地下隧洞施工鉆爆法與TBM掘進機法技術經濟對比研究

南海蛟

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

0 引 言

隧洞開挖中全斷面掘進機法(TBM)和鉆爆法作為兩種基本方法，應綜合比較工程投資、施工環境、沿線地質、工程特點等技術經濟條件，選擇合理的施工方法[1-2]。實際工程中，鉆爆法為隧洞施工開挖普遍選用的方法[3]。鉆爆法開挖爆破巖石時存在適用性強、較為經濟等優點，其施工過程主要有鉆出一定深度、孔徑的炮眼→裝入火藥→爆破開挖→通風排煙→清撬支護→出渣→再次循環，該方法屬于最為常規、傳統的隧洞開挖法。通常情況下，一天內鉆爆法能夠循環掘進2次，甚至達到3次，考慮隧洞的進洞長度、洞經、地質條件等因素，鉆爆法的挖進尺范圍為60-180m/月。

在盾構技術的基礎上發展形成的TBM掘進機法，主要適用于硬巖山嶺隧洞或大型引水工程。全斷面掘進機的產品種類繁多，經過多年的發展其施工技術基本完善，隧洞掘進速度快且巖層適應能力強，TBM掘進機現已在鐵路、公路、水利等行業的隧洞開挖中得到廣泛的應用，并已成為隧洞開挖中的首選施工機具[4]。TBM掘進機法能夠實現連續的機械破碎、支護、出渣等操作，通過電動機帶動主軸向刀盤施加壓力，然后對隧洞巖石利用盤形滾刀破碎，從而完成斷面的一次成型。TBM可以稱為能夠實現連續掘進的移動工程，屬于一種集信息技術、傳感、液壓、機電于一體的綜合成套設備，在完成機械運輸、出渣支護、破巖作業的情況下實現工廠化施工，掘進單工作面時存在效率高、速度快等優點。目前，按照護盾形式可將TBM分為單護盾、雙護盾和開敞式三種類型。考慮隧洞的洞經、地質條件等因素，TBM掘進機法的綜合進尺范圍為500-800m/月。

遼東半島東部某引調水工程等別為Ⅰ等，設計取水規模60m3/s，引水線路長12.6km，隧洞沿線深埋于混合巖、變質砂巖及弱風化-微風化花崗巖內，圍巖類型以Ⅱ-Ⅲ類為主，平均抗壓強度處于60-120MPa范圍。可行性研究報告較好的詮釋了鉆爆法、掘進機法的經濟技術比較，該工程存在的施工難點與重點如下：①掘進距離長、開挖斷面小，該引調水工程的隧洞斷面為12m2，出渣支護、排煙排水、供風供電等作業難度大；②地質條件復雜、隧洞埋深大，引水隧洞埋深較大，在高水壓力和圍巖大應力作用下易誘發涌水、冒頂、塌方等問題；③交通條件差、輸送難度高，引水工程地下隧洞穿越崇山峻嶺，隧洞布置困難且施工道路狹窄，運輸效率低、成本高、強度大，運輸風險和管理難度大；④施工干擾大、工序多，隧洞施工過程中存在平行施工的襯砌、灌漿、支護、出渣、開挖等工序，為保證各工序順利實施應合理組織施工。

水工隧洞支護形式按照隧洞設計規范規定分為鋼拱架、噴混凝土、錨桿加固、不襯砌等形式，并且水工隧洞支護方式受開挖方式的影響較大。總而言之，文章通過比較分析方案的技術經濟性，確定最佳方案法是鉆爆法與TBM掘進機法相結合的方法。

1 經濟對比分析

1.1 施工對比

以上兩種方法的優缺點存在明顯差異，具體如下：隧洞開挖中鉆爆法屬于應用成熟的傳統施工方法，存在造價相對較低、可靠性高、技術成熟、機動靈活和適用性強等優點；其缺點有勞動強度大、作業環境差、掘進長度受限、單工作面進尺施工速度慢等。TBM法存在自動化程度高、施工環境好、可減少支洞數量、單工作面掘進長度長及單向進尺施工速度快等優點；其缺點有地質條件適應性較差、對外交通道路要求較高、對承包商專業素質要求高、造價較高、維修不便、前期設備投入多等，施工時需滿足大件設備的運輸要求且可擇優選擇的承包商較少。綜合對比分析其工期、安全性、環保、經濟效益等因素，如表1所示。

