隧道机械化开挖与传统人工开挖的利弊分析

谷桂丽

摘要：由于隧道工程隐蔽项目多、地质条件复杂、施工作业空间狭小，且施工中不可预见的因素多。针对隧道施工的这些特点，近年来，大多施工企业选择机械化开挖来替代传统人工施工方法。机械化施工具有施工效率高、施工进度快、施工质量高等优点，并且已在交通领域得到一致认可。为了深入了解机械化施工，近年来，我国隧道施工企业引进和选用一些国内外先进隧道施工设备，深入研究隧道机械化的相关施工技术和管理标准，推行机械化作业。

本文通过实例对这两种开挖方法的各项指标进行了对比分析。

关键词：机械化

一、工程概况

隧道里程为：左线全长4379m，右线全长4399m，左右洞净距20m。除洞口段外，无浅埋段，最大埋深460m。

全线地质以石灰岩、安山玢岩、斑岩为主，围岩分类为：V级905m，IV级3060m，III级3636m，II级1177m。

大部分岩石属于坚硬岩，岩块抗压强度介于 30-60MPa，属于较坚硬岩。在勘察期间，钻探深度内未见地下水。

隧道地处生态保护区，在工程地质测调绘中，在隧道山坡发现灰岩山体存在洞穴，隧道为特长隧道，隧址区存在多处断层破碎带，有存在溶洞、岩爆的可能，要特别强调工程安全保障措施的合理运用。

二、施工工法

1、V级围岩

设计工法为CRD法，上导洞内不能进入机械;下导洞高4.1m，扣除下导洞施工时仰拱未开挖部分高度，远不能满足凿岩台车最小操作高度4.5m;只能采用人工开挖、人工安装拱架、人工喷射混凝土。

左线长度455米，右线长度450米。

2、IV级围岩

设计工法为：三台阶（深埋一般段）、三台阶预留核心土（浅埋加强段）、CRD法（紧急停车带加宽段）。三台阶法每台阶高度约3.8m，上台阶开挖时，凿岩台车就位于中台阶，上台阶长度控制在4m内，可以进行钻孔作业。拱架安装台车、湿喷台车最小操作高度2.8m，上台阶长度控制在6m内，可以进行相应作业。

左线长度1420米（CRD法50米，三台阶预留核心土70米，三台阶1300米）。

右线长度1640米，（CRD法50米，三台阶预留核心土70米，三台阶1520米）。

3、III级围岩

设计工法为：二台阶（一般段）、三台阶预留核心土（紧急停车带加宽段）。

左线长度1921米（二台阶1671米，三台阶预留核心土250米）。

右线长度1715米，（二台阶1465米，三台阶预留核心土250米）。

4、II级围岩

设计工法为二台阶，左线长度583米，右线长度594米。

三、机械化与传统人工开挖的对比分析

3.1施工成本对比

⑴ 人工钻孔

开挖断面140m²，人工开挖需22台风钻，33人/班，其中钻孔人员22人，装药爆破人员10人，爆破技术员1人;4台130kw空压机、2台110kw通风机;每个循环开挖进尺2.5m，每个循环开挖时间为4小时左右，钻孔145个，每天按1.5循环计算，其具体消耗成本如下：

①人工费约：（8000×32+9000×1）×1.5÷30÷140÷3.75=25.24元/m³;

②火工品约（药卷直径32mm）：（0.016×0.016×3.14×2.5×145×1360）×13÷140÷2.5=15.85元/m³;

③电费消耗（空压机、通风机）：（4×130+2×110）×4=2960度电，每度电按1.1元/度计算2960×1.1÷140÷2.5=9.30元/m³;

④配件消耗：

钻头、钻杆（3个循环换10个）：（35+270）×10÷（140×2.5×3）=2.91元/ m³;

风水管（一次摊销）：（50+85.5+52）×3000÷（850000÷2）=1.32元/ m³;

