TBM施工成本影響因素分析

王 元 紅

(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650041)

0 前 言

TBM是全斷面隧道掘進機(Tunnel Boring Machine)的簡稱，它集開挖、支護、出渣等施工工序于一體，采用計算機、激光制導、遙控等先進的電子信息技術對施工過程進行全面指導和監控，是自動化程度較高的地下工程施工設備。

TBM施工方法是目前進行隧道施工的方法，其原理是靠旋轉刀盤上的圓形滾刀破碎巖石而使隧洞一次開挖成形的大型隧道施工設備。主要施工過程為在硬巖環境中，利用全斷面隧道掘進機旋轉刀盤上的滾刀擠壓剪切破巖，通過旋轉刀盤上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機皮帶機上向后輸送，再通過牽引礦渣車或隧洞連續皮帶機運渣到洞外。

全斷面隧道掘進機的掘進、支護、出渣等施工工序并行連續作業，具有掘進速度快、環保、綜合效益高等優點，可實現傳統鉆爆法難以實現的復雜地理地貌深埋長隧洞的施工，特別是在穩定的圍巖中長距離施工時，此特征尤其明顯。沒有像爆破那樣大的沖擊，對圍巖的損傷小，幾乎不產生松弛、掉塊，崩塌的危險小，可減輕支護的工作量。因此，TBM施工方法在我國的水利水電、交通、礦山、市政等隧道工程中應用正在迅猛增長。

1 工程概況

某工程主體為隧洞，全洞長41 090.374 m，樁號6+500.083 m～47+590.457 m，縱坡i=0.28‰。工程隧洞開挖主要采用TBM施工，開挖洞徑為8.5 m。工程招標文件“技術標準和要求”明確合同施工范圍詳見表1。

表1 合同施工段劃分

由表1可知，TBM施工分為四段，分別為TBM1- 2段長10 024.541 m，TBM1- 1段長7 315.724 m,TBM2- 2段長8 903.938 m,TBM2- 1段長11 446.171 m。TBM施工總長度為37 690.374 m，占隧洞總長度91.73%。

根據工程招標文件內容，TBM施工段各種巖性長度、飽和抗壓強度最小值和最大值、石英含量最小值和最大值、各種巖性占比匯總詳見表2。

表2 TBM施工段招標各種巖性占比統計

由表2可知，TBM施工段巖石飽和抗壓強度40～50 MPa的圍巖占10.20%，飽和抗壓強度50～100 MPa的圍巖占78.21%，飽和抗壓強度為100～120 MPa的圍巖占11.59%；TBM施工段巖石石英含量小于15%的圍巖占22.27%，石英含量15%～25%的圍巖占62.77%，石英含量大于25%的圍巖占14.96%。

2 TBM施工段巖石特性參數差異

施工過程中，TBM刀具消耗量明顯高于同類工程水平，且TBM刀盤與主軸承連接螺栓持續異常斷裂，TBM掘進約5 km后刀盤、刀箱、耐磨壞、刀盤背部隔板等部件均出現不同程度開裂、磨損，致使TBM停機進行刀盤修復(刀盤修復一次需要50～70 d)。另外，掘進過程中設備液壓油管經常出現爆管漏油情況。TBM維護時間和維護費用明顯高于同類工程水平，TBM施工進度明顯低于合同要求，工程工期嚴重滯后。

根據現場施工實際情況，工程參建五方單位共同協商，確定了《TBM施工段巖石強度及石英含量檢測方案》，并進行取樣與試驗。整理試驗成果并與招標資料對比，詳細數據見表3、4。

表3 招標與實際巖石強度分布對比

表4 招標與實際巖石石英含量分布對比

從表3可以看出，TBM施工段招標巖石飽和抗壓強度小于100 MPa的圍巖占比為88.41%，為主體圍巖，而實際TBM施工段巖石飽和抗壓強度大于100 MPa的圍巖占比為64.65%，為主體圍巖。

