李向东
(铁道第一勘察设计院集团有限公司, 陕西 西安 710043)
引汉济渭秦岭隧洞工程投资控制的关键问题研究
李向东
(铁道第一勘察设计院集团有限公司, 陕西 西安 710043)
为进一步加强引汉济渭秦岭隧洞工程投资的控制,确保陕西省引汉济渭调水工程按期完成,针对水利部概算“编规”的局限性,在现有法律法规和定额的基础上,重点研究了4个关键问题的解决方法: 1)“编规”对引水隧洞项目的划分较粗,无法满足秦岭隧洞工区多、费用组成复杂的要求,设计采用金字塔型分工区结构进行概算组织; 2)进口硬岩TBM掘进设备购置费高、断面单一,难以反复利用,“编规”仅在石方开挖单价中计取设备折旧费将使施工单位面临巨亏,设计采用折旧费由施工单位和业主分摊的方案达到了风险共担的目的; 3)秦岭隧洞最大独头通风距离达到16 km,超越了“编规”最大12 km的极限,设计采用二次曲线拟合,准确确定TBM轴流通风机调整系数; 4)“编规”中隧洞排水费已包含在临时设施费内综合考虑,不单独计列,无法适应多次穿越富水层的秦岭隧洞,设计根据预测涌水量和排水方案计算排水费,使概算合理,留有余地。
引汉济渭; 秦岭隧洞; 投资控制; 概算组成; TBM设备购置费分摊; 超长距离通风费; 隧洞排水费
Abstract: In order to further strengthen the investment control for Qinling Tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project and accomplish the project on schedule, the solutions of four key problems are studied based on the existing regulations and quotas, in view of the limitations ofRegulationsforBudgetofWaterProjectDesign,theMinistryofWaterResourcesofthePeople′sRepublicofChina. 1) The regulations cannot meet the requirements of Qinling Tunnel due to its coarse classification of water diversion tunnels. The pyramid structure is employed for budget estimation. 2) The cost of imported hard rock TBMs, most of which have a single cross section and can hardly be reutilized, is very high. In the regulations, the equipment depreciation is taken into consideration only in the unit price of rock excavation, leading to huge losses for the construction company. Thus, the equipment depreciation is shared by both the construction company and the owner, so as to achieve risk sharing. 3) The maximum dead-end ventilation distance in Qinling Tunnel reaches 16 km, which is beyond the limit of 12 km specified in the regulations. The quadratic curve fitting is adopted to accurately determine the adjustment coefficient of TBM axial flow fan. 4) The cost of tunnel drainage in the regulations is included in the temporary facilities fee instead of independent budget. This is not applicable for Qinling Tunnel which passes water-rich strata several times. Thus, the drainage fee is calculated according to the predicted water gushing volume and the drainage scheme, which is more rational and allows for unforeseen circumstances.
