隧洞工程鉆爆法和TBM法的造價編制和比選

井錦旭

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230088）

0 引言

鉆爆法和TBM法是隧洞開挖的兩種基本方法。鉆爆法施工組織復(fù)雜，工期較長，但地質(zhì)適應(yīng)能力較強(qiáng)；TBM法工序簡單、施工速度快、安全性好，但對地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，且設(shè)備費(fèi)用昂貴[1]。因此，對長距離隧洞工程，需進(jìn)行兩種開挖方式的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。

本文結(jié)合引大濟(jì)石引水隧洞的造價編制過程和方案比選，分析鉆爆法和TBM 法的費(fèi)用構(gòu)成、造價編制及不同圍巖造價的變化情況，對兩種開挖方式的主要費(fèi)用項(xiàng)目進(jìn)行比較，探討兩種開挖方式的單位造價指標(biāo)，為隧洞開挖方式的選擇提供一定的造價依據(jù)。

1 工程實(shí)例

引大濟(jì)石引水隧洞位于海南省東方市和昌江縣，從大廣壩引水補(bǔ)充石碌水庫，實(shí)現(xiàn)昌江縣水系連通，提高城鎮(zhèn)供水量和供水保證率。隧洞全長30.13 km，引水流量10.8 m3/s，工程等級Ⅱ等，全線基本位于猴獼嶺山脈西側(cè)，山體陡峻。根據(jù)地質(zhì)測繪和勘測試驗(yàn)結(jié)果分析，隧洞Ⅱ類圍巖約占54%，Ⅲ類圍巖約占27%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占19%。

根據(jù)主隧洞開挖方式不同，擬進(jìn)行兩個方案比選，分別為鉆爆法和TBM法。鉆爆法隧洞斷面采用城門洞結(jié)構(gòu)形式，TBM法采用圓形，其隧洞尺寸見表1。

表1 鉆爆法和TBM法隧洞尺寸

2 工程費(fèi)用劃分

為了清晰地對鉆爆法和TBM 法進(jìn)行比較，分別從建筑工程、臨時工程和征地移民3 個方面進(jìn)行造價比較，其中建筑工程又分為洞身開挖和超前支護(hù)，工程費(fèi)用項(xiàng)目劃分見表2。

表2 工程費(fèi)用項(xiàng)目劃分

3 隧洞工程造價編制及分析

本工程投資估算采用水利部頒發(fā)的《水利工程設(shè)計(jì)概（估）算編制規(guī)定》（水總〔2014〕429 號）中引水工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制，定額采用2002年水利部頒發(fā)的《水利建筑工程概算定額》、《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額（掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程）》（水總〔2007〕118號）進(jìn)行計(jì)算。價格水平年為海南省東方市和昌江縣2017年第四季度綜合價格水平。

3.1 隧洞洞身開挖

3.1.1 鉆爆法開挖

鉆爆法隧洞開挖主要由鉆爆開挖、石渣運(yùn)輸、鋼筋混凝土襯砌、固結(jié)灌漿及回填灌漿等組成。

工程圍巖為Ⅱ～Ⅴ類圍巖，對于Ⅱ類圍巖，采用手風(fēng)鉆全斷面造孔，光面爆破，素混凝土防護(hù)襯砌減糙；對于Ⅲ類圍巖，采用手風(fēng)鉆全斷面造孔，光面爆破，全斷面鋼筋混凝土襯砌；對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖，手風(fēng)鉆開挖，短進(jìn)尺、小藥量、弱爆破，周邊光爆破，并根據(jù)情況進(jìn)行一次支護(hù)，必要時進(jìn)行超前支護(hù)。隧洞出渣，采用立爪式扒渣機(jī)裝石渣，3.5 t 自卸汽車洞內(nèi)運(yùn)0.5～2 km，洞外運(yùn)0.5～2 km。此外，根據(jù)地質(zhì)報告確定的巖石分類，Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用Ⅺ～Ⅻ級石方爆破定額；Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用Ⅸ～Ⅹ級石方爆破定額。