從表4可以看出，TBM施工段招標巖石英含量小于25%的圍巖占比為85.04%，為主體圍巖，而實際TBM施工段巖石英含量大于25%的圍巖占比為66.73%，為主體圍巖。

3 TBM施工主要資源消耗對比

在TBM施工過程中，由于巖石抗壓強度、巖石石英含量等地質參數與招標文件提供參數存在較大差異，導致TBM設計制造，特別是TBM刀盤的設計制造不能很好地適應實際地質條件，從而使得TBM掘進效率降低，單位開挖量消耗人工、材料、機械臺時明顯加大。根據現場施工組織安排，人工消耗量采用寫實記錄法測定；根據現場材料出入庫管理，刀具消耗量采用現場統計法測定；確定機械1小時純工作正常生產率和機械正常利用系數，計算機械時間耗量。TBM施工實際主要資源耗量與合同主要資源耗量對比見表5。

表5 TBM施工合同與實際主要資源耗量對比

4 TBM設計與采購

目前的TBM一般都由廠商根據工程甲方提供圍巖參數為其特制，設計中考慮的圍巖參數包括巖石強度(抗壓、抗拉和剪切強度)和耐磨性能等。盡管有多個指標，但在刀具設計中，比較TBM的掘進業績或在TBM與鉆爆法之間作出選擇時，最常考慮的因素一般都是單軸抗壓強度，有時加上一個反映巖石耐磨性能的石英含量。本工程中工程甲方、工程乙方及設備廠商之間的合同關系見表6。

表6 合同三方角色及作用

通過TBM采購過程中各方角色和作用可以看出，工程甲方在設備采購過程中起主導作用，負責提供工程概況及地質資料、組織TBM采購招標、與設備廠商商定TBM采購合同；工程乙方雖作為采購合同的甲方，實際上只是根據施工合同和設備采購合同的約定執行和履行其義務。

5 TBM施工成本影響因素分析

TBM施工組織是由多個復雜系統構成，各個系統之間相互制約與依賴，必須同步協調工作，才能保證TBM施工正常開展。影響TBM施工成本的因素很多，但主要因素包括巖石特性參數、TBM性能設計、TBM刀盤布局、TBM掘進參數設置、刀具質量等。

5.1 直接成本影響分析

(1)巖石特性參數的準確性。Williamson和Schmidt(1972)研究了掘進機在巖石單軸干抗壓強度(UCS>160 MPa)較高、較完整的巖體掘進的特性，發現其貫入率PR降低，但機械利用率U較高；而在完整的、強度較低的巖體中(UCS<80 MPa)其貫入率和利用率都比較高。本工程TBM招標階段，工程甲方提供的巖石飽和抗壓強度小于100 MPa的圍巖占比為88.41%，但實際揭露圍巖飽和抗壓強度小于100 MPa的圍巖占比僅為35.35%；TBM招標階段工程甲方提供的巖石英含量小于25%的圍巖占比為85.04%，但實際揭露圍巖石英含量小于25%的圍巖占比僅為33.27%。根據西康線秦嶺隧道圍巖巖性、巖石強度、巖石耐磨性和可鉆性的研究，發現巖石堅硬程度和耐磨性越高，刀具、刀盤的磨損就越大。TBM換刀量和換刀時間的增大，勢必影響到TBM應用的經濟效益和掘進效率。本工程刀具消耗量為預算量的2.2倍，刀盤在設備累計掘進約5 km發生開裂、刀箱及耐磨條磨損等嚴重問題，一方面是由于巖石強度和石英含量較合同水平明顯提高，但根本原因在于巖石特性參數發生大幅變化，對TBM性能設計帶來了不可逆轉的缺陷。