Keywords: Hanjiang River-Weihe River water diversion; Qinling Tunnel; investment control; budget composition; purchase cost allocation of TBM equipment; extra-long distance ventilation fee; inclined shaft drainage fee
陕西省引汉济渭调水工程是解决关中地区水资源紧缺,地跨长江、黄河2大流域的大型调水水利工程,工程主要由黄金峡水利枢纽、秦岭特长输水隧洞、三河口水利枢纽3部分组成[1]。其中,横穿秦岭的特长输水隧洞全长81.779 km,最大埋深2 000 m,地质条件复杂,预测富水地段长,其长度、埋深和修建难度举世罕有,是引汉济渭调水工程的关键。在设计阶段,根据水利部的规定,秦岭隧洞的投资应按《水利工程设计概(估)算编制规定》[2](以下简称“编规”)编制,但受“编规”年代的局限,在概算组成的合理性、TBM掘进机设备购置费用分摊、超长距离通风费、斜井排水费等4大关键问题上,不能完全适应秦岭隧洞工程的需要,所以需要探索新的方法。
冯江波等[3]结合工程实例,将2014 年新“编规”与2002年旧“编规”进行了对比分析,指出新旧“编规”的主要变化在于提高人工预算单价、调整费率及简化费用计算过程;贾秀玲[4]指出国内没有能力生产硬岩TBM,国产软岩TBM难以达到水工隧洞施工要求,分析了水利工程TBM进口中存在的问题;高建洪等[5]介绍了掘进机施工概算定额及施工机械台时费定额编制的基本思路和方法, 阐述了定额测算方法及工程取费费率测算方法;樊琳等[6]针对长距离隧洞工程实例,对通风机械设备的选型配置及实际通风费用测算进行了探讨;蒋于波等[7]介绍了秦岭隧洞TBM岭南反坡排水分级水仓、逐级抽排的施工方法;陈兵[8]针对国内长大隧洞反坡排水常规方式还处于人工操作阶段、泵站设置数量多且管理繁琐、人力财力耗费大的现状,在秦岭隧洞岭北7号洞工区反坡排水采用自动抽排水系统,以体现节能、安全和实用的优势。总之,以上文献主要针对费用标准、TBM设备选型、长距离通风、反坡排水施工方法等展开研究,而对本文提出的4个关键问题,可供参考的文献较少。
目前,引汉济渭秦岭隧洞正在全面施工中。为把引汉济渭调水工程建设成百年精品,设计单位进行深入研究后提出了新的方法,编制了切合实际的概算,对投资实现了控制,确保了投资合理、可控和工程按期竣工。
根据“编规”中的章节划分,秦岭隧洞应按“枢纽工程”—“三、引水工程”—“3、引水隧洞工程”—“土方开挖、石方开挖、模板、混凝土等”的章节细目编制概算。这对一般的引水隧洞工程比较适应,但对需要同时采用TBM掘进和钻爆法施工,必须做好移民和环境保护,需解决好超长距离通风和斜井大量排水的秦岭隧洞工程,则无法反映每个单位工程的投资情况,且编制深度也明显不够。经多方案反复研究比选,提出了如图1所示的按秦岭隧洞的工区来划分章节细目进行概算编制的方法。
图1 秦岭隧洞工区划分示意图(单位: m)Fig. 1 Sketch of division of working areas for Qinling Tunnel (unit: m)
由图1可以看出: 秦岭隧洞共设置10座施工支洞辅助施工;钻爆法工区42.697 km,TBM敞开式掘进机工区39.082 km;永久运营通道2座(3号和6号斜井),其他临时支洞8座(长20.209 km)。根据秦岭隧洞各工区的划分,重新组织的概算编制章节细目如图2所示。
