中天山隧道TBM施工机械台班维护费研究

2019-04-09杨国庆

隧道建设(中英文) 2019年3期

杨国庆

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

0 引言

目前，国内长大铁路隧道大多采用TBM法+ 钻爆法施工。单项工程TBM累计掘进距离一般不超过15 km，而敞开式TBM 新机设计使用寿命通常按25～30 km考虑。单台敞开式TBM 的使用寿命远小于其固有寿命，且普遍缺乏后续工程，导致设备长期闲置，存放保养成本高，自然老化等带来的损失较大，甚至报废，造成企业固定资产严重浪费。

近年来，业内关于全断面隧道掘进机再制造的研究与实践已越来越多。如易新乾[1]分析了我国再制造的现状、存在的问题以及对再制造认识上存在的不足和错误，指出对再制造的正确认识以及具体要求，并为再制造产业的发展提出建议；康宝生[2]分析和总结了我国隧道掘进机再制造产业的发展现状、前景、重点和技术关键；孙海波[3]对敞开式TBM再制造关键技术与实践进行了分析和总结；曲长海等[4]对TBM维修改造进行了可行性分析；王宝友[5]论述了TB880E型全断面岩石掘进机刀盘刀具在不良地质条件下的改良方案。查阅相关文献资料可知，目前全断面隧道掘进机再制造领域中主要以技术、工法上的研究为主，而关于TBM再制造在工程造价方面的研究与应用却不多，个别涉及到工程造价的，也仅是宏观方面的介绍，针对具体项目情况不同，人工、材料、机械台班单价也有较大出入，没有一个统一的结论，参考价值不大。研究现有铁路隧道TBM施工成本发现，TBM隧道施工费用中占比大的主要是TBM施工机械台班费，对于机械台班单价中的折旧费、检修费，一般能得到较好的控制；而在特长隧道 TBM 施工过程中的维护费成本控制方面一般存在很大的不同，前期概算费用与实际支出有较大的差异。

本文以西康秦岭隧道φ8.8 m的TB880E型全断面岩石掘进机为例(以下简称TBM)，依托中天山隧道TBM施工项目，针对机械施工中的维护费支出情况进行研究，以秦岭西康隧道现场施工数据为基础，建立TBM维护费和台班数的数学关系模型，提炼出TBM维护费随台班数的发展函数关系式，并考虑到TBM停滞期间发生费用和局部再制造费用对工作台班数的影响。最后以中天山特长隧道等项目的TBM维护费支出情况来验证理论的正确性，以期为今后类似隧道工程在前期概算编制、成本控制等方面提供参考。

1 研究现状

1.1 秦岭隧道TBM

秦岭隧道是我国2000年建成的最长铁路隧道,全长18.46 km,最大埋深约1 600 m,埋深超过1 000 m地段长约3.8 km。隧道地质条件十分复杂,部分地段有高应力、岩爆、地热、断裂带涌水、围岩失稳等不良地质[6]。工程采用于1997年从德国维尔公司引进的2台直径为8.8 m的敞开式硬岩掘进机(TB880E)开挖, 设计寿命掘进35 km以上[6]，采用2台敞开式硬岩掘进机相对掘进的方案。

TBM主要技术参数：掘进机刀盘直径8.8 m,总质量3 000余t,总长度256 m,设备总装机功率5 400 kVA,刀盘最大推力2 100 t,撑靴最大撑紧力6 100 t,每个掘进行程1.8 m,刀盘转速2.7 r/min和5.4 r/min,正常掘进采用电机驱动为主驱动,液压辅助驱动可实现刀盘在软弱地质条件下的脱困[6]。

根据当时现场统计相关资料显示，完成秦岭隧道施工的2台TBM单台设备购置费为24 326.89万元，耐用总台班为8 000台班，折旧年限为8年，大修台班为1 100台班。秦岭隧道施工实际完成工作总台班数为2 318.6台班，掘进总长度为11 454 m，维护费累计消耗配件、润滑油脂费用为5 811.50万元，维修保养及临时故障排除累计人工、机械费350.80万元。秦岭隧道TBM维护费为26 577.21元/台班。

