地下隧洞施工钻爆法与TBM掘进机法技术经济对比研究

南海蛟

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，沈阳 110000)

0 引 言

隧洞开挖中全断面掘进机法(TBM)和钻爆法作为两种基本方法，应综合比较工程投资、施工环境、沿线地质、工程特点等技术经济条件，选择合理的施工方法[1-2]。实际工程中，钻爆法为隧洞施工开挖普遍选用的方法[3]。钻爆法开挖爆破岩石时存在适用性强、较为经济等优点，其施工过程主要有钻出一定深度、孔径的炮眼→装入火药→爆破开挖→通风排烟→清撬支护→出渣→再次循环，该方法属于最为常规、传统的隧洞开挖法。通常情况下，一天内钻爆法能够循环掘进2次，甚至达到3次，考虑隧洞的进洞长度、洞经、地质条件等因素，钻爆法的挖进尺范围为60-180m/月。

在盾构技术的基础上发展形成的TBM掘进机法，主要适用于硬岩山岭隧洞或大型引水工程。全断面掘进机的产品种类繁多，经过多年的发展其施工技术基本完善，隧洞掘进速度快且岩层适应能力强，TBM掘进机现已在铁路、公路、水利等行业的隧洞开挖中得到广泛的应用，并已成为隧洞开挖中的首选施工机具[4]。TBM掘进机法能够实现连续的机械破碎、支护、出渣等操作，通过电动机带动主轴向刀盘施加压力，然后对隧洞岩石利用盘形滚刀破碎，从而完成断面的一次成型。TBM可以称为能够实现连续掘进的移动工程，属于一种集信息技术、传感、液压、机电于一体的综合成套设备，在完成机械运输、出渣支护、破岩作业的情况下实现工厂化施工，掘进单工作面时存在效率高、速度快等优点。目前，按照护盾形式可将TBM分为单护盾、双护盾和开敞式三种类型。考虑隧洞的洞经、地质条件等因素，TBM掘进机法的综合进尺范围为500-800m/月。

辽东半岛东部某引调水工程等别为Ⅰ等，设计取水规模60m3/s，引水线路长12.6km，隧洞沿线深埋于混合岩、变质砂岩及弱风化-微风化花岗岩内，围岩类型以Ⅱ-Ⅲ类为主，平均抗压强度处于60-120MPa范围。可行性研究报告较好的诠释了钻爆法、掘进机法的经济技术比较，该工程存在的施工难点与重点如下：①掘进距离长、开挖断面小，该引调水工程的隧洞断面为12m2，出渣支护、排烟排水、供风供电等作业难度大；②地质条件复杂、隧洞埋深大，引水隧洞埋深较大，在高水压力和围岩大应力作用下易诱发涌水、冒顶、塌方等问题；③交通条件差、输送难度高，引水工程地下隧洞穿越崇山峻岭，隧洞布置困难且施工道路狭窄，运输效率低、成本高、强度大，运输风险和管理难度大；④施工干扰大、工序多，隧洞施工过程中存在平行施工的衬砌、灌浆、支护、出渣、开挖等工序，为保证各工序顺利实施应合理组织施工。

水工隧洞支护形式按照隧洞设计规范规定分为钢拱架、喷混凝土、锚杆加固、不衬砌等形式，并且水工隧洞支护方式受开挖方式的影响较大。总而言之，文章通过比较分析方案的技术经济性，确定最佳方案法是钻爆法与TBM掘进机法相结合的方法。

1 经济对比分析

1.1 施工对比

以上两种方法的优缺点存在明显差异，具体如下：隧洞开挖中钻爆法属于应用成熟的传统施工方法，存在造价相对较低、可靠性高、技术成熟、机动灵活和适用性强等优点；其缺点有劳动强度大、作业环境差、掘进长度受限、单工作面进尺施工速度慢等。TBM法存在自动化程度高、施工环境好、可减少支洞数量、单工作面掘进长度长及单向进尺施工速度快等优点；其缺点有地质条件适应性较差、对外交通道路要求较高、对承包商专业素质要求高、造价较高、维修不便、前期设备投入多等，施工时需满足大件设备的运输要求且可择优选择的承包商较少。综合对比分析其工期、安全性、环保、经济效益等因素，如表1所示。

