地下隧道非爆破開挖技術經濟可行性比選

摘 要：重慶某地鐵區間隧道RSK0+137.517～RSK0+717.517段采用臺階機械法開挖，通過CTR300A型懸臂式掘進機和三一485型破碎錘在技術和經濟方面的比較，最終選定CTR300A型懸臂式掘進機作為RSK0+137.517～RSK0+717.517段的開挖設備，CTR300A懸臂式掘進機與傳統三一485破碎錘相比，開挖工期減少133天，降低機械開挖直接成本87.7萬元，節省項目管理成本不少于35萬元。現場實測數據，基本與理論數據吻合，能滿足項目成本及進度要求，相關經驗可為今后地鐵雙線隧道臺階機械法開挖施工提供借鑒。

關鍵詞：地下隧道；非爆破開挖技術；可行性比選

中圖分類號：U455" " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）11-0100-03

0 引言

隨著我國地鐵建設快速發展，區間、車站內不可避免穿越重要建構筑物，傳統的鉆爆法開挖對地面的擾動較大不利于結構物的安全，進而不可避免地會出現機械法開挖以控制對地表建構筑物的擾動。

國內學者對機械掘進機法開挖的研究多處于礦山行業，周小松[1]基于水利水電工程中無壓隧道開挖工法研究，結果表明TBM法與鉆爆法比較的優勢在于工序簡單、施工速度快、安全性好、成本與鉆爆法相比相差不大。陳竹，楊德慧等[2]通過TBM設備購置費和使用費、TBM設備利用率、施工組織管理的方面的成本分析，并提出了相應的成本控制措施和方法。張秋露[3]基于公路黃土隧道中掘進機和鉆爆法開挖成本分析，結果表明掘進機在黃土隧道開挖成本控制有明顯的優勢。胡紅燕，付進等[4]通過不同的工程地質情況分析了掘進機的定額直接費，結果表明在石方情況下掘進機的開挖成本較高。

綜上，懸臂式掘進機最早用于煤礦專用設備開挖，在水利水電、市政道路工程應用較晚。本文以某公司承建的重慶某地鐵區間隧道RSK0+137.517 ～RSK0+717.517段下穿市政道路和重要建構筑物采用機械方式開挖為例，通過CTR300A型懸臂式掘進機和三一485破碎錘在雙線地鐵隧道臺階法開挖成本對比分析，相關數據可為今后雙線地鐵隧道機械臺階法開挖提供參考。

1 工程概況

重慶某地鐵區間隧道起訖里程RSK0+137.517 ～RSK1+428.379全長1 320.862 m，其中RSK0+137.517 ～RSK0+717.517段（580 m）隧道下穿市政道路和重要建構筑物，該段采用機械臺階法開挖，圍巖等級為Ⅳ級，圍巖單軸抗壓強度40.1～45.3 MPa，普氏系數f4，上臺階開挖高度6 m、寬度12.62 m、開挖斷面面積59.18 ㎡，下臺階開挖高度3.66 m、寬度12.62 m、開挖斷面面積42.08 ㎡。

2 技術可行性分析

根據廠家給定參數，CTR300A型懸臂式掘進機適用于開挖高度不超過6.5 m、開挖寬度宜為4.2～7 m、開挖斷面面積42 ㎡以內、普氏系數f10以內。CTR300A型懸臂式掘進機在開挖寬度和開挖斷面面積適用性不高，但可以通過移動CTR300A型懸臂式掘進機的體位分兩次開挖。可滿足CTR300A型懸臂式掘進機性能參數要求。三一485型破碎錘機身靈活可適用于各種斷面形式，但圍巖單軸抗壓強度超過50 MPa時功效偏低。

因此，可以得出CTR300A型懸臂式掘進機和三一485型破碎錘用于鹿角車輛段出入段線區間隧道RSK0+137.517～RSK0+717.517段技術上可行。

3 經濟可行性分析

3.1 CTR300A型懸臂式掘進機開挖成本分析

根據廠家給定CTR300A型懸臂式掘進機切割效率與圍巖硬度的參數，圍巖普氏系數f4，切割效率為45～55 m3/h；圍巖普氏系數f5，切割效率為35～50" m3/h；圍巖普氏系數f6，切割效率為25～45 m3/h。