3.1.2 TBM法開挖

TBM 法掘進(jìn)主要由TBM 機(jī)安裝、調(diào)試和拆除，掘進(jìn)開挖，石渣洞內(nèi)、洞外運(yùn)輸，鋼筋混凝土襯砌等組成。

本工程主洞采用2臺開敞式TBM 施工，按隧洞設(shè)計(jì)開挖洞徑套用掘進(jìn)機(jī)定額計(jì)算確定TBM 掘進(jìn)開挖洞徑為5 m。根據(jù)50～100 MPa、100～150 MPa圍巖單軸抗壓強(qiáng)度套用掘進(jìn)定額，依據(jù)地質(zhì)報告，新鮮黃崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為137.9 MPa，占比82.5%；淺變質(zhì)砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度61.3 MPa，占比17.5%，且基本分布于Ⅳ～Ⅴ類圍巖。掘進(jìn)刀具消耗量受隧洞巖石石英含量影響較大，本隧洞圍巖石英含量位于10%～20%之間，為簡化計(jì)算取平均值，按15%，刀具消耗量不做調(diào)整。隧洞總長度為30.13 km，但考慮到施工支洞及其連通的主洞采用的是鉆爆法施工，TBM 實(shí)際掘進(jìn)開挖長度小于30 km[2]，故TBM臺時費(fèi)不做調(diào)整。

3.1.3 鉆爆法與TBM法洞身開挖部分對比

鉆爆法與TBM 法隧洞洞身開挖部分投資和造價指標(biāo)對比見表3。從表3 中可以看出，鉆爆法開挖，Ⅱ類圍巖單位指標(biāo)為1166萬元/km，隨著圍巖類別降低，鉆爆造價指標(biāo)增高。這是由于隨著圍巖類別降低，在隧洞成洞尺寸一致的情況下，隧洞開挖尺寸和襯砌厚度都相應(yīng)增加（見表1）；TBM開挖時，Ⅱ類圍巖與Ⅲ類圍巖單位指標(biāo)變化不大，Ⅳ、Ⅴ類圍巖增加較多，這是由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖需進(jìn)行地下錨桿和固結(jié)灌漿處理。

表3 洞身開挖部分投資和造價指標(biāo)對比

3.2 隧洞超前支護(hù)

超前支護(hù)主要包含：雙排超前注漿小導(dǎo)管、初噴砼、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)以及復(fù)噴砼。對于Ⅱ類圍巖，不進(jìn)行超前支護(hù)處理；對于Ⅲ類圍巖，采用噴混凝土，設(shè)系統(tǒng)錨桿并加鋼筋網(wǎng)；對于Ⅳ、Ⅴ圍巖，采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)，開挖結(jié)束后，立即噴5 cm 厚C30砼作為臨時支護(hù)，并進(jìn)行系統(tǒng)錨桿施工，設(shè)置鋼拱架，以及二次噴砼。鉆爆法與TBM法均采用此種支護(hù)方式，僅在隧洞尺寸、形狀不同進(jìn)行調(diào)整。不同圍巖類別的隧洞單位造價指標(biāo)見表4。

表4 超前支護(hù)部分投資和造價指標(biāo)對比

從表4 可以看出，超前支護(hù)造價指標(biāo)與圍巖類別關(guān)系較大，Ⅱ類圍巖幾乎不產(chǎn)生超前支護(hù)費(fèi)用；隨著圍巖類別降低，超前支護(hù)造價指標(biāo)增高；相同圍巖類別，鉆爆法比TBM法造價指標(biāo)要高。

3.3 臨時工程

隧洞臨時工程主要由施工支洞、臨時道路、施工臨時供電線路、房屋建筑及其他臨時工程等組成，其主要內(nèi)容的工程量和投資見表5。其中，TBM法臨時道路包含了33 km的臨時軌道；鉆爆法10 kV臨時供電工程包含26 臺630 kVA 的箱式變壓器和12臺200 kW的移動式柴油發(fā)電機(jī)組，TBM法10 kV臨時供電工程5 臺200 kW 的移動式柴油發(fā)電機(jī)組和53.4 km 的挖掘機(jī)專用線路；房屋建筑工程中的辦公、生活及文化福利建筑按1～4 部分投資的1.5%計(jì)算；其他施工臨時工程按1～4 部分投資的3%計(jì)算。