秦岭隧道TBM实现了隧道掘进的机械化施工, 代表当时世界隧道施工机械化的先进水平,是我国铁路隧道建设史上的一个重要里程碑[6]。

1.2 中天山隧道TBM

改建铁路南疆线吐鲁番至库尔勒段增建第二线中天山特长隧道为2座单线隧道，为全线控制性工程。中天山隧道所处环境为暖温带干燥寒冷的戈壁荒漠地区，具有施工作业环境极端恶劣、建设规模宏大、建设周期长、技术风险高、修建难度大、工程质量要求高等特点。

中天山特长隧道进口端左、右线采用2台TBM同时掘进，施工段全长共25 248 m。其中：左线隧道TBM施工为12 418 m，右线隧道TBM施工为12 830 m；出口端采用钻爆法施工，出口左线DK158+400处设1座长2 547.14 m的斜井辅助左线施工，右线DyK158+526处设1座长2 545.89 m的斜井辅助右线施工[7]。

中天山隧道施工采用的2台TBM掘进机于1997年从德国WIRTH引进以来，先后承担了秦岭隧道、桃花铺隧道、磨沟岭隧道的掘进任务。秦岭隧道左线TBM掘进机累计掘进11.656 km、右线TBM掘进机累计掘进9.44 km，其后处于闲置状态长达近5年之久。2007年4月，中天山隧道施工单位重新组织人员对TBM设备进行了全面整修，并于2007年12月开始在中天山隧道投入掘进施工。根据实际数据统计：左线隧道TBM工作台班数累计5 325.99台班(其中秦岭隧道1 179.51台班，桃花铺隧道1 400.65台班，中天山左线2 745.83台班)；右线隧道TBM工作台班数累计5 109.37台班(其中秦岭隧道1 139.14台班，磨沟岭隧道1 172.57台班，中天山右线2 797.66台班)。

2 分析与研究

2.1 维护费

依据《铁路工程施工机具台班费用定额》(2017 版)中相关理论，TBM施工机械台班单价主要由折旧费、检修费、维护费、安装拆卸费、人工费、燃料动力费和其他费用组成。其中，维护费一般是指机械在耐用总台班内，按规定的维护间隔进行各级维护和临时故障排除所需的费用，包括为保障机械正常运转所需替换设备与随机配备工具附具的摊销费用、机械运转及日常维护所需润滑与擦拭的材料费用和机械停滞期间的维护费用等[8]。

查阅《铁路工程施工机具台班费用定额》(2017 版)发现，现在铁路机械台班费中的维护费计算公式为维护费=检修费×维护费系数，维护费系数指预计施工机械在耐用总台班内发生的全部维护费占全部检修费的比例。

研究发现 TBM 台班维护费主要由2部分组成。1)随机配件、润滑油脂及自购配件消耗； 2)每天固定的维修保养及临时故障排除所需的人工费和常规机械设备使用费。

2.2 维护费变化影响主要因素

1)作业时间。作业时间增加，设备老化，故障率增高。

2)地质条件。地质条件复杂导致异常损坏增多。

3)关键部件寿命。随着关键部件使用时间增长，已达到甚至超过设计极限。

4)维修环境。受洞内空间环境所限，维修时间长，维修质量受影响。

5)施工条件。温度高、湿度大，导致故障率高。

2.3 现场统计数据

引用《TBM施工工程经济分析研究总报告》中秦岭隧道TBM现场统计的维护费数据统计，如表1所示。

表1 秦岭隧道TBM维护费数据统计

2.4 数学模型

通过上面的研究分析和实际工作数据发现，TBM实际累计台班与维护费可能存在一定的函数关系。现以秦岭隧道TBM维护费数据(表1)为基础，生成TBM维护费和单台TBM累计工作台班的散点图，并拟合出二者的关系曲线，如图1所示。

