基于公路黃土隧道懸臂掘進機開挖與鉆爆法開挖的經濟對比分析

張秋露

（甘肅興隴工程監(jiān)理咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

（1）工程概況。黑莊坪隧道位于甘肅省定西市秦祁鄉(xiāng)境內，隧道地處黃土梁峁溝壑區(qū)，地勢起伏較大，隧道線路經過高程為2 311～2 465 m。隧道定西岸進口位于黃土沖溝右側山坡處，自然坡度為15°～25°，隧道中部山頂及山凹兩側的山坡坡度較大，為40°～60°，山體植被較少，主要為雜草，局部開墾為旱地。隧道臨洮按出口位于凸性山坡坡腳，自然坡度為15°～30°，植被不發(fā)育。本隧道進出口均為分離式隧道。隧道圍巖強度高，經專家評審會議通過決定采用懸臂掘進機進行開挖作業(yè)。右線里程樁號為YK35+538～YK37+060，長度為 1 640．895 m，左線里程樁號為 ZK35+510～ZK37+103，長度為1 710．221 m，最大埋深為175 m。

（2）地質概況。根據地質測繪、鉆探揭露并結合室內土工試驗，隧址區(qū)地層按其時代和成因分類，在勘察深度范圍內上覆地層為第四系上更新統(tǒng)分積成因（Q3eol）新黃土；下伏新近系臨夏組（N214）泥質砂巖。泥質砂巖地質特征：棕紅色，泥質結構，中厚層狀構造，半成巖狀，遇水易軟化，崩解，失水易龜裂，分布于整個隧址區(qū)。

（3）水文地質條件。地表水：隧道進出口處下方沖溝內見少量流水，水量受大氣降水影響較大。

地下水：隧址屬于缺水地區(qū)，周邊無地表水，山坡匯水面積小，降雨時地表徑流消散很快。結合水文地質邊界條件分析，本隧道無地下水，降雨滲入隧道內的水極少，以點滴狀或滲水出水為主，但在隧道出口右側約50 m，黃土與泥巖交界面附近見3處下降泉，水量為0．1～0．5 L/s。不排除隧道存在地下水的情況，但在實際施工過程中，無滲水、涌水現象。

隧址區(qū)出露地層主要為新近系泥質泥巖。巖石試驗成果統(tǒng)計見表1。

根據隧道圍巖結構特征，結合室內巖土試驗成果，隧道各類圍巖物理力學指標見表2。

（4）基本情況。①設計圍巖級別：V級。②隧道建筑限界：建筑限界凈寬10．0 m，建筑限界凈高5．0 m。③開挖斷面面積為103．28 m2。④采用的開挖方法為上下臺階。

2 懸臂掘進機開挖和鉆爆法開挖施工進度和效率情況對比

2.1 懸臂掘進機開挖施工

（1）施工方法。洞身開挖采用兩臺階的施工方法，施工中首先進行上臺階分部開挖、分部修邊，開挖完成后移機至下臺階，監(jiān)控量測小組對上臺階進行變形量測和地質素描工作后進行初期支護作業(yè)；接下來進行下臺階開挖，監(jiān)控量測小組對下臺階進行變形量測和地質素描工作后進行初期支護工作[1]。

（2）施工順序。上臺階右側開挖→上臺階右側輪廓修邊→掘進機移機至上臺階左側→上臺階左側開挖→上臺階左側輪廓修邊→下臺階開挖。

（3）施工步驟。掘進機開挖時，利用截齒上下、左右移動截割，截割出初步斷面形狀，當發(fā)現截割斷面與實際需要斷面不一致時，要進行二次修正。截割的第一步進尺不能超過鉆頭長度的1倍，待截割范圍均截割完成后，掘進機再向前進行截割第二步截割范圍。截割路線盡量利用從下而上左右移動截割的方法。根據掘進機作業(yè)的最大功效即掘進機定位截割最大范圍為6．78 m×7．43 m（高×寬），施工上臺階高度確定為6．78 m，下臺階高度確定為2．407 m，以滿足掘進機作業(yè)的最大功效。

（4）斷面測量。懸臂掘進機每次開挖前，在隧道已完成初期支護端頭安設紅外線激光儀，采用全站儀調整激光射線與開挖輪廓平行，讓激光射到掌子面處，用來指導懸臂掘進機開挖作業(yè)，保證隧道開挖斷面的中線和高程必須符合設計要求。隧道開挖應嚴格控制欠挖。當圍巖完整、石質堅硬時，巖石個別突出部分（每1 m2不大于0．1 m2）侵入襯砌應小于5 cm。拱腳和墻腳以上1 m內斷面嚴禁欠挖。