(2)TBM性能參數設計的適應性。本工程TBM掘進系統主要包括刀盤、可伸出式刀盤護盾、主驅動、撐靴系統、推進系統、數據采集系統、Tunls導向系統、支護系統及后配套系統等。TBM設計最小貫入度為6 mm/rpm，額定推力為22 278 kN，最小/最大掘進速度為2 m/6 m，預估平均月掘進進尺為400～600 m，預估設備利用率為40%～45%，同時也明確設備的性能取決于地質狀況以及掘進機的使用及保養情況。本工程TBM利用率=純掘進時間÷有效工作時間=40.83%，利用率基本達到預期，但平均月進尺僅為435 m，與預期相差較大，其主要原因是地質特性參數出現較大差異，致使主機部分設計性能與實際地層不相適應，從而產生主機振動明顯、刀盤開裂、刀具消耗量較大、液壓油管爆裂、刀盤連接螺栓斷裂等一系列非正常現象，導致TBM非正常停機時間過多，造成施工資源浪費，增加施工成本。另外，支護系統中的噴射混凝土系統管線過長且彎管較多，再加上現場骨料級配不穩定，噴混凝土過程經常出現堵管現象，這樣以來不僅浪費了混凝土材料，同時浪費了施工資源，又增加了清理回彈料的資源，從而造成施工成本增加。

(3)刀盤布局的合理性。刀盤設計對提高TBM破巖能力和掘進效率，降低挖掘成本具有重要的作用，是影響TBM掘進性能的決定性因素。刀盤系統需針對具體工程的地質條件和施工要求進行適應性設計，因而破巖過程機理、施工性能預測、刀具受力分析，以及刀具類型、刀盤布局、切削參數與圍巖特性之間的相互關系的研究至關重要。刀盤設計最常用的圍巖屬性是巖石強度(抗壓強度、抗拉強度和剪切強度)和研磨性。TBM刀盤布局除主要布置刀具外，還需合理布置鏟刀、噴水孔、排渣開口、進人孔等。刀盤布局尤其是刀具布置是優化刀盤設計和掘進機性能的最重要因素。刀盤布局設計主要指滿足給定的工程技術和性能約束條件，在有限空間的刀盤上布置各種有效工具，實現高效的掘進性能。如新加坡深層隧道排污系統的克蘭芝隧道工程中，由于地質條件的頻繁多變，以及挖掘過程中遠超過期望的更長距離混合挖掘界面，造成海瑞克公司最初設計的刀盤、刀具磨損嚴重、停機時間過長，經采取重新修改刀盤布局(增大開口率、擴大刀間距、減小盤刀數量)等措施后，刀具磨損量降低8.5%，機械利用率提高1倍以上。本工程由于圍巖特性參數發生較大變化，導致最初設計的刀盤布局，特別是邊刀間距、鏟刀尺寸、滾刀規格、切削參數等均不能很好適應于實際圍巖，致使刀盤變形、開裂，加快磨損速度，不僅增了設備維修成本，而且加大了刀具消耗成本。

(4)掘進參數設置的科學性。根據不同地質情況正確選擇掘進參數是保證TBM安全、快速掘進的重要因素，因此作為主司機須更多了解TBM的機、液、電各系統工作原理，據此作出合理的參數選擇，并根據巖石的變化情況隨機應變，發揮TBM的最佳效率。TBM掘進參數主要有：刀盤轉速、刀盤扭矩、電機電流值、推進缸壓力、貫入度和推進速度電位器值。圍巖特性參數不同，刀盤扭矩和掘進推力值不同，實際達到的掘進速度也不盡相同，TBM主司機應根據扭矩、推力的情況及刀盤振動、皮帶出渣等情況科學設置掘進參數。本工程選用的是敞開式TBM，掘進模式只有手動模式，沒有自動模式，故TBM主司機的工作經驗、對TBM工作原理熟悉程度、綜合分析能力等是科學設置掘進參數的基礎和前提。本工程使用的TBM出廠設定最大允許推力為25 991 kN，但由于施工過程中刀盤與主驅動連接螺栓持續異常斷裂及刀盤背部隔板開裂等原因，實際工作中將刀盤推力上限值設定為18 000 kN。設定刀盤推力上限值，一定程度上緩解了連接螺栓斷裂和隔板開裂情況，但降低了掘進速度，加劇了滾刀磨耗，增加了施工成本。

