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水利工程TBM掘進機法與鉆爆法技術經濟對比分析論文
摘 要：通過列舉引水工程的地下隧洞設計實例，將水利工程中的TBM掘進機法與鉆爆法施工工藝、費用的比較分析，突出TBM施工工藝的優越性，為今后的隧洞掘進施工和編制施工造價，提供參考依據。
關鍵詞：TBM掘進機 鉆爆法施工 造價分析
1.概述
在隧洞開挖施工過程中，通常采用的是鉆爆法。鉆爆法是通過在巖體上鑿出一定孔徑和深度的炮眼、并裝上火藥進行爆破開挖巖石的方法。這種方法適應性強，較為經濟，是隧洞開挖中最為傳統、常規的施工方法。鉆爆法的基本施工過程有鉆孔、裝藥放炮、排煙通風、清撬、支護、出渣。一般情況下，鉆爆法一天可以掘進2個循環，最高可達3個循環。根據隧洞不同的地質條件、洞徑和進洞長度等因素，一般鉆爆法洞挖進尺為60～180m/月。
TBM掘進機法是一種用機械破碎巖石、出渣與支護實行連續作業的綜合設備，它是由盾構技術發展而來的。主要適用硬巖，一般用在山嶺隧道或大型引水工程。TBM掘進機它由電動機驅動主軸旋轉、對刀盤施加一定壓力、使其貼近巖壁、通過刀盤上裝設的盤形滾刀破碎巖石、使隧洞斷面一次成型的大型工程機械。TBM堪稱一個移動工廠，它是一種集機、電、液壓、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備，可以實現連續掘進，能同時完成破巖、出碴、支護及運輸等作業，實現工廠化施工，單工作面掘進速度較快，效率較高。目前TBM按護盾形式主要分為：開敞式TBM、單護盾TBM、雙護盾TBM三種形式。根據隧洞不同的地質條件、洞徑等因素，TBM法洞挖綜合進尺一般為500～800m/月。
2017年水利設計院承接《海南省屯昌縣大邊河～木色水庫引水工程》的可行性研究報告，在報告中對掘進機法、鉆爆法兩者的技術經濟比較給出了較好的詮釋。該工程位于海南省屯昌縣、瓊中縣，從瓊中縣大邊河上游引水至屯昌縣木色水庫庫區，引水線路長約13.8km。該工程存在以下施工重點和難點。
（1）隧洞單頭掘進長度長，開挖斷面小。隧洞斷面僅為10㎡。斷面小、供電、供風、排水、排煙、出碴等存在困難。
（2）隧洞埋深大，地質條件復雜。隨著埋深加大，在圍巖大應力和高水壓力作用下，也容易誘發塌方、冒頂以及涌水等問題。
（3）隧洞交通運輸困難。由于本工程穿越崇山峻嶺，支洞布置困難，施工道路窄、坡度大，整個隧洞運輸過程中，運輸效率低、強度大，運輸成本高，交通管理風險點多，管理困難。
（4）隧洞施工工序多，干擾大。隧洞施工過程中，開挖、出渣、支護、灌漿、襯砌等工序存在平行施工，如何合理組織施工確保各工序順利進行是本工程的重點之一。
綜上所述，本工程經過技術經濟分析比較最終采用了TBM掘進機法加鉆爆法相結合作為推薦方案。
2.施工綜合對比分析
鉆爆法和TBM掘進法各有優缺點。鉆爆法是目前隧洞施工最成熟和傳統的施工方法，其優點是適應性強，機動靈活，技術成熟，可靠性高，造價相對較低；缺點是單工作面進尺施工速度較慢，掘進長度有所限制，作業環境較差，勞動強度大。TBM法的優點是單工作面掘進長度較長，能夠減少支洞數量；單向進尺施工進度快，施工機械化、自動化程度高；洞內施工環境相對較好。缺點是前期設備投入大，維修不便，造價較高；對承包商的專業素質要求高，可擇優選擇的承包商較少；對外交通道路要求較高，須滿足大件設備運輸要求；對地質條件的適應性較差。其施工綜合對比分析如表1。
3.投資分析
3.1TBM設施及價格
全斷面巖石隧道掘進機設備的一次性投資成本較高，這就要求施工承包單位有一定的經濟實力來購買全套設備。一臺國外名牌TBM主機對中硬巖一般壽命可掘進40～50km，而往往有些工程施工洞長只有10多公里或20多公里。例如在海南省屯昌縣大邊河～木色水庫引水工程中，所采用的TBM機為直徑3.5m的雙護盾掘進機，主機4500萬元，后配套及輔助設備3000萬元，合計約7500萬元。本工程13.8km隧洞，整機的設備費全部分攤到該工程的每延米成洞費用中，并沒有按常規的掘進機壽命進行折舊，分攤成本。
3.2隧洞成洞總費用分析
隧洞成洞總費用可以按兩個方面來分析：一是隧道開挖成洞、初期支護襯砌、二期襯砌；二是一次性購買設備的費用。前者是工程上施工的需要，后者需要承包商有足夠的經濟實力，兩個條件缺一不可。
從目前國內掘進機施工工程的造價數據分析來看，掘進機的成洞、襯砌的費用一般都要高于鉆爆法。其原因主要有以下三方面。
①掘進機全套設備折舊費的計算方法不同，一般是按照20km的掘進長度分攤。而實際中，大部分承包商都是將掘進機系統的折舊費分攤到一個工程的長度上。因為該套掘進機的直徑、配套設備不一定適用后期的工程。這樣就造成了分攤到每延米的折舊費大幅度的提高，也就大大增加了掘進機成洞的費用。
②與傳統的鉆爆法相比，掘進機法不需要爆破，減少對隧洞圍巖的擾動。這樣掘進機在開挖隧洞時，初期支護、二期鋼筋混凝土襯砌的厚度可較鉆爆法略薄。根據隧洞新奧法施工工藝原理，圍巖等級高的隧洞可以不襯砌，這樣就可以降低初期及二期襯砌的費用，進而也降低了掘進機成洞總費用。目前我國隧洞混凝土襯砌的規范僅限于鉆爆法，并沒有掘進機成洞混凝土襯砌的規范，掘進機隧洞的襯砌還是沿用鉆爆法的襯砌，所以掘進機開挖及鉆爆法的混凝土襯砌的組合提高了掘進機成洞的總費用。
③掘進機系統運行管理費相對較高。由于TBM法施工對設備、施工技術和技術人員要求高，TBM法一般需經歷更為復雜的設備選型、采購招評標、TBM設計與制造、海運、通關，大件運輸、組裝和調試，試掘進直至正式掘進的復雜艱難歷程，往往一個環節出現問題，都將造成重大的工期耽誤。根據國內相關工程經驗，TBM法其設計和施工不可避免地會面臨比鉆爆法更大更多的地質風險、設備風險和技術管理風險等各種風險，容易因上述原因造成不可預見的工期損失和投資損失，工期和投資保證性相對較差。
鑒于以上所述，只有正確的設備選型、高水平的管理、穩健快速的進尺、優化的襯砌、合理的計算折舊是降低掘進機成洞總費用的有效措施。特別是對長度3km以上的隧洞使用掘進機成洞的總費用會比鉆爆法少或者與之持平。
4.結論
總之，TBM這一新技術在我國地下工程中，逐步推廣并取得了初步的經驗和良好效果。今后將會對我國地下工程的發展帶來重大的影響。
參考文獻：
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