（5）斷面觀察。洞身開挖中，應在每一次開挖后及時觀察、描述開挖面地層的層理、節(jié)理、裂隙結構狀況、巖體的軟硬程度、出水量大小等，核對設計地質情況，判斷圍巖穩(wěn)定性。

（6）開挖路線。懸臂掘進機截割開挖路線示意圖如圖1所示。

圖1 掘進機截割開挖路線示意圖

（7）施工進度。根據2020年施工進度統(tǒng)計，連續(xù)統(tǒng)計30 d（停工 1 d），上臺階累計進尺93．2 m（31個循環(huán)），平均每循環(huán)進尺3 m，每循環(huán)時間約20．5 h，綜合分析月理論進尺（30 d）可以達到105 m。

2.2 鉆爆法開挖施工

（1）炮眼布置原則。①掏槽眼布置在斷面中下方，設置在中線的左側和右側，距底板線1．5～1．8 m。②周邊眼。周邊眼是直接控制開挖輪廓面平整度的主要影響因素。一般情況下，周邊眼E=（12～20）d，炮眼直徑d=35～45 mm。對于節(jié)理發(fā)育、層理明顯的圍巖地段，周邊眼間距可適當減小，也可在兩炮眼之間增加一個不裝藥的導向空眼。在本隧道施工中，炮眼間距根據圍巖性質孔距取值為40～60 cm。③擴槽眼、內圈眼、底板眼。擴槽眼、內圈眼、底板眼均比掏槽眼、周邊眼間距大，比掘進眼小，其間距或抵抗線一般為掘進眼間距的80%左右。內圈眼的間距是周邊眼距的1．5倍左右，抵抗線是內圈眼距的0．7倍左右，二臺眼、底板眼的間距或抵抗線一般為掘進眼間距的80%左右。④掘進眼。一般采用環(huán)形布置，抵抗線應小于同環(huán)的炮眼間距，常為炮眼間距的80%～100%。掘進眼間距更稀，應均勻布置，可采用線形布置或環(huán)形布置，一般情況下抵抗線為同排（或同環(huán)）炮眼間距的80%～100%。

（2）布眼順序。掏槽眼→周邊眼→底板眼→輔助眼→掘進眼。

（3）鉆爆方案。周邊眼間距設計為60 cm，實際施工中周邊眼間距為60 cm；掌子面上臺階鉆孔設計為80個，實際施工中實際鉆孔為80個；周邊眼深度設計為2．0～2．6 m，實際施工中周邊眼深度為2．0～2．6 m；周邊眼外傾角要求小于4．3°，孔端外超小于15 cm，實際施工中周邊眼外傾角為3～7°，孔端外超10～25 cm；輔助眼深度為2．0～2．6 m，實際施工中輔助眼深度為 2．0～2．6 m；掏槽眼設計深度為2．3～2．9 m，實際施工中，掏槽眼設計深度為 2．3～2．9 m。

理論方案要求每循環(huán)進尺1．8～2．4 m，用藥量不大于0．6 kg/m3，實際每循環(huán)進尺 1．4～2．8 m，用藥量為 0．2～1．2 kg/m3（實際最大值約 0．8 kg/m3，0．8 kg 以上值包含炸材銷毀）[2]。

理論進尺2．0 m，周邊眼外傾角4．3°的超挖值約1．88 m3/m；實際平均進尺2．4 m，周邊眼外傾角平均為4．8°，超挖值為2．30 m3/m。炮眼布置示意圖如圖2所示。

圖2 炮眼布置示意圖

根據施工量統(tǒng)計，連續(xù)統(tǒng)計20 d（停工1 d），上臺階累計進尺41 m（19個循環(huán)），平均每循環(huán)進尺2．15 m（約3榀拱架），綜合分析月理論進尺（30 d）可以達到64．5 m。

3 懸臂掘進機開挖和鉆爆法開挖施工成本情況對比

3.1 人員投入情況

懸臂掘進機開挖施工每班作業(yè)人員數量情況見表3。鉆爆法施工每班作業(yè)人員數量情況見表4。對比表3和表4發(fā)現，鉆爆法開挖施工所需工作業(yè)人員比懸臂掘進機開挖施工所需作業(yè)人員多12人。