(5)刀具質量的適應性。在刀盤布局合理的前提下，影響刀具耗量的因素主要包括：刀具的幾何形狀、刀具材質、刀具制造工藝、刀具組裝工藝等，以上任何一個因素存在問題，都可定義為刀具質量與地質狀況不相適應，從而影響刀具耗量。石家莊鐵道大學徐明新教授在《TBM滾刀失效形式及原因分析》中指出：盤形滾刀是TBM專用破巖利器，也是TBM刀盤的關鍵部件和易損部件。滾刀失效對TBM施工的成本、速度和效率有重大影響。TBM是否可以充分發揮其高效能、低成本的優勢，很大程度上取決于刀具的質量以及其是否符合所掘進的隧道。刀具消耗是TBM施工物資消耗的主要組成部分。刀具消耗量一般用耗刀率來表示，即開挖單位體積的巖石所消耗的刀具數量。本工程刀圈消耗量為0.39個/100 m3。根據現場記錄，本工程刀具損壞形式和比例見表7。統計數據表明本工程刀具質量與地質狀況適應程度較差。

表7 某工程TBM施工刀具損壞形式和比例統計

(6)刀具檢查更換的及時性。TBM刀盤每天必須進行沖洗，一方面將黏附在滾刀和鏟刀的石粉清理掉，另一方面可以檢查刀盤、滾刀及鏟刀的磨損程度。由于工程刀具磨損率一直較高，在刀具管理中增加了對刀盤和刀具檢查頻次，如根據TBM出渣及掘進參數情況，每掘進2～3個行程必須進行刀具磨損值量測，同時查看刀具磨損形狀、刀具緊固螺栓是否松動。TBM刀具更換標準沒有一個固定的值，需要刀具工根據工作實際情況來判斷是否需要更換、何時更換。但一般正常磨損情況下，當邊刀刀圈磨損掉10～15 mm左右、面刀和中心雙刀磨損掉20～25 mm左右時，就需要對它們進行更換。延遲更換刀具，刀具切削巖石的能力降低，TBM掘進時所需要的扭矩和推力就會增大，加大了TBM液壓系統和電機系統的負荷，同時降低了掘進速度；過早更換刀具，一方面不能發揮每一個刀圈應有的效能，另一方面頻繁更換刀具將造成時間浪費，影響TBM掘進效率。另外，在出現刀具非正常磨損情況下，如發生刀圈偏磨、崩刃或卷刃、密封漏油等情況，必須及時更換故障刀具，否則會造成相鄰刀具受損。

(7)其他原因。TBM施工系統主要由掘進系統、出渣(皮帶)系統、支護系統、通信系統、軌道交通系統、供電系統、供排水系統、通風系統等組成，且各系統之間相互制約與依賴，某個系統出現故障，都可能導致TBM停機終止掘進，造成資源浪費，增加施工成本。

5.2 間接成本影響分析

本工程主要因為實際揭露的圍巖特性參數與地勘圍巖特性參數存在較大差異，導致TBM設計制造性能不能很好適應實際地層，主要表現為刀具消耗明顯偏高、刀盤磨損較快并出現背部隔板開裂、刀盤與主軸承連接螺栓持續異常斷裂、液壓油管經常爆裂等問題，從而影響TBM掘進效率，最終導致工期嚴重滯后。由于TBM施工系統是一個復雜的系統，掘進效率降低后，除表現為直接成本增加，如人工、材料、TBM及皮帶機系統耗量增加外，還造成通風、排水、照明、運輸、道路維護等間接成本增加。當然，現場管理成本增加也屬于間接成本增加的不可忽視的一部分。另外，由于工期延長，導致與時間有關的各種間接成本增加，如財務費用、保險費用等。

