區建安費中已含折舊費1.09億元，嶺北TBM工區建安費中已含折舊費1.20億元，嶺南TBM工區應另計取TBM掘進機設備折舊費4.75億元/2臺-1.09億元=1.28億元，嶺北TBM工區應另計取TBM掘進機設備折舊費4.75億元/2臺-1.20億元=1.18億元，合計2.46億元。作為TBM設備購置分攤費，在秦嶺隧洞初步設計概算的獨立費中單列，得到了陜西省發改委的批復。2臺TBM的剩余壽命周期為2萬5 456臺時×2-(1萬6 709臺時+1萬8 313臺時)=1萬5 890臺時，仍有一定的使用空間。

該方案責權利分明，風險共擔，使困難的TBM購置費問題得以解決，保障了工程的順利實施，得到了業主和施工單位的認可。

3 超長距離通風費研究

3.1超長距離通風費用的提出

國內TBM施工獨頭通風長度大多控制在10～15 km，如蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM獨頭通風距離為12.5 km、遼寧大伙房輸水隧洞TBM獨頭通風距離為11.23 km[14]。秦嶺隧洞嶺北TBM工區長度21.5 km，自5號支洞進入主洞至最長工作面長達16.18 km，其獨頭通風距離突破了現有“編規”最大12 km的極限。因此，需要認真研究并提出超長距離通風費用的計取方法。

3.2秦嶺隧洞TBM工區超長距離通風方案的選定

TBM在開挖施工時，由于掘進速度快，TBM刀盤切削巖石時產生的熱量大、粉塵多；機械設備運轉速度快，機車來往密度大；洞內注漿孔、排水孔的風鉆打眼作業會產生大量粉塵。為給施工人員和機械創造適宜的工作環境，必須做好通風。針對本工程TBM工區送風距離長、工作面多、工序多、需風量大的特點，經研究比選后，設計采用了低噪節能的大風量風機配大直徑風管的壓入式送風技術。經計算，送風量達46 m3/s，可以滿足本工程的通風需要[14]。

3.3秦嶺隧洞TBM工區超長距離通風費用計算的特殊性

根據“編規”，水工隧洞的通風費用一般是根據獨頭通風長度，用通風機臺時量乘以通風調整系數進行計算。秦嶺隧洞TBM工區超長距離通風費用計算的特殊性主要在于其通風調整系數的確定?！端こ趟矶淳蜻M機施工機械臺時費定額》中，軸流通風機臺時量是按一個工作面長度為6 km擬定的，當工作面長度超過6 km時，根據定額說明，應依據定額的系數表，采用內插和外延的方式計算取得通風調整系數。這種方法是簡單地把通風系數和距離的關系擬定為直線關系，而本工程的情況卻是隨著通風距離的增加，供風量是不斷衰減的、漸變的曲線關系。況且，其最大工作面長度僅12 km。所以，秦嶺隧洞通風調整系數的計算必須另辟蹊徑。

3.4秦嶺隧洞通風費用的計算模型

Matlab是一個很強大的數據處理軟件，可以進行數據分析。當需要研究2個變量之間的關系時，經常要用到曲線擬合。曲線擬合不僅能給出擬合后的關系式，還能用圖形直觀地展現出變量之間的關系。

根據《水利工程隧洞掘進機施工機械臺時費定額》，說明不同工作面長度下的軸流通風機調整系數，如表2所示。

表2 軸流通風機調整系數Table 2 Adjustment coefficients of axial flow fan

直徑為8 m的TBM通風調整系數經擬定后的接近公式為：y=0.012 9x2+0.125 9x-0.268 1，R2=0.993 6，R接近1，可以判定為多項式擬合。經過擬合后的系數比簡單直線內插和外延精度高，得到的軸流通風機調整系數也更為準確。圖3是直徑為8 m的TBM通風系數圖。

圖3 直徑為8 m的TBM通風系數圖Fig. 3 Ventilation coefficients of TBM with diameter of 8 m

通過對通風系數的擬合處理，秦嶺隧洞TBM段超長通風距離的調整系數見表3。

表3 秦嶺隧洞TBM段超長通風距離的調整系數

4 秦嶺隧洞排水費研究

秦嶺隧洞地質、水文地質條件復雜，必須穿越大理巖、大理巖夾片巖地層的強富水區及中等富水區，各斜井開挖中都面臨著很大的反坡排水壓力[15]，排水方案及其費用均需精心設計和研究。

4.1秦嶺隧洞排水方案的設定

根據施工組織，秦嶺隧洞安排11個工區施工，各工區排水量由預測涌水量和施工用水2部分組成。掌子面施工用水分別按鉆爆法段120 m3/d、TBM段22 m3/d考慮。施工支洞根據揚程進行泵站布置。施工中在掌子面附近挖集水坑集水，再用潛水泵抽水至井底泵站集水倉，后逐級抽水并經層層沉淀凈化后排至洞外污水處理系統。TBM冷卻水循環利用，不排入隧道內。

4.2秦嶺隧洞排水費用計算中遇到的問題

根據“編規”的規定，隧洞排水費已包含在現場經費的臨時設施費內綜合考慮，至于隧洞涌水大小、是否反坡排水、設置泵站多少、反坡長度和提升高度等都在費率中綜合考慮，這顯然無法客觀反映秦嶺隧洞在排水方面的困難程度。例如，3號支洞和4號支洞工區的日涌水量預測可達2.5萬m3，如果不將這部分排水費用接近實際地計列，其投資將明顯偏離實際很多。

4.3秦嶺隧洞排水費的計算

一般排水費的計算公式為：

排水費用=正常排水總量×排水單價。

(2)