表1 综合对比分析

1.2 投资分析

1.2.1 TBM设施与价格

要购买全套的围岩掘进机施工承包单位必须有一定的经济实力，全断面掘进机(TBM)的投资成本较高。通常条件下，对于中硬岩的掘进寿命名牌TBM主机达到40-50km，实际中10-20m长的施工隧洞最为常见[5]。例如，辽东半岛东部某引调水工程选用直径3.5m的双护盾式TBM掘进机，主机和配套辅助设备的总成本达7500万元，地下隧洞掘进长度12.6km，将全断面掘进机(TBM)的所有费用分担至每延米成洞中，其分摊成本较高且未按常规的方法实施折旧。

1.2.2 隧洞成洞总费用

隧洞成洞总费用主要包括一次性购买设备费以及初期支护衬砌、二期衬砌、隧道开挖成洞两大部分，这也是实现隧洞成洞的必要条件，为满足工程上施工的需要承包商应有一定的经济实力。通过对比分析掘进机的成本数据，一般条件下钻爆法低于掘进机的衬砌、成洞费用，其主要原因如下：①计算方法不同，通常按照20km分摊全断面掘进机(TBM)全套设备折旧费，而大多数承包商通常以一个工程长度分摊折旧费，其原因为在后期工程中该套掘进机的配套设备和直径不一定适用；由此以来，大幅度提高了每延米上分摊的折旧费，使得掘进机成洞费用大大增加。②掘进机法较传统的钻爆法能够减少对隧洞围岩的扰动，该方法无需实施爆破作业，且在隧洞开挖过程中掘进机的二期钢筋混凝土衬砌、初期支护衬砌，其厚度较钻爆法略薄。围岩等级高的隧洞按照新奥法施工工艺原理，可以不实行隧洞衬砌，从而降低初期、二期衬砌以及掘进机成洞的总费用。目前，我国还没有形成适用于掘进机法的混凝土衬砌规范，现有的相关规范仅限于钻爆法，仍以钻爆法的衬砌作为掘进机隧洞的衬砌方式，因此组合的钻爆法混凝土衬砌及掘进机开挖提高了成洞总费用。③运行管理费较高，对于操作人员、工艺技术、机械设备TBM掘进机具有较高的要求，一般地TBM法需经历比较复杂的调试、组装、大件运输、海运通关、TBM设计制造、采购招评标、设备选型等过程，并且经历艰难复杂的正式掘进和试掘进，任一环节存在问题都将对项目整个工期造成重大影响。

实践表明，在施工和设计过程中TBM法较钻爆法，不可避免的会遇到地质、设备、技术管理等更多更大的风险，受以上因素影响往往会造成难以预见的投资损失、工期延长，投资和工期保证程度低。对于大部分围岩(Ⅲ类除外)类型，钻爆法的造价指标略低于TBM掘进机法，并且造价指标因围岩类型的不同而存在较大偏差，所以在水利工程隧洞方案选择要应重点分析工程地质条件，全面考虑技术方案的经济可行性，以Ⅲ类围岩为主的工程优先考虑TBM掘进机法。综上分析，为减少TBM掘进法的总成本必须实行科学的折旧计算、衬砌优化、快速稳健的进尺、高水平管理、正确的设备选型等措施。针对超过3km长的隧洞，掘进机成洞总费用能够低于或者持平于钻爆法。

2 结 语

为合理选定最佳的方法，还要考虑运行维护、环境影响、施工工期、安全保障、征地占用、工艺条件等因素。在我国地下工程中TBM掘进机法逐渐得到推广和应用，实践表明该方法具有良好的应用成效，可为推动地下工程的进一步发展提供技术支撑。