6 TBM施工成本控制建議

施工企業項目成本控制貫穿項目從投標階段開始至項目缺陷責任期結束的全過程，是施工企業項目管理的重要環節，是評價施工企業管理水平的關鍵指標，是施工企業進行市場競爭的重要籌碼，是施工企業獲得利潤的主要途徑。由于工程參建各方所服務的主體不同，故成本控制的側重點也不盡相同。但承包商施工成本控制往往需要其他參建單位提供良好條件，特別是TBM施工項目，承包商成本控制僅靠自身管理顯然不夠，需工程參建各方共同努力，才能實現良好的成本控制效果。

6.1 確保招標階段發包人地勘資料的詳實性

隧道掘進機(TBM)的設計制造及使用效率(工作條件或稱工作效率)與隧道圍巖的地質因素密切相關，這是國內外同行的共識。TBM設計制造是依據建設單位提供的地勘資料和一些具體的要求而量身定制，詳實準確的地勘資料是實現TBM施工成本控制的前提。除本工程外，國內青海“引大濟湟工程”、甘肅的“引洮工程”、陜西的“引紅濟石工程”等都出現了由于工程地質問題而制約了TBM施工進度，從而增加了承包商施工成本。正是因為TBM對圍巖的挑剔和敏感性，建議計劃使用TBM施工的工程，首先必須加強前期地質勘探工作，弄清洞線范圍內圍巖的基本物理指標，并根據地勘資料進行科學的模擬實驗，確定TBM選型及TBM性能設計，確定合理的TBM預算工期及預算成本。

6.2 發揚制造階段供貨商的工匠精神

隨著科學技術的進步與發展，每臺TBM的設計制造都可能引進先進技術和先進工藝，但先進的技術和工藝并不代表著成熟和規范，故TBM設計制造過程中仍存在不確定因素。TBM性能能否滿足施工需要，只有在現場組裝完成并投入使用后才能得到驗證。TBM設計制造過程與工程項目類似，都具有“一次性過程”特性，且設計制造周期較長，價格昂貴，對工程進度和投資影響很大，這不僅是設備制造商風險，也是工程發包人的風險。TBM不同于一般商品，當各項性能指標不滿足工程要求時，設備不能更換，或者更換會帶來工期、經濟和社會效益方面的巨大損失。因此，為有效控制TBM設計制造過程中的不確定因素，建議選擇技術先進、工藝成熟、實力雄厚、信譽良好、管理完善的優秀企業，這樣不僅控制了發包人和制造商的風險，同時也為承包人TBM施工成本控制提供了可靠的基礎。

6.3 發揮監造階段潛在承包商主觀能動性

由于TBM的設計制造必須依賴于工程地質條件，同時又要滿足工程設計要求。這種情況下，設備的定制者往往是工程發包人，但設備的最終使用者卻往往是工程承包人。為了有效控制TBM的設備制造、工廠組裝、整機調試過程的質量、進度和投資，各方都意識到TBM制造監造的必要性和重要性。由于TBM在設計制造方面的特殊性以及使用者和定制者的差別性，使得TBM監造工作充滿矛盾。為了統一觀點，減少矛盾，有效利用資源，建議TBM監造責任仍由工程發包人承擔，監造小組成員可從所有潛在承包商資源庫中選擇，這樣的監造模式既可保護工程發包人的利益，也可兼顧工程承包人的利益。

6.4 挖掘施工階段承包商的管理潛力

成本控制的目的是合理使用財力、人力、物力，降低成本，增加收益。項目成本控制一般遵循全面控制原則、目標控制原則、動態控制原則、開源與節流相結合原則、責權利相結合原則。項目成本控制的方法很多，但不同的成本控制階段，需根據成本控制程序制定相適應的控制方法。總之，項目管理者在成本控制過程中采取科學并且適用的方法，對工程施工中所消耗的各種資源和費用開支進行指導、調節、監督和限制，并及時糾偏，把各項費用的實際發生額控制在計劃范圍之內，以保障成本目標的實現，創造更多的經濟效益和社會效益。施工成本控制的主角仍然是承包商，建議承包商在組建項目部時，一定要根據項目特點，選擇合適人員對項目進行管理。