图1 秦岭隧道TBM维护费发展曲线

由图1可以看出，TBM维护费和单台TBM累计工作台班的关系曲线与散点图基本吻合，相关系数R=0.957 0，经检验0.7

y=10 801ln(x)-52 357。

(1)

式中：y为投产至当期TBM维护费均值，元/台班；x为单台TBM累计工作台班。

第n期TBM维护费均值计算公式为

Zn=(yn×xn-yn-1×xn-1)÷tn。

(2)

式中：Zn为当期TBM维护费均值,元/台班；yn为投产至第n期TBM维护费均值,元/台班；yn-1为投产至第n-1期TBM维护费均值,元/台班；xn为投产至第n期末TBM工作台班；xn-1为投产至第n-1期末TBM工作台班；tn为第n期内单台TBM工作台班。

3 工程应用及效果分析

3.1 TBM 停滞期间台班数量折算

根据《建设工程施工机械台班费用编制规则》(2015 年)，施工机械停滞费指施工机械非自身原因停滞期间所发生的费用，计算公式为机械停滞费=折旧费+人工费+其他费[9]。中天山隧道2台TBM的闲置时间分别为5年和5.33年。

西康秦岭隧道TBM总台班按8 000台班计，台班单价为7 544.62元/台班； TBM台班折旧费为28 888.18元/台班，人工费为64.18元/台班。

TBM停滞费=28 888.18+64.18+0=28 952.36 元/台班。

长时间停滞的设备投入使用后，虽然经过一定的保养措施，但设备表面的污垢、氧气的腐蚀氧化以及大气湿度还是会对设备的性能造成影响，会使设备投入使用后的初期故障率明显升高，相当于重新进入磨合期(初期故障期)，同时还会使偶发故障期变短，提前进入损耗故障期。闲置时间越长，以上变化就越明显。通过计算TBM停滞费占台班单价的比重，折算成停滞期台班数量，进一步量化TBM停滞期对设备的物质寿命和经济寿命的影响。

TBM停滞费÷秦岭隧道台班单价=28 952.36÷70 544.62=41%。

参照《建设工程施工机械台班费用定额》(2015年)中干式盾构掘进机年台班使用量250 台班，将TBM停滞费折算成台班数量。

右线TBM停滞期折算台班=1×250×5.33×41%=546.33台班。

同理类推：左线TBM停滞期折算台班=1×250×5×41%=512.50台班。

3.2 再制造费用台班数量折减

全新设备在应用一段时间后,经过再制造可再次使用。秦岭隧道TBM在施工中天山隧道时已经工作23 000 h,某些部件已经损耗比较严重,再制造可在很大程度上采用后来的先进技术、设计理念、更加成熟的产品,从而使机械性能与全新TBM保持基本一致。但并非再制造TBM的质量就会与全新TBM相同,毕竟旧机受到原设计制造的限制,例如主梁、鞍架、机头架、部分油缸(不包括油缸密封)、结构件等不可能全部更新[10]。因而，再制造TBM从总体性能和技术水平上,只是基本而非完全达到全新状态, 满足工程需要是基本原则[10]。

中天山隧道实施过程中概算每台班计列了3 590万元的再制造费用，实际发生费用暂无更详细资料，当时秦岭隧道TBM累计施工总台班数为4 891.87台班。可以将当时投入的费用看作是对前期工作台班引起机械损耗的再制造，其分摊单价为2×35 900 000÷4 891.87=14 677.4元/台班。