由图2可以看出: 把秦岭隧洞按单位工程进行划分后,即可对每个独立的单位工程分别计算投资;底层细目依然按“编规”的要求进行单价组合(图2仅列出椒溪河主洞工区和支洞工区的底层细目,其他工区与其相同);编制的概算呈“由总到分、由上而下、层层递进”的金字塔结构。这样的结构具有以下优点: 一是可以清晰地了解工程的构成和上下关系;二是每个工区独立编制概算,可以单独配置人工费、材料费和运杂费、施工措施费率等,概算基础资料更准确;三是每个工区独立编制概算,可以顺利地解决每个工区因弃碴场位置不同而导致的石方运距差异,以及混凝土拌合站位置不同而导致的运输距离单独设定问题;四是可以根据每个工区各自的排水、通风情况,设置独立的排水通风计算参数,切合实际地编制概算。秦岭隧洞的投资由于合理组织了金字塔式的概算结构,条理清晰,逻辑严密,比较紧密地贴合了工程实际,满足了秦岭隧洞初设概算的深度要求和投资控制,也较顺利地通过了各级审查。
2.1 TBM掘进机设备购置费分摊的提出
秦岭隧洞长达82 km,需要开辟多个工作面才能满足工期要求,但仅其两端属岭南、岭北中低山区,埋深较浅,且沟壑纵横,可采取“长隧短打”的钻爆法施工方法;中间近40 km隧洞深埋在1 000 m以上,且山体巨厚,无深切沟谷可利用,经方案比选,决定采用TBM全断面掘进机施工[9]。
图2 秦岭隧洞概算编制金字塔结构示意图Fig. 2 Sketch of pyramid structure of budgeting for Qinglin Tunnel
TBM工法作为第4代施工技术,是目前隧道施工中公认的最先进的工法之一。TBM采用机械式破岩,集隧道施工的开挖、出碴、初期支护(管片衬砌)、通风除尘、铺设隧道轨线以及风水电延伸于一体,具有快速、优质、安全和环保等施工特点,实现了长大隧道施工的流程化作业,其优势非常明显[10]。但TBM在秦岭隧洞使用过程中也有不足之处,主要表现在2方面: 1)量身定制,通用性差。一般输水隧洞的断面由流量来控制,秦岭隧洞输水量大,要求的TBM直径也大,施工单位按设计要求购得掘进机后很难将其再用于其他工程。2)设备昂贵,初期投入大。目前国产TBM设备主要用于区间较短且多为软弱围岩的城市轨道交通项目,尚难以满足像秦岭隧洞这样使用长度接近20 km、岩石饱和抗压强度为30~133 MPa的长大硬岩隧洞施工。为了保障安全和工期,必须进口国外成套的硬岩TBM设备[4]。
进口TBM设备购置费用昂贵,如果设备由业主采购,业主的投入过高,不利于施工单位对TBM的爱护和使用;反之,受水工断面的单一性限制,施工单位无法继续在其他项目中使用TBM,后期设备还得存放和定期养护,施工单位势必承担较大的风险。因此,提出TBM掘进机设备购置费模式及费用分摊问题。
2.2 TBM掘进机购置模式
经研究确定的秦岭隧洞TBM购置模式为: 设计单位提供设备技术规格书,由施工单位出资负责招标采购,业主委托专业人员和施工单位联合监造;设备到岸后由双方联合组织验收,设备的国内运输和现场组装拆卸调试及整个TBM施工期的维修养护都由施工单位负责;工程竣工后,设备经第三方检测后完整移交给业主,业主向施工单位支付购买设备的折旧余值费用;后期,业主对设备整修后可以用直接租赁或融资租赁等方式来进行TBM全寿命期管理。这种方式充分平衡了TBM购置的风险,考虑了双方的利益,业主在前期可以以较少的投入完成工程目标,而施工单位只要顺利地完成工程就可以拿到剩余折旧费,不必承担设备后续使用的压力。
2.3 TBM掘进机设备购置分摊费的计算
根据水利部门的规定,在水利工程概算中一般不单独计取TBM掘进机购置费,其费用仅按台时费计取在石方洞挖的综合单价中。对于引汉济渭秦岭隧洞这样的特殊工程,这种传统计费模式显然与实际存在较大差距,必须对此特殊考虑。
根据《水利工程施工机械台时费定额》和《水利工程概预算补充定额(掘进机施工隧洞工程)》[11]的规定,水利工程中施工机械的费用按台时计算,台时费中的折旧费是指机械在寿命期内回收原值的台时折旧摊销费用[12],见式(1)。
设备台时折旧费=(设备采购价+运杂费)×(1-设备残值率)/寿命总台时。
(1)
