敞開式TBM施工成本影響因素分析

郭利民

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

近年來中國鐵路建設取得了長足的發展，但西北、西南地區鐵路覆蓋率還遠遠不能滿足其經濟發展的需求。這些區域以山區地形為主，新建鐵路中越嶺隧道越來越多，TBM作為一種安全、高效的隧洞施工手段，越來越多地被應用到隧洞施工中。TBM技術地質適應性較差，在軟弱圍巖及極硬巖中施工工程處理措施多、成本高。國內外專家總結多年TBM施工經驗，得出若TBM開挖長度L與刀盤直徑D比值大于600或者長度大于3000m時，TBM是經濟的[1]。近年來許多學者對TBM經濟性進行了研究，何小新、吳慶鳴等學者提出了鉆爆法與掘進機經濟比較模型[2],徐倩文對隧道成洞成本經過研究給出了計算公式[3],周小松考慮了TBM施工工期效益和社會效益，對TBM施工經濟性作出了評價[4]。但上述學者在評價TBM經濟性的時候都是將整條隧道統一考慮，并未考慮不利地質條件對TBM施工造價的影響，而往往影響TBM經濟性及適用性的是TBM經過不良地質段的施工成本。本文以中天山隧道敞開式TBM施工圖紙為基礎，從設計角度分析單軸飽和抗壓強度、單位體積節理數、富水性、巖爆等對TBM施工經濟性的影響，為隧道TBM施工經濟性評價提供基礎。

1 影響TBM施工的工程因素

1.1 不同工況下TBM施工措施

在TBM隧道施工設計中，根據圍巖級別、單軸飽和抗壓強度、富水性、單位體積節理數和地應力采取不同的工程處理措施。中天山隧道采用敞開式880TBM施工，處理措施及工程量見表1～表5。

表1 襯砌類型與圍巖分級對應表

表2 支護類型及參數

表3 工程數量

表4 鋼架材料(榀)

表5 二襯鋼筋(每延米)

1.2 影響TBM施工工程措施的因素

分析上述表格，結合施工經驗，可以看出影響TBM施工的因素按重要程度依次為：單軸飽和抗壓強度、單位體積節理數、富水性、巖爆(高地應力)，現對主要因素進行分析。

1.2.1 單軸飽和抗壓強度

巖石單軸飽和抗壓強度是影響TBM施工工程措施的一個主要因素。當巖石單軸飽和抗壓強度過低，即為軟弱巖石時，圍巖自身承載能力不足，變形過大，施工中容易造成TBM卡阻。對于小于30MPa的較軟巖和30～60MPa的堅硬巖采用A1、A2襯砌類型，全斷面采用鋼架+鋼筋網+噴混凝土形式來保證開挖斷面的穩定性，半圓以上采用系統錨桿防止洞頂局部失穩及落石。而當單軸飽和抗壓強度過高時，TBM掘進困難，刀具磨損嚴重。單軸飽和抗壓強度主要影響開挖面整體穩定性及掘進速度，進而影響到TBM的掘進成本。研究不同單軸飽和抗壓強度下TBM施工對于隧洞TBM適應性評價極為重要。

1.2.2 單位體積節理數

圍巖完整性是影響TBM施工工程措施的另一個主要因素，單位體積節理數主要影響斷面開挖后的局部失穩及掉塊，需要采取工程措施防止其發生。對單軸飽和抗壓強度在60～130MPa之間的堅硬巖，單位體積節理數大于20的Ⅳ類圍巖，采用A2類襯砌類型；對單位體積節理數在16～20之間的Ⅲ類圍巖，采用A3類襯砌類型；對單位體積節理數在10～16之間的Ⅲ類圍巖，采用A4類襯砌類型；對單位體積節理數6～10之間的Ⅲ類圍巖，采用A5類襯砌類型；對單位體積節理數3～6的Ⅱ類圍巖，采用A6類襯砌類型。分析A2～A6初期支護參數，可以發現當單位體積節理數大于20時，對開挖斷面的整體穩定性產生影響，需用鋼架+鋼筋網+噴混凝土來保證斷面的整體穩定性；而當單位體積節理數在16～20之間時，對洞頂穩定性產生影響，需用半圓以上鋼筋網+拱部120°系統錨桿+噴混凝土來防止局部失穩；當單位體積節理數在10～16之間時，會影響到局部大中型巖塊的穩定，需采取局部長錨桿加固；當單位體積節理數在6～10之間時，會影響到局部中小型巖塊的穩定性，需采取局部短錨桿加固；當單位體積節理數小于3時，無須采取工程措施處理。

