隧道工程TBM法與鉆爆法施工方案的綜合技術經濟研究

摘 要：通過分析隧道工程TBM法和鉆爆法施工技術經濟資料，從概算編制角度分析了兩種施工方法在人工、材料、機械費用的差異。從工程措施角度，總結分析了兩種工法在開挖、噴混、襯砌、仰拱預制措施工程數量及單價的差異。通過實際案例，把綜合指標差異分解至主要工程措施差異，得出主要工程措施對綜合技術經濟指標的影響程度，研究方法和結論對其他隧道施工方案比選具有一定參考價值。

關鍵詞：隧道工程；鉆爆法；TBM法；技術經濟指標

中圖分類號：U451 " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）12-0013-03

0 引言

在山嶺隧道開挖施工過程中，通常采用鉆爆法或掘進機施工。掘進機施工可分為TBM法和盾構法，由于盾構法一般適用于土質圍巖，與鉆爆法及TBM法適用的地質條件差異較大，因此本研究主要對比分析TBM法與鉆爆法施工方案的綜合技術經濟差異。

鉆爆法[1]是一種通過火藥爆破開挖施工的方法，首先在開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行爆破開挖。鉆爆法施工對隧道適應性強，較為經濟，是隧道開挖中最傳統、常規的施工方法。TBM掘進機施工是一種機械開挖的施工方法，通過TBM設備刀盤機械破碎巖體，機械傳送出渣并進行支護。TBM設備可實現連續作業，主要適用于硬巖掘進施工，多用于山嶺隧道或大型引水工程施工。

鉆爆法和TBM掘進法各有優缺點。本研究通過分析隧道工程采用TBM法和鉆爆法技術經濟指標差異的原因，以期為隧道工程設計方案比選提供相關參考。

1 TBM法與鉆爆法經濟對比分析

1.1 分項指標差異

本研究重點從開挖單價差異、施工工藝差異兩個方面分析鉆爆法與TBM施工綜合指標的差異。

1.2 概算編制差異

主要從概算編制的角度分析造價差異。

1.2.1 人工費

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

1.2.2 機械費

TBM法與鉆爆法開挖隧道需要投入的機械設備差異較大。TBM法施工較鉆爆法施工機械化程度明顯提高，但人工數量需求較少。TBM法和鉆爆法施工中所采用的機械不同，機械臺時也不同，TBM法施工較鉆爆法的機械化程度高，機械費也明顯高。

1.2.3 材料費

施工所用材料包括消耗性材料、構成工程實體的裝置性材料和施工中可重復使用的周轉性材料。

1.2.4 臨時工程

TBM法施工一般必須配置仰拱塊預制場工程及倒渣系統，且對洞外場地和風水電配套等臨時工程的要求較鉆爆法高。但鉆爆法要實現長洞短打需增加斜井等輔助坑道和施工工作面的臨時工程配套數量。

1.2.5 工期

采用TBM法開挖隧道，效率較高，但工期較長；采用鉆爆法施工，效率較低，但可通過增加工作面縮短工期。一般兩種施工方法通過設置輔助坑道及調整工區長度，均可達到目標工期。

1.2.6 工程量

工程量的計算應按照行業主管部門規定的設計、施工規范或計量規則，以及概預算定額的規定、準則。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在土石方開挖、棄渣及進料運輸、初期支護和永久支護的工程量。

土石方開挖工程量的主要差別在于鉆爆法超挖較多，且對圍巖擾動較明顯，襯砌厚度增加。初期支護的差別主要在于TBM施工初期支護較鉆爆法弱，且多數高度機械化施工，節約人工和材料。考慮到超挖和圍巖擾動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費用。

1.2.7 經濟洞長

根據已有研究[3]分析及TBM設備制造商調研，鉆爆法單工作面工區長度一般不超過3.5 km。一般地區施工，TBM一次性掘進長度（最大掘進長度）超過20 km，理論壽命可達30 km，為減低工程風險，若具備條件，每隔10 km應設計一條檢修支洞。