可以认为TBM掘进机的购置费在扣除残值后可以按使用小时回收,并以折旧摊销费的形式计算出TBM掘进机的购置分摊费用。
秦岭隧洞TBM段施工长度达到39.08 km,分南北2个工区相向掘进。岭南TBM由3号支洞进入,掘进距离为17.58 km,岭北TBM由6号支洞进入,掘进距离为21.5 km。秦岭隧洞石方开挖数量及TBM台时统计见表1。
表1 秦岭隧洞TBM开挖数量及台时统计Table 1 Statistics of the total excavation volume and the excavation volume per hour by a TBM for Qinling Tunnel
根据初步设计方案,秦岭隧洞配置2台开敞式全断面TBM掘进机,其购置费单台2.5亿元(含后配套及皮带机),扣除设备残值5%,TBM掘进机可使用价值为4.75亿元。在《水利工程隧洞掘进机施工机械台时费定额》中,直径为8 m的敞开式TBM掘进机折旧费为6 530.72元/台时,则TBM的使用时间为4.75亿元÷6 530.72元/台时=7万2 733台时。根据预测和统计分析,本段TBM综合利用率按35%考虑[13],则TBM寿命周期成本内的设备使用时间为7万2 733台时×35%=2万5 456台时。岭南TBM掘进石方为89.3万m3,消耗1万6 709台时,占寿命周期的66%;岭北TBM掘进石方为110.95万m3,消耗1万8 313台时,占寿命周期的72%。经计算,岭南TBM工区建安费中已含折旧费1.09亿元,岭北TBM工区建安费中已含折旧费1.20亿元,岭南TBM工区应另计取TBM掘进机设备折旧费4.75亿元/2台-1.09亿元=1.28亿元,岭北TBM工区应另计取TBM掘进机设备折旧费4.75亿元/2台-1.20亿元=1.18亿元,合计2.46亿元。作为TBM设备购置分摊费,在秦岭隧洞初步设计概算的独立费中单列,得到了陕西省发改委的批复。2台TBM的剩余寿命周期为2万5 456台时×2-(1万6 709台时+1万8 313台时)=1万5 890台时,仍有一定的使用空间。
该方案责权利分明,风险共担,使困难的TBM购置费问题得以解决,保障了工程的顺利实施,得到了业主和施工单位的认可。
3.1超长距离通风费用的提出
国内TBM施工独头通风长度大多控制在10~15 km,如兰渝铁路西秦岭隧道TBM独头通风距离为12.5 km、辽宁大伙房输水隧洞TBM独头通风距离为11.23 km[14]。秦岭隧洞岭北TBM工区长度21.5 km,自5号支洞进入主洞至最长工作面长达16.18 km,其独头通风距离突破了现有“编规”最大12 km的极限。因此,需要认真研究并提出超长距离通风费用的计取方法。
3.2秦岭隧洞TBM工区超长距离通风方案的选定
TBM在开挖施工时,由于掘进速度快,TBM刀盘切削岩石时产生的热量大、粉尘多;机械设备运转速度快,机车来往密度大;洞内注浆孔、排水孔的风钻打眼作业会产生大量粉尘。为给施工人员和机械创造适宜的工作环境,必须做好通风。针对本工程TBM工区送风距离长、工作面多、工序多、需风量大的特点,经研究比选后,设计采用了低噪节能的大风量风机配大直径风管的压入式送风技术。经计算,送风量达46 m3/s,可以满足本工程的通风需要[14]。
3.3秦岭隧洞TBM工区超长距离通风费用计算的特殊性
根据“编规”,水工隧洞的通风费用一般是根据独头通风长度,用通风机台时量乘以通风调整系数进行计算。秦岭隧洞TBM工区超长距离通风费用计算的特殊性主要在于其通风调整系数的确定。《水利工程隧洞掘进机施工机械台时费定额》中,轴流通风机台时量是按一个工作面长度为6 km拟定的,当工作面长度超过6 km时,根据定额说明,应依据定额的系数表,采用内插和外延的方式计算取得通风调整系数。这种方法是简单地把通风系数和距离的关系拟定为直线关系,而本工程的情况却是随着通风距离的增加,供风量是不断衰减的、渐变的曲线关系。况且,其最大工作面长度仅12 km。所以,秦岭隧洞通风调整系数的计算必须另辟蹊径。