1.2.3 富水性

單位體積節理數和巖體透水性密切相關，一般斷層破碎帶及貫通節理密集帶，涌水量將增大。TBM施工過程中要提前探知涌水量，對涌水量特別大的段落采用提前注漿或管幕等措施處理，以便TBM能夠順利通過。對于一般富水性的段落和巖體單軸抗壓強度較低的段落，在使用鋼筋網+噴混凝土確保開挖斷面穩定性的同時，封堵隔斷了地下水。而對于堅硬巖，需采取加厚噴混凝土3cm來處理。

1.2.4 高地應力

大埋深段隧道完整巖石受高地應力作用，卻未釋放，在隧道開挖過程中應力釋放，可能發生巖爆，影響工程施工安全。從A5′和A6′高地應力段處理情況可以看出，高地應力段主要通過半圓以上鋼筋網來防止巖塊彈出、剝落。對極高地應力情況還需采取超前鉆孔釋放壓力等特殊措施進行處理。

2 各因素對TBM施工成本的影響

2.1 各襯砌類型成本

按照《水利建筑工程概算定額》來計算敞開式TBM施工隧道襯砌造價，其單價明細見表6。

表6 材料單價(含人工、設備費) 單位：元

各襯砌類型每延米成本見表7。

表7 各類襯砌類型成本

2.2 單軸飽和抗壓強度對施工成本的影響

單軸飽和抗壓強度主要影響TBM開挖臺時、刀具磨損、工人施工工時等。根據《水利工程概預算補充定額(掘進機施工隧洞工程)》，對不同單軸飽和抗壓強度巖石9m直徑敞開式TBM的開挖臺時、刀具磨損進行擬合，結果見圖1、圖2。

同時對不同單軸飽和抗壓強度造成的工人工時差別，采用線性插值，得出如表8列示的敞開式TBM成本表。其中432mm刀具單價按26000元/套，工長、高級工、中級工、初級工的工時工資分別按7.4元、6.98元、5.88元、3.23元計算，敞開式TBM開挖臺時折舊費按10739.31元計算。

圖1 9m直徑敞開式TBM開挖臺時與單軸飽和抗壓強度關系曲線

圖2 432mm刀具磨損與單軸飽和抗壓強度關系曲線

表8 單軸飽和抗壓強度對880敞開式TBM每延米施工成本的影響 單位：元

由表8可以得到每延米掘進成本與單軸飽和抗壓強度之間的關系，見圖3。

圖3 每延米掘進成本(不含襯砌)與單軸飽和抗壓強度關系曲線

由圖3可以看出，880敞開式TBM掘進成本(不含)與單軸飽和抗壓強度基本成指數關系。在圍巖強度較低時，掘進機折舊費占掘進機掘進成本的主要部分。隨著巖石單軸飽和強度的提高，刀具磨損成本急劇提高，成為掘進成本的主要部分，人工成本占比較低。

單軸飽和抗壓強度還影響襯砌類型，進而影響到施工成本。選取單位體積節理數為10～16的不同單軸飽和抗壓強度的襯砌類型進行分析，分析結果見表9。

表9 不同單軸飽和強度每延米襯砌類型及成本

由表9可以看出，單軸飽和強度大于一定值后將不再影響襯砌成本，襯砌主要用于處理可能發生的掉塊及開挖斷面的平整；而在巖體強度較低時，襯砌成本急劇上升，襯砌成為主要承載構件之一，與圍巖一起保持斷面穩定。