表5 鉆爆法和TBM法臨時工程對比

考慮到不同圍巖中施工支洞、道路、供電線路等臨時工程均屬于公攤項(xiàng)目，臨時工程單價造價指標(biāo)均一致，經(jīng)計(jì)算鉆爆法和TBM法的臨時工程造價指標(biāo)分別為442、381萬元/km。

與TBM法相比，鉆爆法的單位造價指標(biāo)比TBM法高16%，這是由于鉆爆法設(shè)置了12條共7.5 km的施工支洞，長洞短打，來滿足施工進(jìn)度要求。

3.4 移民征地

鉆爆法永久占地43 畝，臨時占地970 畝；TBM法永久占地34畝，臨時占地869畝。其中永久和臨時征地主要集中在隧洞進(jìn)出水口、施工支洞、臨時道路。同時，該地區(qū)主要種植芒果等熱帶經(jīng)濟(jì)作物，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)較高。其移民征地補(bǔ)償投資及造價指標(biāo)見表6。

表6 移民征地投資和造價指標(biāo)對比

3.5 鉆爆法與TBM法綜合造價指標(biāo)

從上述分析可以得出鉆爆法和TBM法在不同圍巖類別工況下的投資對比見表7。

表7 鉆爆法和TBM法綜合造價指標(biāo)對比

從表7可以看出，不同圍巖類別，兩種開挖方式綜合造價指標(biāo)：

Ⅱ類圍巖，鉆爆法綜合造價指標(biāo)為1850 萬元/km，而TBM 綜合造價指標(biāo)為2639 萬元/km，鉆爆法綜合造價指標(biāo)比TBM低約30%。

Ⅲ類圍巖，鉆爆法綜合造價指標(biāo)為3007 萬元/km，TBM 法綜合造價指標(biāo)為2758 萬元/km，鉆爆法綜合造價指標(biāo)比TBM法高約9%。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖，鉆爆法綜合造價指標(biāo)為4188 萬元/km，TBM 綜合造價指標(biāo)為4109 萬元/km，鉆爆法綜合造價指標(biāo)比TBM 法高約2%，兩種開挖方式基本持平。

綜上分析，鉆爆法在Ⅱ類圍巖中的造價指標(biāo)較低，在Ⅳ、Ⅴ圍巖中兩種方法基本持平，在Ⅲ類圍巖中造價指標(biāo)相對較高。本工程Ⅱ類圍巖長度16.44 km，約占隧洞總長度54%，而Ⅲ類圍巖占比27%，因此鉆爆投資要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TBM投資。

4 結(jié)論

本文中，鉆爆法和TBM法造價指標(biāo)高低與圍巖類型關(guān)系較大，當(dāng)圍巖類型為Ⅱ類時，鉆爆法造價指標(biāo)最優(yōu)；當(dāng)圍巖類型為Ⅲ類時，TBM 法造價指標(biāo)最優(yōu)；當(dāng)圍巖類型為Ⅳ～Ⅴ類時，鉆爆法和TBM 法造價指標(biāo)基本一致。在實(shí)際工程中，長距離隧洞工程往往是多種圍巖類型的組合，因此，要結(jié)合不同圍巖類型對應(yīng)的隧洞長度來計(jì)算隧洞造價總投資，以此來確定方案的經(jīng)濟(jì)性。在鉆爆法和TBM 法計(jì)算過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）在采用TBM 法時，掘進(jìn)機(jī)施工人工預(yù)算單價按樞紐工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，而不用考慮該工程是否為樞紐標(biāo)準(zhǔn)。

（2）錯車洞工程量含在主體工程量中，因此錯車洞工程量不必單獨(dú)計(jì)列。

（3）隧洞開挖方式的最終選擇要結(jié)合工程的施工工期、環(huán)境要求、運(yùn)行維護(hù)等方面進(jìn)行綜合比較。