单台TBM折减台班数=(14 677.4÷70 544.6)×4 891.87÷2=508.90台班。

3.3 中天山隧道TBM换算总台班

综合考虑到闲置期折旧和再制造费用投入对实际工作台班的影响，现对中天山隧道TBM台班维护费计算如下：

左线TBM累计台班=1 179.51+1 400.65+512.5-508.9+2 745.83=5 329.59台班。

右线TBM累计台班=1 139.14+1 172.57+546.33-508.9+2 797.66=5 146.80台班。

3.4 工程案例验证

3.4.1 中天山隧道

查阅中天山左线隧道TBM施工资料：实施阶段TBM工作的施工数量为2 745.83台班，TBM维护费为45 733元/台班。根据理论模型推导出的线性方程式计算，中天山左线隧道TBM累计工作5 329.59台班，投产至当期TBM维护费均值为40 326.71元/台班，当期维护费为47 685.35元/台班，比统计数据高4.3%。

中天山右线隧道TBM施工资料：实施阶段TBM工作的施工数量为2 797.66台班，TBM维护费为45 733元/台班。根据理论模型推导出的线性方程式计算，中天山右线隧道TBM累计工作5 146.80台班，投产至当期TBM维护费均值为39 949.75元/台班，当期维护费为47 063.11元/台班，比统计数据高2.9%。

可以看出该理论模型计算基本与实际情况相吻合。

3.4.2 宁西线桃花铺1号隧道

调研宁西线桃花铺1号隧道施工单位资料：实际TBM使用1 400.65台班，TBM维护费为39 224.91元/台班。根据理论模型推导出的线性方程式计算，桃花铺1号隧道TBM累计工作2 580.16台班(1 179.51+1 400.65)，投产至当期TBM维护费均值为32 491.41元/台班，当期维护费为39 611.09元/台班，比统计数据高0.98%。理论模型计算基本与实际情况相吻合。

3.4.3 宁西线磨沟岭隧道

调研宁西线磨沟岭隧道施工单位资料：实际TBM使用1 172.57台班，TBM维护费为37 669.56元/台班。根据理论模型推导出的线性方程式计算，磨沟岭隧道TBM累计工作2 311.71台班(1 139.14+1 172.57)，投产至当期TBM维护费均值为31 304.77元/台班，当期维护费为38 730.85元/台班，比统计数据高2.82%。理论模型计算基本与实际情况相吻合。

3.4.4 秦岭隧道TBM维护费总额

根据《现代设备管理的命脉：设备经济管理》[11]中介绍，“据武汉设备管理协会1984年的资料，设备后期维持费中的维修费为购置费的3倍。”

截至中天山隧道施工贯通，左线TBM计算台班数为5 329.59台班，根据线性方程式计算，维护费总额为20 561.34 万元,加上前期再制造费用3 590万元，右线TBM后期年维修费占TBM购置费(24 327万元)的0.99；同理类推，右线TBM后期年维修费占TBM购置费(24 327万元)的1.03。按线性方程式计算出TBM机械后期维护费与购置费的占比结果满足要求，但也从侧面反映出当时秦岭隧道TBM购置费用高，估计该理论模型计算在大型机械国产化后的成本验算中应该会更趋合理，期待后续的实际数据验证。

4 结论与建议

4.1 结论

通过分析西康秦岭隧道TBM维护费发展规律，得出TBM寿命周期内维护费线性方程式，经过中天山隧道和国内外相关文献资料验证，该线性方程式基本能反映出TBM寿命周期内维护费发展的普遍规律。秦岭隧道TBM当时在修理过程中由于工期紧，未及时更换控制系统，项目最后在施工后期的实际维护费用略有增加。综合考虑到中天山隧道TBM超过使用寿命、磨耗严重、效率大幅降低等原因，中天山隧道实际TBM施工机械台班维护费比计算数据略高。

虽然中天山隧道施工年代较早,TBM非国产，但是测算的数据基本上是在同型号的基础上进行的，研究结论还是有一定的理论价值。在西康秦岭隧道TBM施工机械台班维护费实测数据的基础上建立的数学模型，经过中天山隧道等几个项目实际维护费用的验证，进一步佐证该理论模型推导出的函数关系式的正确性，单台TBM累计工作台班在寿命周期内对应的维护费是准确的，可适用于类似项目TBM维护费的确定。