敞开式TBM施工成本影响因素分析

郭利民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

近年来中国铁路建设取得了长足的发展，但西北、西南地区铁路覆盖率还远远不能满足其经济发展的需求。这些区域以山区地形为主，新建铁路中越岭隧道越来越多，TBM作为一种安全、高效的隧洞施工手段，越来越多地被应用到隧洞施工中。TBM技术地质适应性较差，在软弱围岩及极硬岩中施工工程处理措施多、成本高。国内外专家总结多年TBM施工经验，得出若TBM开挖长度L与刀盘直径D比值大于600或者长度大于3000m时，TBM是经济的[1]。近年来许多学者对TBM经济性进行了研究，何小新、吴庆鸣等学者提出了钻爆法与掘进机经济比较模型[2],徐倩文对隧道成洞成本经过研究给出了计算公式[3],周小松考虑了TBM施工工期效益和社会效益，对TBM施工经济性作出了评价[4]。但上述学者在评价TBM经济性的时候都是将整条隧道统一考虑，并未考虑不利地质条件对TBM施工造价的影响，而往往影响TBM经济性及适用性的是TBM经过不良地质段的施工成本。本文以中天山隧道敞开式TBM施工图纸为基础，从设计角度分析单轴饱和抗压强度、单位体积节理数、富水性、岩爆等对TBM施工经济性的影响，为隧道TBM施工经济性评价提供基础。

1 影响TBM施工的工程因素

1.1 不同工况下TBM施工措施

在TBM隧道施工设计中，根据围岩级别、单轴饱和抗压强度、富水性、单位体积节理数和地应力采取不同的工程处理措施。中天山隧道采用敞开式880TBM施工，处理措施及工程量见表1～表5。

表1 衬砌类型与围岩分级对应表

表2 支护类型及参数

表3 工程数量

表4 钢架材料(榀)

表5 二衬钢筋(每延米)

1.2 影响TBM施工工程措施的因素

分析上述表格，结合施工经验，可以看出影响TBM施工的因素按重要程度依次为：单轴饱和抗压强度、单位体积节理数、富水性、岩爆(高地应力)，现对主要因素进行分析。

1.2.1 单轴饱和抗压强度

岩石单轴饱和抗压强度是影响TBM施工工程措施的一个主要因素。当岩石单轴饱和抗压强度过低，即为软弱岩石时，围岩自身承载能力不足，变形过大，施工中容易造成TBM卡阻。对于小于30MPa的较软岩和30～60MPa的坚硬岩采用A1、A2衬砌类型，全断面采用钢架+钢筋网+喷混凝土形式来保证开挖断面的稳定性，半圆以上采用系统锚杆防止洞顶局部失稳及落石。而当单轴饱和抗压强度过高时，TBM掘进困难，刀具磨损严重。单轴饱和抗压强度主要影响开挖面整体稳定性及掘进速度，进而影响到TBM的掘进成本。研究不同单轴饱和抗压强度下TBM施工对于隧洞TBM适应性评价极为重要。

1.2.2 单位体积节理数

围岩完整性是影响TBM施工工程措施的另一个主要因素，单位体积节理数主要影响断面开挖后的局部失稳及掉块，需要采取工程措施防止其发生。对单轴饱和抗压强度在60～130MPa之间的坚硬岩，单位体积节理数大于20的Ⅳ类围岩，采用A2类衬砌类型；对单位体积节理数在16～20之间的Ⅲ类围岩，采用A3类衬砌类型；对单位体积节理数在10～16之间的Ⅲ类围岩，采用A4类衬砌类型；对单位体积节理数6～10之间的Ⅲ类围岩，采用A5类衬砌类型；对单位体积节理数3～6的Ⅱ类围岩，采用A6类衬砌类型。分析A2～A6初期支护参数，可以发现当单位体积节理数大于20时，对开挖断面的整体稳定性产生影响，需用钢架+钢筋网+喷混凝土来保证断面的整体稳定性；而当单位体积节理数在16～20之间时，对洞顶稳定性产生影响，需用半圆以上钢筋网+拱部120°系统锚杆+喷混凝土来防止局部失稳；当单位体积节理数在10～16之间时，会影响到局部大中型岩块的稳定，需采取局部长锚杆加固；当单位体积节理数在6～10之间时，会影响到局部中小型岩块的稳定性，需采取局部短锚杆加固；当单位体积节理数小于3时，无须采取工程措施处理。

1.2.3 富水性

单位体积节理数和岩体透水性密切相关，一般断层破碎带及贯通节理密集带，涌水量将增大。TBM施工过程中要提前探知涌水量，对涌水量特别大的段落采用提前注浆或管幕等措施处理，以便TBM能够顺利通过。对于一般富水性的段落和岩体单轴抗压强度较低的段落，在使用钢筋网+喷混凝土确保开挖断面稳定性的同时，封堵隔断了地下水。而对于坚硬岩，需采取加厚喷混凝土3cm来处理。

1.2.4 高地应力

大埋深段隧道完整岩石受高地应力作用，却未释放，在隧道开挖过程中应力释放，可能发生岩爆，影响工程施工安全。从A5′和A6′高地应力段处理情况可以看出，高地应力段主要通过半圆以上钢筋网来防止岩块弹出、剥落。对极高地应力情况还需采取超前钻孔释放压力等特殊措施进行处理。