因此，正常排水總量和排水單價的合理確定是計算排水費用的關鍵。

4.3.1 秦嶺隧洞涌水量的預設

在勘察階段，參考本工程附近18 km長的西康高速公路秦嶺隧道及石砭峪引水隧洞預測及施工實測涌水量的關系資料，采用鉆探、物探和水文測試相結合的方法，劃分了秦嶺隧洞各地層的富水程度，并經業主組織專家論證后，提出了預測的分段涌水量。

根據《陜西省引漢濟渭工程環境影響報告書》的要求，排水方案應嚴格貫徹“以堵為主，控制排放”的方針。為限制富水區段地下水的過度排放，采取了全斷面徑向注漿的堵水措施。根據相鄰類似工程的經驗及本工程試驗段數據，綜合確定輔助坑道的堵水率按70%考慮。由于要考慮水壓對襯砌結構的影響，主洞需設泄水孔，允許適當排水，其堵水率按60%考慮。

正常排水總量=預測涌水量×工期×堵水率。

(3)

據此分別確定各施工支洞工區的平均正常涌水量，如表4所示，作為編制施工排水方案的依據?？紤]到本隧洞大部埋深較大，根據附近相鄰深埋隧洞的施工經驗，除進口工區外，忽略了季節因素對預測涌水量的影響。

表4 各支洞工區平均正常涌水量及排水單價

4.3.2 秦嶺隧洞排水單價的確定

一般情況下：

排水單價=(人工費+排水設備機械使用費+臨時排水管路+污水處理費)/正常排水總量。

(4)

根據“編規”，在開挖隧洞的石方單價的組成臨時設施費中已包含了一部分排水費，這部分費用是按費率計算的，且無法分離出，因此在分析排水單價時對其進行簡化處理。排水單價即為排水設備抽出每m3水所消耗的電價，人工費、設備折舊費、臨時排水管路和污水處理費等均認為已包含在臨時設施費中不重復計列。簡化后的排水費計算公式見式(5)—(7)。

排水設備臺時數量=正常排水總量/排水設備揚程；

(5)

排水設備臺時費單價=1級揚程1 h排水設備耗電量×電價×揚程級數；

(6)

排水費=排水設備臺時數量×排水設備臺時單價。

(7)

由表4可知，椒溪河支洞工區采用從洞底離心排水泵(額定功率350 kW，抽水972 m3/h)揚程1級提升到洞口排出，則排水設備臺時數量=230萬5 086 m3÷972 m3/h=2 371 h，排水設備臺時費單價=350 kW×1.12元/kW×1=392元，則椒溪河支洞工區的排水費用為2 371 h×392元/臺時=93萬元。因各工區揚程不同，所以單價也有較大差異，進口的椒溪河支洞工區最小，嶺脊附近的3號支洞和4號支洞工區最大。這樣確定的單價，通過核實支洞工區實際排水量記錄，跟蹤排水實際發現，仍有接近10%的誤差，但已屬可控范圍。

通過計算，秦嶺隧洞在初設階段統計的排水費用在其工程投資中所占比例不小，“編規”規定的臨時設施費難以涵蓋。本文提出的方法雖然可以反映隧洞的涌水量，但準確做好涌水量預測是世界性難題，還是應做好動態控制和變更，并在概算中留有相當的余地。根據其他已實施項目的實踐經驗，排水費用造價控制的最佳途徑是動態控制，施工過程中應及時跟蹤涌水量的變化，核實實際抽水量記錄，進行抽水單價的測算，分期分項進行抽水費用的變更和結算。只有這樣才能真實有效地核算排水費用，避免涌水量預測誤差造成的實際費用與設計概算出現較大偏差。

5 結論與體會

引漢濟渭秦嶺隧洞具有大埋深、高涌水、施工通風及運輸距離超長等特點，隧洞施工難度居世界在建隧洞前列，由于工程的獨特性，要求必須依據工程實際對水利部“編規”和定額進行合理調整。

1)對于采用多個工區“長隧短打”的引水隧洞，其概算組成應按工區組成單獨編制，采用金字塔型分工區結構進行概算組織，以準確反映各工區的投資。

2)進口硬巖TBM掘進設備由于購置費用高，使用局限性大，施工單位在采購后將面臨很大的風險，設計要在編制概算時充分考慮TBM掘進機設備購置費分攤問題，深入研究折舊費不足時的補虧方案。

3)TBM工區施工距離長，通風費用大。軸流通風機調整系數是影響投資的關鍵因素，采用二次曲線擬合可以準確得到TBM軸流通風機調整系數。

4)秦嶺隧洞多次穿越富水層，排水費用高，臨時設施費中的排水費用根本無法涵蓋，應根據預測涌水量和排水方案詳細計算排水費用，補齊因費率不足造成的缺口。

本文通過對有關引漢濟渭秦嶺隧洞投資控制的4個關鍵問題的研究，找到了合理可行的解決方案，確保了項目的投資控制和順利施工，對進一步提升我國修建長大隧洞的投資控制水平積累了經驗。

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StudyofKeyProblemsinInvestmentControlforQinlingTunnelofHanjiangRiver-WeiheRiverWaterDivisionProject

LI Xiangdong

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi′an710043,Shaanxi,China)

U 45

A

1672-741X(2017)09-1090-07

2017-03-10;

2017-07-10

李向東(1975—)，男，山西長治人，1997年畢業于蘭州鐵道學院，技術經濟專業，本科，高級工程師，主要從事鐵路、水利和城市軌道交通的工程經濟研究工作。E-mail： 550220953@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.005