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69.2 km。對該隧洞局部段落TBM法施工與全鉆爆法施工進行對比分析。

2.2 方案比較

2.2.1 臨時工程比較

鉆爆法臨時工程建設[4]要求完成“四通一平”和“三管兩路”。TBM 相對鉆爆法增加了仰拱塊預制廠、倒渣系統修建、預備洞和出發洞的開挖等TBM 進洞前必須完成的項目。

雖然TBM 法對臨時工程的要求更復雜，但是TBM 法由于連續施工的隧道長度較鉆爆法長，臨時工程攤銷至隧道每延米的費用少，這也是TBM 法施工的優勢所在。

2.2.2 施工進度對比分析

全鉆爆法方案布置18 條施工支洞作為開挖和襯砌施工的運輸通道，支洞總長14.117 km，施工工期47 個月。隧洞花崗巖段可采用TBM 掘進施工，采用2 臺TBM 施工段落總長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13.458 km，施工工期57個月。

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號文及部頒水利概算定額（水利工程隧洞掘進施工概算定額），材料編制期價格依據2020年3季度市場價格。綜合技術經濟指標，采用TBM 法施工單價為49 360元/m，鉆爆法施工單價為36 254元/m，高13 106元/m，高出36%。

2.2.3.1 開挖/掘進單價差異分析

分析表1可見，TBM掘進單價（含洞內出渣）為597.11元/m3，較鉆爆法二類圍巖開挖單價（含洞內出渣）284.69元/m3高312.42元/m3，較鉆爆法三類圍巖開挖單價（含洞內出渣）220.02元/m3高377.09元/m3。則該施工段TBM開挖單價較鉆爆法開挖單價高353.81元/m3。

TBM單價較鉆爆法高，主要由材料費、機械費較高引起。經測算，在相同開挖斷面（直徑7.08 m）下，因施工方法不同，引起的掘進延米綜合指標差為13 929.19元/m。

2.2.3.2 襯砌、噴混及仰拱預制塊單價差異分析

水利工程根據設計流量計算鉆爆法與TBM斷面大小，相同設計流速（47 m3/s）下，鉆爆法每延米開挖量為38.81 m3，TBM掘進機開挖量39.37 m3。兩種施工方法初期支護與襯砌參數如表2。

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

根據水利工程工程量計算規則，不單獨計算超挖量。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差異已包含于襯砌指標內。由上述分析可知，TBM法掘進Ⅱ類圍巖在噴混與襯砌方面可以節約投資5 598.9元/m。Ⅲ類圍巖可節約投資3 609.4元/m。根據該施工段圍巖比例，綜合節約投資4 325.62元/m。

2.2.3.3 仰拱預制塊

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

2.2.4 綜合指標差異分解

TBM法與鉆爆法均可滿足60個月的目標工期，TBM工區二、三類圍巖連續性差，且TBM棄渣無法加工砂石料。綜合投資比選結果，該隧洞推薦采用全鉆爆法方案。TBM法與鉆爆法指標對照分解分析如表5。

3 結束語

在同一施工段下，TBM法與鉆爆法綜合指標差異主要由開挖、襯砌、噴混、仰拱預制等工程措施差異引起。TBM法較鉆爆法開挖為正影響，噴混與襯砌為負影響，仰拱襯砌為正影響。對綜合指標差異進行分解分析后發現：TBM綜合指標較鉆爆法綜合單價高13 106元/m，高出36%。其中開挖工序影響38%；襯砌及噴混工序影響-12%；仰拱預制因素影響7%；其他因素3%。

參考文獻

[1] 周小松. TBM法與鉆爆法技術經濟對比分析[D].西安：西安理工大學，2010.

[2] 李景鋼.水利工程TBM掘進機法與鉆爆法技術經濟對比分析[J].珠江水運，2018（10）：60-61.

[3] 蔡現陽.長大深埋隧道工程開挖施工方法比選研究[D].北京：清華大學，2016.

[4] 邵偉.鉆爆隧洞方案和水利工程TBM的造價比選研究[J].黑龍江水利科技，2019（11）：47-50.