敞开式TBM施工成本影响因素分析

郭利民

【期刊名称】《《水利建设与管理》》 【年(卷),期】2019(039)010 【总页数】7页(P31-36,42)

【关键词】隧洞; 敞开式TBM; 施工成本; 单轴饱和抗压强度; 单位体积节理数 【作 者】郭利民

【作者单位】中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西 西安 710043 【正文语种】中 文 【中图分类】TV554

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单轴饱和抗压强度/MPa单位体积节理数/Jv节理发育程度围 岩 级 别ⅤⅣⅢⅡ一般地段局部岩爆地段一般地段岩爆地段<30——A1A2————30～60>16很发育—A2————10～16发 育—A2————60～130130～200>16很发育—A2A3A3——10～16发 育——A4A3A5A5′6～10较发育——A5A3A6A6′<6不发育————A6A6′10～16发 育——A4A3——6～10较发育——A5A3A6A6′<6不发育—————A6′>20010～16发 育——A4A3——6～10较发育——A5A3——<6不发育—————A6′

表2 支护类型及参数支护类型预留变形量/cm初 期 支 护 参 数喷混凝土系 统 锚 杆钢 筋 网部位厚度/cm位置长度/m间距/(cm×cm)位置直径/mm间距/(cm×cm)钢架榀/m二次衬砌/cm内轮廓半径/cm备 注A15全断面10半圆以上

3.0100×100全断面825×251榀/0.930385二衬钢筋混凝土A25全断面10半圆以上3.0120×120全断面825×251榀/0.9～1.830385—A35全断面8拱部120°3.0120×120半圆以上825×25—30387—A45全断面8局部3.0—局部825×25—30387—A55全断面5/8局部2.5—局部825×25—30390/387富水

段厚度8cmA5′5全断面5局部2.5—半圆以上825×25—30390A65全断面5/8局部2.5—————30390/387富水段厚度8cmA6′5全断面5局部2.5—半圆以上825×25—30390—

表3 工程数量支护类型开挖初 期 支 护喷 混 凝 土ϕ22砂浆锚杆ϕ25中空锚杆素喷网喷钢筋网根数长度重量垫板根数长度二次衬砌仰拱预制块细石混凝土单位m3m3m3kg根mkgkg根mm3m3m3A160.82—2.3273.2251544.765.309277.132.390.2A260.82—

2.3273.2251544.765.309277.132.390.2A360.820.761.1043.45————9277.162.39/2.460.2A460.821.310.5521.73————5157.162.460.2A560.820.82/1.310.34/0.5521.73————512.57.16/7.212.460.2A5'60.820.470.6943.45————512.57.212.460.2A660.821.16/1.86——————

512.57.16/7.212.460.2A6'60.820.470.6943.45————512.57.212.460.2 表4 钢架材料(榀)型 号材 料长度/mm数量总长/mm单重/(kg/m)总重

/kgI16A3534831604420.5328.9I16A3530221060420.5217.38160×130×15A3钢板—8——19.59600×200×10A3热轧钢板—2——18.84ϕ2220MnSi90023207002.98461.77

表5 二衬钢筋(每延米)直径/mm根数长度/m总长/m重量

/kg20222.32.28220.1620221.4585.80211.58101301.00130.0080.2182600.30880.0831.63

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：元项 目单位单价其 他直接费间接费计划利润税金锚杆ϕ22(3m)100根62565.856046.31681.42886.41951.8挂网ϕ8t5149.44612.8138.4237.6160.6I16钢拱架t7786.86975.4209.3359.2242.9锚杆ϕ25(3m)100根9278.68311.7248.4428.12.4C25混凝土100m377822.869713.52081.435802427锚杆ϕ25(2.5m)100根7732.26926.4207.0356.8241.2垫 板t33503135.393.7161.5109.2 各衬砌类型每延米成本见表7。

表7 各类衬砌类型成本衬 砌 类 型A1A2A3A4A5A5′A6A6′单价/(元

/m)19147.314463.310121.39665.59043.5/9588.29194.270.5/9515.29194.

2

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：元项目单轴饱和抗压强度开挖台班/价格刀具磨损套数/价格工长工时/价格高级工工时/价格中级工工时/价格初级工工时/价格合 计单位MPa台班/元套/元工时/元工时/元工时/元工时/元元

1<300.695/74630.059/15471.098/8.135.813/40.586.503/38.2411.954/38.619135230～

600.756/81170.081/21061.215/8.996.455/45.067.229/42.5113.278/42.10363360～

1300.869/93370.136/35261.410/10.437.526/52.538.439/49.6215.486/50.02130254130～

2001.058/113580.279/72501.682/12.459.024/62.9910.134/59.5918.577/60.00188045>2001.251/134360.517/134511.916/14.1810.309/71.9611.586/68.1321.226/68.5627110

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单轴饱和抗压强度/MPa衬砌类型衬砌成本/(元/m)总成本/(元/m)5～15A119147.328282.315～30A214463.323598.330～60A214463.324826.360～

130A49665.522690.5130～200A49665.528469.5>200A49665.536775.5 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、成本单位体积节理数/Jv衬砌类型衬砌成本/(元/m)施工成本/(元/m)3～6A670.521995.56～10A59043.522068.510～16A49665.522690.516～20A310121.323146.3>20A214463.327488.3 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。

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