表1 綜合對比分析

1.2 投資分析

1.2.1 TBM設施與價格

要購買全套的圍巖掘進機施工承包單位必須有一定的經濟實力，全斷面掘進機(TBM)的投資成本較高。通常條件下，對于中硬巖的掘進壽命名牌TBM主機達到40-50km，實際中10-20m長的施工隧洞最為常見[5]。例如，遼東半島東部某引調水工程選用直徑3.5m的雙護盾式TBM掘進機，主機和配套輔助設備的總成本達7500萬元，地下隧洞掘進長度12.6km，將全斷面掘進機(TBM)的所有費用分擔至每延米成洞中，其分攤成本較高且未按常規的方法實施折舊。

1.2.2 隧洞成洞總費用

隧洞成洞總費用主要包括一次性購買設備費以及初期支護襯砌、二期襯砌、隧道開挖成洞兩大部分，這也是實現隧洞成洞的必要條件，為滿足工程上施工的需要承包商應有一定的經濟實力。通過對比分析掘進機的成本數據，一般條件下鉆爆法低于掘進機的襯砌、成洞費用，其主要原因如下：①計算方法不同，通常按照20km分攤全斷面掘進機(TBM)全套設備折舊費，而大多數承包商通常以一個工程長度分攤折舊費，其原因為在后期工程中該套掘進機的配套設備和直徑不一定適用；由此以來，大幅度提高了每延米上分攤的折舊費，使得掘進機成洞費用大大增加。②掘進機法較傳統的鉆爆法能夠減少對隧洞圍巖的擾動，該方法無需實施爆破作業，且在隧洞開挖過程中掘進機的二期鋼筋混凝土襯砌、初期支護襯砌，其厚度較鉆爆法略薄。圍巖等級高的隧洞按照新奧法施工工藝原理，可以不實行隧洞襯砌，從而降低初期、二期襯砌以及掘進機成洞的總費用。目前，我國還沒有形成適用于掘進機法的混凝土襯砌規范，現有的相關規范僅限于鉆爆法，仍以鉆爆法的襯砌作為掘進機隧洞的襯砌方式，因此組合的鉆爆法混凝土襯砌及掘進機開挖提高了成洞總費用。③運行管理費較高，對于操作人員、工藝技術、機械設備TBM掘進機具有較高的要求，一般地TBM法需經歷比較復雜的調試、組裝、大件運輸、海運通關、TBM設計制造、采購招評標、設備選型等過程，并且經歷艱難復雜的正式掘進和試掘進，任一環節存在問題都將對項目整個工期造成重大影響。

實踐表明，在施工和設計過程中TBM法較鉆爆法，不可避免的會遇到地質、設備、技術管理等更多更大的風險，受以上因素影響往往會造成難以預見的投資損失、工期延長，投資和工期保證程度低。對于大部分圍巖(Ⅲ類除外)類型，鉆爆法的造價指標略低于TBM掘進機法，并且造價指標因圍巖類型的不同而存在較大偏差，所以在水利工程隧洞方案選擇要應重點分析工程地質條件，全面考慮技術方案的經濟可行性，以Ⅲ類圍巖為主的工程優先考慮TBM掘進機法。綜上分析，為減少TBM掘進法的總成本必須實行科學的折舊計算、襯砌優化、快速穩健的進尺、高水平管理、正確的設備選型等措施。針對超過3km長的隧洞，掘進機成洞總費用能夠低于或者持平于鉆爆法。

2 結 語

為合理選定最佳的方法，還要考慮運行維護、環境影響、施工工期、安全保障、征地占用、工藝條件等因素。在我國地下工程中TBM掘進機法逐漸得到推廣和應用，實踐表明該方法具有良好的應用成效，可為推動地下工程的進一步發展提供技術支撐。