敞開式TBM每延米掘進成本與單軸飽和抗壓強度的關系見圖4，在單軸飽和抗壓強度小于30MPa時，襯砌成本占主要部分；在單軸飽和抗壓強度在30～150MPa時，TBM機械折舊費占主要部分；在單軸飽和抗壓強度大于150MPa時，刀具磨損成本占主要部分。

圖4 880敞開式TBM每延米施工成本與單軸飽和抗壓強度關系曲線

2.3 單位體積節理數對敞開式TBM施工成本的影響

根據單軸飽和抗壓強度60～130MPa不同單位體積節理數對應不同的襯砌類型，計算不同單位節理數對襯砌成本的影響，再加上對應的掘進成本，便是單位體積節理數對敞開式TBM施工成本的影響，其結果見表10、圖5。

表10 單位體積節理數與襯砌類型、成本

圖5 單位體積節理數與施工成本關系同線

從圖5可以看出，單位體積節理數小于20時，單位體積節理數不會影響到斷面的整體穩定性，整體施工成本上升不大。而當單位體積節理數大于20時,單位體積節理數影響到開挖斷面的整體穩定性，施工成本急劇上升。

2.4 富水性及高地應力對敞開式TBM施工成本的影響

分析表7中A5、A6襯砌類型是否富水對施工成本的影響，可以得出富水性工況下襯砌成本增加6.0%；而高地應力下局部巖爆地段襯砌成本增加1.7%；巖爆地段襯砌成本增加2.5%。富水性及高地應力的處理成本占總開挖成本比例較小。

3 結論及展望

3.1 結論

a.影響敞開式TBM每延米施工成本的因素依次為巖石單軸飽和抗壓強度、單位體積節理數、富水性、高地應力。

b.單軸飽和抗壓強度較低時，開挖斷面存在整體、局部失穩風險，襯砌成本占施工成本主要部分；單軸飽和抗壓強度適中時，TBM折舊費占施工成本主要部分；單軸飽和抗壓強度較高時，刀具磨損占施工成本主要部分。施工成本隨單軸飽和抗壓強度的提高，呈現出先降后升的規律，在單軸飽和抗壓強度在55MPa時，達到最低值，單軸飽和抗壓強度為30～150MPa，敞開式TBM施工成本較低。

c.敞開式TBM每延米施工成本隨著單位體積節理數的提高，呈指數規律上升。單位體積節理數小于20時，不會影響到斷面整體穩定性，成本上升不大；當單位體積節理數大于20時，開挖斷面存在整體、局部失穩風險，成本快速上升。

3.2 討論

在敞開式TBM每延米施工成本計算過程中，存在以下沒有考慮到的情況：?沒有考慮經過含水斷層破碎帶情況，在該工況下還需要通過提前管幕注漿等措施進行處理；?特高地應力情況，該工況下需要采用提前鉆孔注水等措施處理。

本文通過計算880敞開式TBM施工成本，分析了單軸飽和抗壓強度、單位體積節理數、富水性、高地應力對敞開式TBM施工成本的影響，為下一步鉆爆法和TBM施工經濟對比、隧洞TBM經濟性評價提供參考。

參考文獻[1] 張慶賀,柏炯,黃士興,等.隧道掘進機優化選型[C].//中國土木工程學會.鐵道工程學報增刊.北京：1998:391-395.

[2] 何小新,吳慶鳴.隧道掘進機選型智能決策支持系統的研究[J].鐵道學報,2007,29(3):127-131

[3] 徐婧文.秦嶺隧道TBM施工工程經濟分析[D].蘭州：蘭州鐵道學院,2000.

[4] 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.