本項目CTR300A型懸臂式掘進機切割效率為45～55 m3/h，由于該工程位于城市主城區，受到夜間停止施工的影響施工作業時間為6：00～22：00共16 h，開挖、出渣、立架、噴漿采用順序作業，《區間隧道暗挖施工專項方案》及《地下鐵道工程施工標準》[5]中規定Ⅳ級圍巖每循環進尺不超過3 m，

其中出渣、立架及噴漿每循環耗時12 h，具體各工序統計耗時詳見表1，每班開挖方量為177.54 m3＜180 m3，因而采用CTR300A型懸臂式掘進機滿足圍巖等級進尺要求。

3.1.1 人工費

CTR300A型懸臂式掘進機掘進過程中需要班組長1人、電工1人、雜工2人（配合風水管線的移運作業），班組長及電工按照高級工考慮、雜工按照初級工考慮，查詢相關定額[6]高級工50元/工時、初級工30元/工時。CTR300A型懸臂式掘進機每開挖1 m3需要消耗人工費為3.6元/m3。

3.1.2 材料費

CTR300A型懸臂式掘進機主要材料消耗為截齒，截齒消耗跟圍巖普氏系數相關，普氏系數為f4時，平均每100方消耗截齒4個，原裝截齒120元/個，考慮到開挖過程中需要更換油路等其他材料，其他材料按照主要材料的5%考慮。CTR300A型懸臂式掘進機每開挖1 m3需要消耗材料費為5.04元/m3。

3.1.3 機械費

根據廠家資料，CTR300A型懸臂式掘進機整機售價在680萬元，每工作6 000 h需要大修一次，大修費用為整機價格的20%。所以CTR300A型懸臂式掘進機的全壽命周期為36 000 h。殘值率按照相關規范取值為整機價格的5%。

3.1.3.1 折舊費

機械設備折舊費按照設備預算價格減去殘值除以全壽命周期，最后再進行單位換算可計算出每開挖1m3的成本。具體公式如式（1）所示。

折舊費=設備預算價格×（1-殘值率）每班開挖方量" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

因此，全壽命周期每班開挖時間為4.04元/m3。

3.1.3.2 大修理費

機械設備大修理費按照一次大修理費用乘以壽命周期內的大修次數再除以設備的壽命周期，最后再進行單位換算可計算出每開挖1 m3的成本。大修理費為4.26元/m3。

3.1.3.3 安裝拆卸費

根據設備租賃合同可知：CTR300A型懸臂式掘進機進場安裝費用為5 000元/次；出場拆卸費用為3000元/次。RSK0+137.517～RSK0+717.517段（580 m）機械開挖的土方量為58 730.8 m3。1 m3的安裝拆卸費為0.14元/m3。

3.1.3.4 機上人員工資

機上人員為一名操作工，機手為高級熟練工月工資20 000元包干。機上人員工資為3.76元/m3。

3.1.3.5 燃料動力費

CTR300A型懸臂式掘進機燃料為電力，查詢掘進機的使用說明書可知：CTR300A型懸臂式掘進機的功率為572 kw，重慶地區工業用電單價為0.84元/度。燃料動力費為10.83元/m3。

CTR300A型懸臂式掘進機機械費為折舊費、大修理費、安裝拆卸費、機上人員工資和燃料動力費之和。計算可知：CTR300A型懸臂式掘進機的機械費為23.03元/m3。

3.1.4 CTR300A型懸臂式掘進機開挖成本匯總

CTR300A型懸臂式掘進機在雙線地鐵臺階法開挖中人料機綜合單價為31.67元/m3，直接成本為186萬元。RSK0+137.517～RSK0+717.517段開挖及支護作業工期為331天。