3.4秦岭隧洞通风费用的计算模型
Matlab是一个很强大的数据处理软件,可以进行数据分析。当需要研究2个变量之间的关系时,经常要用到曲线拟合。曲线拟合不仅能给出拟合后的关系式,还能用图形直观地展现出变量之间的关系。
根据《水利工程隧洞掘进机施工机械台时费定额》,说明不同工作面长度下的轴流通风机调整系数,如表2所示。
表2 轴流通风机调整系数Table 2 Adjustment coefficients of axial flow fan
直径为8 m的TBM通风调整系数经拟定后的接近公式为:y=0.012 9x2+0.125 9x-0.268 1,R2=0.993 6,R接近1,可以判定为多项式拟合。经过拟合后的系数比简单直线内插和外延精度高,得到的轴流通风机调整系数也更为准确。图3是直径为8 m的TBM通风系数图。
图3 直径为8 m的TBM通风系数图Fig. 3 Ventilation coefficients of TBM with diameter of 8 m
通过对通风系数的拟合处理,秦岭隧洞TBM段超长通风距离的调整系数见表3。
表3 秦岭隧洞TBM段超长通风距离的调整系数
秦岭隧洞地质、水文地质条件复杂,必须穿越大理岩、大理岩夹片岩地层的强富水区及中等富水区,各斜井开挖中都面临着很大的反坡排水压力[15],排水方案及其费用均需精心设计和研究。
4.1秦岭隧洞排水方案的设定
根据施工组织,秦岭隧洞安排11个工区施工,各工区排水量由预测涌水量和施工用水2部分组成。掌子面施工用水分别按钻爆法段120 m3/d、TBM段22 m3/d考虑。施工支洞根据扬程进行泵站布置。施工中在掌子面附近挖集水坑集水,再用潜水泵抽水至井底泵站集水仓,后逐级抽水并经层层沉淀净化后排至洞外污水处理系统。TBM冷却水循环利用,不排入隧道内。
4.2秦岭隧洞排水费用计算中遇到的问题
根据“编规”的规定,隧洞排水费已包含在现场经费的临时设施费内综合考虑,至于隧洞涌水大小、是否反坡排水、设置泵站多少、反坡长度和提升高度等都在费率中综合考虑,这显然无法客观反映秦岭隧洞在排水方面的困难程度。例如,3号支洞和4号支洞工区的日涌水量预测可达2.5万m3,如果不将这部分排水费用接近实际地计列,其投资将明显偏离实际很多。
4.3秦岭隧洞排水费的计算
一般排水费的计算公式为:
排水费用=正常排水总量×排水单价。
(2)
因此,正常排水总量和排水单价的合理确定是计算排水费用的关键。
4.3.1 秦岭隧洞涌水量的预设
在勘察阶段,参考本工程附近18 km长的西康高速公路秦岭隧道及石砭峪引水隧洞预测及施工实测涌水量的关系资料,采用钻探、物探和水文测试相结合的方法,划分了秦岭隧洞各地层的富水程度,并经业主组织专家论证后,提出了预测的分段涌水量。
根据《陕西省引汉济渭工程环境影响报告书》的要求,排水方案应严格贯彻“以堵为主,控制排放”的方针。为限制富水区段地下水的过度排放,采取了全断面径向注浆的堵水措施。根据相邻类似工程的经验及本工程试验段数据,综合确定辅助坑道的堵水率按70%考虑。由于要考虑水压对衬砌结构的影响,主洞需设泄水孔,允许适当排水,其堵水率按60%考虑。
正常排水总量=预测涌水量×工期×堵水率。
(3)
据此分别确定各施工支洞工区的平均正常涌水量,如表4所示,作为编制施工排水方案的依据。考虑到本隧洞大部埋深较大,根据附近相邻深埋隧洞的施工经验,除进口工区外,忽略了季节因素对预测涌水量的影响。
表4 各支洞工区平均正常涌水量及排水单价
4.3.2 秦岭隧洞排水单价的确定
一般情况下:
排水单价=(人工费+排水设备机械使用费+临时排水管路+污水处理费)/正常排水总量。
(4)