2 各因素对TBM施工成本的影响

2.1 各衬砌类型成本

按照《水利建筑工程概算定额》来计算敞开式TBM施工隧道衬砌造价，其单价明细见表6。

表6 材料单价(含人工、设备费) 单位：元

各衬砌类型每延米成本见表7。

表7 各类衬砌类型成本

2.2 单轴饱和抗压强度对施工成本的影响

单轴饱和抗压强度主要影响TBM开挖台时、刀具磨损、工人施工工时等。根据《水利工程概预算补充定额(掘进机施工隧洞工程)》，对不同单轴饱和抗压强度岩石9m直径敞开式TBM的开挖台时、刀具磨损进行拟合，结果见图1、图2。

同时对不同单轴饱和抗压强度造成的工人工时差别，采用线性插值，得出如表8列示的敞开式TBM成本表。其中432mm刀具单价按26000元/套，工长、高级工、中级工、初级工的工时工资分别按7.4元、6.98元、5.88元、3.23元计算，敞开式TBM开挖台时折旧费按10739.31元计算。

图1 9m直径敞开式TBM开挖台时与单轴饱和抗压强度关系曲线

图2 432mm刀具磨损与单轴饱和抗压强度关系曲线

表8 单轴饱和抗压强度对880敞开式TBM每延米施工成本的影响 单位：元

由表8可以得到每延米掘进成本与单轴饱和抗压强度之间的关系，见图3。

图3 每延米掘进成本(不含衬砌)与单轴饱和抗压强度关系曲线

由图3可以看出，880敞开式TBM掘进成本(不含)与单轴饱和抗压强度基本成指数关系。在围岩强度较低时，掘进机折旧费占掘进机掘进成本的主要部分。随着岩石单轴饱和强度的提高，刀具磨损成本急剧提高，成为掘进成本的主要部分，人工成本占比较低。

单轴饱和抗压强度还影响衬砌类型，进而影响到施工成本。选取单位体积节理数为10～16的不同单轴饱和抗压强度的衬砌类型进行分析，分析结果见表9。

表9 不同单轴饱和强度每延米衬砌类型及成本

由表9可以看出，单轴饱和强度大于一定值后将不再影响衬砌成本，衬砌主要用于处理可能发生的掉块及开挖断面的平整；而在岩体强度较低时，衬砌成本急剧上升，衬砌成为主要承载构件之一，与围岩一起保持断面稳定。

敞开式TBM每延米掘进成本与单轴饱和抗压强度的关系见图4，在单轴饱和抗压强度小于30MPa时，衬砌成本占主要部分；在单轴饱和抗压强度在30～150MPa时，TBM机械折旧费占主要部分；在单轴饱和抗压强度大于150MPa时，刀具磨损成本占主要部分。

图4 880敞开式TBM每延米施工成本与单轴饱和抗压强度关系曲线

2.3 单位体积节理数对敞开式TBM施工成本的影响

根据单轴饱和抗压强度60～130MPa不同单位体积节理数对应不同的衬砌类型，计算不同单位节理数对衬砌成本的影响，再加上对应的掘进成本，便是单位体积节理数对敞开式TBM施工成本的影响，其结果见表10、图5。

表10 单位体积节理数与衬砌类型、成本

图5 单位体积节理数与施工成本关系同线

从图5可以看出，单位体积节理数小于20时，单位体积节理数不会影响到断面的整体稳定性，整体施工成本上升不大。而当单位体积节理数大于20时,单位体积节理数影响到开挖断面的整体稳定性，施工成本急剧上升。

2.4 富水性及高地应力对敞开式TBM施工成本的影响

分析表7中A5、A6衬砌类型是否富水对施工成本的影响，可以得出富水性工况下衬砌成本增加6.0%；而高地应力下局部岩爆地段衬砌成本增加1.7%；岩爆地段衬砌成本增加2.5%。富水性及高地应力的处理成本占总开挖成本比例较小。

3 结论及展望

3.1 结论

a.影响敞开式TBM每延米施工成本的因素依次为岩石单轴饱和抗压强度、单位体积节理数、富水性、高地应力。

b.单轴饱和抗压强度较低时，开挖断面存在整体、局部失稳风险，衬砌成本占施工成本主要部分；单轴饱和抗压强度适中时，TBM折旧费占施工成本主要部分；单轴饱和抗压强度较高时，刀具磨损占施工成本主要部分。施工成本随单轴饱和抗压强度的提高，呈现出先降后升的规律，在单轴饱和抗压强度在55MPa时，达到最低值，单轴饱和抗压强度为30～150MPa，敞开式TBM施工成本较低。

c.敞开式TBM每延米施工成本随着单位体积节理数的提高，呈指数规律上升。单位体积节理数小于20时，不会影响到断面整体稳定性，成本上升不大；当单位体积节理数大于20时，开挖断面存在整体、局部失稳风险，成本快速上升。

3.2 讨论

在敞开式TBM每延米施工成本计算过程中，存在以下没有考虑到的情况：ⓐ没有考虑经过含水断层破碎带情况，在该工况下还需要通过提前管幕注浆等措施进行处理；ⓑ特高地应力情况，该工况下需要采用提前钻孔注水等措施处理。

本文通过计算880敞开式TBM施工成本，分析了单轴饱和抗压强度、单位体积节理数、富水性、高地应力对敞开式TBM施工成本的影响，为下一步钻爆法和TBM施工经济对比、隧洞TBM经济性评价提供参考。

参考文献[1] 张庆贺,柏炯,黄士兴,等.隧道掘进机优化选型[C].//中国土木工程学会.铁道工程学报增刊.北京：1998:391-395.

[2] 何小新,吴庆鸣.隧道掘进机选型智能决策支持系统的研究[J].铁道学报,2007,29(3):127-131

[3] 徐婧文.秦岭隧道TBM施工工程经济分析[D].兰州：兰州铁道学院,2000.

[4] 周小松.TBM法与钻爆法技术经济对比分析[D].西安：西安理工大学,2010.