3.2 三一485型破碎錘開挖成本分析

采用三一485型破碎錘開挖，施工影響因素同CTR300A型懸臂式掘進機，其中出渣、立架及噴漿每循環耗時11 h。具體各工序統計耗時詳見表2。通過以往經驗可知，圍巖普氏系數f4時，三一485型破碎錘開挖效率為15 m3/h，每班開挖方量為75 m3，每循環進尺1.27 m。

3.2.1 人工費

三一485型破碎錘開挖過程中需要指揮人員1人，指揮人員按照高級工考慮，查詢相關企業定額高級工50元/工時。三一485型破碎錘每開挖1 m3需要消耗人工費為3.34元/m3。

3.2.2 材料費

三一485型破碎錘主要材料消耗為炮頭，炮頭消耗跟圍巖普氏系數相關，普氏系數為f4時，根據經驗數據平均每1000方消耗炮頭1個，原裝炮頭9 800元/個。三一485破碎錘每開挖1 m3需要消耗材料費為9 800×1/1 000=9.80元/m3。

3.2.3 機械費

根據廠家資料，三一485型破碎錘整機售價在220萬元，每工作5 000 h需要大修一次，大修費用為整機價格的20%。所以CTR300A型懸臂式掘進機的全壽命周期為30 000 h。殘值率按照相關規范取值為整機價格的5%。折舊費4.64元/m3。大修理費4.89元/m3。機上人員工資5.34元/m3。三一485型破碎錘燃料為柴油，每小時耗油量為30～40 L，當月柴油價格為7.97元/L。燃料動力費18.6元/m3。

三一485型破碎錘機械費為折舊費、大修理費、機上人員工資和燃料動力費之和。所以三一485型破碎錘的機械費為33.47元/m3。

3.2.4 三一485型破碎錘開挖成本匯總

三一485型破碎錘在雙線地鐵臺階法開挖中人料機綜合單價46.61元/m3，直接成本273.7萬元。RSK0+ 137.517～RSK0+717.517段開挖及支護作業工期，下臺階可以和上臺階平行施工，《地下鐵道工程施工標準》GB/T51310—2018[5]要求上下臺階之間應錯開3～5 m，所以該段開挖施工工期為464天。

綜上所述：CTR300A型懸臂式掘進機比三一485型破碎錘更具有經濟適應性，直接成本降低了87.7萬元，工期可縮短133天，根據本施工段定編管理人員約6～8人，暫按管理費標準人均16萬元/年，至少可降低管理費為35萬元。機械開挖成本分析對比表如表3所示。

4 結束語

本文基于重慶某地鐵區間隧道RSK0+137.517 ～RSK0+717.517段（580 m），采用CTR300A型懸臂式掘進機和三一485型破碎錘在臺階法開挖均具有適應性，CTR300A型懸臂式掘進機與三一485型破碎錘相比在進度方面具有明顯的優勢，有效的節約開挖工期133天、降低直接成本87.7萬元、節省項目管理成本不少于35萬元，且開挖斷面線性好，安全質量可控。通過現場數據可知基本與理論數據吻合，能滿足項目成本及進度要求，相關經驗可為今后地鐵雙線隧道臺階機械法開挖施工提供借鑒。

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] 陳竹，楊德慧，隋曉麗，等.淺談TBM工程項目成本控制分析[C].//2013第三屆深基礎工程新技術與新設備發展論壇論文集.2013：124-127.

[3] 張秋露.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[J].企業科技與發展，2022（1）：76-78.

[4] 胡紅燕，付進，陳正勛，等.懸臂式掘進機在不同地質條件下的洞挖直接費成本分析[J].四川水利，2022，43（5）：134-138.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地下鐵道工程施工標準：GB/T51310-2018[S].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[6] 重慶市城鄉建設委員會.重慶市房屋建筑與裝飾工程計價定額：CQJZZSDE-2018[S].重慶：重慶大學出版社，2018.

收稿日期：2024-05-07

作者簡介：張翠（1988—），女，湖南長沙人，本科，工程師，研究方向：工程造價。