根据“编规”,在开挖隧洞的石方单价的组成临时设施费中已包含了一部分排水费,这部分费用是按费率计算的,且无法分离出,因此在分析排水单价时对其进行简化处理。排水单价即为排水设备抽出每m3水所消耗的电价,人工费、设备折旧费、临时排水管路和污水处理费等均认为已包含在临时设施费中不重复计列。简化后的排水费计算公式见式(5)—(7)。
排水设备台时数量=正常排水总量/排水设备扬程;
(5)
排水设备台时费单价=1级扬程1 h排水设备耗电量×电价×扬程级数;
(6)
排水费=排水设备台时数量×排水设备台时单价。
(7)
由表4可知,椒溪河支洞工区采用从洞底离心排水泵(额定功率350 kW,抽水972 m3/h)扬程1级提升到洞口排出,则排水设备台时数量=230万5 086 m3÷972 m3/h=2 371 h,排水设备台时费单价=350 kW×1.12元/kW×1=392元,则椒溪河支洞工区的排水费用为2 371 h×392元/台时=93万元。因各工区扬程不同,所以单价也有较大差异,进口的椒溪河支洞工区最小,岭脊附近的3号支洞和4号支洞工区最大。这样确定的单价,通过核实支洞工区实际排水量记录,跟踪排水实际发现,仍有接近10%的误差,但已属可控范围。
通过计算,秦岭隧洞在初设阶段统计的排水费用在其工程投资中所占比例不小,“编规”规定的临时设施费难以涵盖。本文提出的方法虽然可以反映隧洞的涌水量,但准确做好涌水量预测是世界性难题,还是应做好动态控制和变更,并在概算中留有相当的余地。根据其他已实施项目的实践经验,排水费用造价控制的最佳途径是动态控制,施工过程中应及时跟踪涌水量的变化,核实实际抽水量记录,进行抽水单价的测算,分期分项进行抽水费用的变更和结算。只有这样才能真实有效地核算排水费用,避免涌水量预测误差造成的实际费用与设计概算出现较大偏差。
引汉济渭秦岭隧洞具有大埋深、高涌水、施工通风及运输距离超长等特点,隧洞施工难度居世界在建隧洞前列,由于工程的独特性,要求必须依据工程实际对水利部“编规”和定额进行合理调整。
1)对于采用多个工区“长隧短打”的引水隧洞,其概算组成应按工区组成单独编制,采用金字塔型分工区结构进行概算组织,以准确反映各工区的投资。
2)进口硬岩TBM掘进设备由于购置费用高,使用局限性大,施工单位在采购后将面临很大的风险,设计要在编制概算时充分考虑TBM掘进机设备购置费分摊问题,深入研究折旧费不足时的补亏方案。
3)TBM工区施工距离长,通风费用大。轴流通风机调整系数是影响投资的关键因素,采用二次曲线拟合可以准确得到TBM轴流通风机调整系数。
4)秦岭隧洞多次穿越富水层,排水费用高,临时设施费中的排水费用根本无法涵盖,应根据预测涌水量和排水方案详细计算排水费用,补齐因费率不足造成的缺口。
本文通过对有关引汉济渭秦岭隧洞投资控制的4个关键问题的研究,找到了合理可行的解决方案,确保了项目的投资控制和顺利施工,对进一步提升我国修建长大隧洞的投资控制水平积累了经验。
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StudyofKeyProblemsinInvestmentControlforQinlingTunnelofHanjiangRiver-WeiheRiverWaterDivisionProject
LI Xiangdong
(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Xi′an710043,Shaanxi,China)
U 45
A
1672-741X(2017)09-1090-07
2017-03-10;
2017-07-10
李向东(1975—),男,山西长治人,1997年毕业于兰州铁道学院,技术经济专业,本科,高级工程师,主要从事铁路、水利和城市轨道交通的工程经济研究工作。E-mail: 550220953@qq.com。
10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.005