表3 懸臂掘進機開挖施工每班作業(yè)人員數量表

表4 鉆爆法開挖施工每班作業(yè)人員數量表

3.2 主要成本因素分析對比

3.2.1 懸臂掘進機開挖施工

根據2020年4月份施工進尺統(tǒng)計，4月上臺階累計進尺93．2 m，下臺階累計進尺88 m。

（1）懸臂掘進機月租金為30萬元（包含懸臂掘進機租金、變壓器租金、掘進機操作人員工資）。

（2）用電消耗情況：據統(tǒng)計，上臺階累計進尺207．2 m，下臺階進尺201．75 m，共計用電16 633 kW·h，單價為 0．8 元 /kW·h。總電費 =16 633×0．8=13 306．4元。綜合分析每延米電費價格約 13 306．4/207．2（成洞米）=64．22元，共完成挖方 21 174．47m3，每立方耗電約0．79 kW·h，計 0．63 元。

（3）截齒消耗：截齒消耗25個（上臺階完成207．2 m，下臺階完成201．75 m），綜合攤銷每立方米為0．41元（截齒單價為350元/個），預計每施工100 m隧道消耗12個截齒，計4 200元。

3.2.2 鉆爆法開挖施工

據2020年4月施工進尺統(tǒng)計，月上臺階累計進尺39 m，下臺階累計進尺11 m。

（1）爆破基礎費用：炸藥費用為8．8元/kg；導爆管雷管費用為6．2元/枚（含5 m線）；爆破服務費為27 523/月；服務人員費用共計15 000/月；服務車輛費用為550/次（每天一次）。

（2）代號服務費：共運輸18次，乳化炸藥共1 722 kg；毫秒雷管為2 340枚（每枚含5 m線），總費用為20．2萬元，含服務費和人員工資（鉆眼配備10人，工資為12 000元/月·人）。民爆公司服務費攤銷平均到每方開挖量的費用為54．8元，炸材消耗每開挖1立方米的費用為9．4元。綜合分析每進尺寸100 m消耗炸材9．7萬元，爆破服務費為56．6萬元（該費用因月進度改變變動較大，按月進度60 m計算服務費約29．9萬元）。

（3）耗電量情況：鉆眼用電量應在2．5～3．5元/m3。

3.3 開挖對后續(xù)施工噴射混凝土成本的影響

（1）每延米設計噴射混凝土用量。S-Va、S-Vb、S-Vc圍巖結構襯砌類型設計噴射混凝土用量為6．55 m3/m，不含仰拱初支[3]。

（2）懸臂掘進機開挖施工。噴射混凝土：根據統(tǒng)計，上臺階累計進尺93．2 m，下臺階累計進尺88 m，累計消耗噴射混凝土1 296 m3，設計用量計算為610．46 m3，含超挖及回彈計算應耗量為1 047．23 m3（按平均允許超挖計入噴射混凝土量和回彈超耗允許量），超過設計理論用量112．3%，超過應耗量 23．76%。

（3）鉆爆法開挖施工情況。據統(tǒng)計，月上臺階累計進尺39 m，下臺階累計進尺11 m，累計消耗噴射混凝土486 m3，設計用量為212 m3，含超挖+回彈應耗量359 m3，超過設計理論用量129%，超過應耗量35%。

由此分析，懸臂掘進機開挖斷面超挖值遠遠小于爆破鉆爆法開挖的超挖值，從而大大節(jié)省了噴射混凝土用量，降低了施工成本。

4 綜合分析結果

以某隧道施工為例，每完成1 km相同斷面的隧道開挖施工的成本對比見表5。

表5 懸臂掘進機開挖施工與鉆爆法開挖施工每公里作業(yè)成本對比表

5 結論

由以上對比分析發(fā)現，在黃土隧道開挖工序中采用懸臂掘進機開挖施工，對圍巖擾動小，開挖斷面圓順，提高了初期支護和噴射混凝土的質量；掘進與裝運同時進行可實現連續(xù)作業(yè)，能夠加快施工進度，在施工效率上遠遠超過鉆爆法施工；在成本控制方面，臂掘進機開挖施工較鉆爆法開挖施工也有著不小的優(yōu)勢。因此，在黃土隧道施工中采用懸臂掘進機進行開挖作業(yè)，可以更好地提升企業(yè)施工效率，降低企業(yè)施工成本和施工安全風險，還能提升企業(yè)形象和市場影響力。