台架（60%摊销）：（8300×42）×0.6÷（850000÷2）=0.49元/ m3;

其他损耗：2元/m³;

小計：2.91+1.32+0.49+2=6.72/m³;

⑤机械修理费（4个维修及操作人员）：4×8000×1.5÷30÷140÷3.75=3.05元/ m³;

⑥设备折旧费：（80000×4+150000×2+80000）÷10×4÷（850000÷2）=0.66元/ m³;

合计：25.24+15.85+9.3+6.72+3.05+0.66=60.82元/ m³。

⑵ 凿岩台车（分三臂和二臂凿岩台车）

开挖断面140m²，两臂凿岩台车2台，功率120kw，2台110kw通风机，每班15人，每个班4个操作手，装药爆破人员10人，爆破技术员1人。1个每循环开挖进尺约2.5米，开挖所需时间2.5小时，每天按1.8个循环计算，具体消耗成本如下：

①人工费约：（4×20000+10×8000+1×10000）×1.8÷30÷（140×4.5）=16.19元/m³;

②火工品约：15.85元/m³;

③电费约（240+2×110）×2.5×1.1÷2.5÷140=3.61元/m³;

④配件、材料（油料）费

钻头、钻杆（1个循环换1个）：（150+2000）÷（140×2.5）=6.14元/m³;

其他费：6元/m³;

小计：6.14+6=12.14元/m³;

⑤台车机械维修保养费

维修费：【（2×15000）×1.8÷30÷140÷4.5】×2=5.72元/m³;

保养费：【6000÷（140×2.5×4）】×2=8.58元/m³;

小计5.72+8.58=14.3元/m³;

⑥台车机械使用折旧费约：台车8560000元/2台，台车机械使用费按10年折旧计算。

8560000÷10×4÷（850000÷2）=8.06元/m³;

⑦进场费：100000×2÷（850000÷2）=0.47元/m³;

合计：16.19+15.85+3.61+12.14+14.3+8.06+0.47=70.62元/m³。

结论：在衬砌类型为IVa、IVb、C3、T3、C2时，可以采用凿岩台车施工的情况下，台车较人工总成本增加55万m³×9.8元/ m³=539万。

3.2安全风险对比

（1）传统人工施工：

钻孔人员22人，人工钻孔人员紧邻掌子面作业，有岩石脱落造成物体打击伤害的风险，发生紧急情况时，台架上的作业人员不易逃生。

人工钻孔需要对自制台架进行临边安全防护，且防护极易被爆破损坏，导致窝工休整或作业人员经常处在无临边防护的环境下，易发生高坠事故;

（2）机械化施工：

凿岩台车操作人员4人，有效减少作业人数，避免了交叉干扰因素，同时可以避免重大、特大事故的发生。凿岩台车距离掌子面14～16m，且在已经支护好的地段，不存在物体打击风险。

凿岩台车辅助臂自带规范防护的操作平台，无需另外增加防护，且爆破时凿岩台车已驶离安全距离外。

3.3职业健康对比

（1）传统人工施工：

人工钻孔人员一直暴露在噪音和粉尘环境中，人工钻孔人员长期从事震动工作，容易患耳鸣、耳聋、尘肺等疾病;

（2）机械化施工：

凿岩台车全封闭操作室有效的阻止了职业病的发生，且凿岩台车是机械臂，不会对操作手造成震动伤害。

3.4施工质量对比

（1）传统人工施工：

人工钻孔难以保证钻孔角度、精度、深度，超欠挖差异大，II、III级围岩光爆效果不佳;

（2）机械化施工：

凿岩台车重型铝合金推进梁刚性好，抗弯及抗扭强度高，能够有效保障钻孔角度、精度、深度，成孔质量高。

目前Ⅳ级围岩含有钢拱架，受此影响凿岩台车施工时周边眼外插角角度存在难以控制等问题，项目为解决凿岩台车施工时不受拱架影响的问题，扩大了掌子面尺寸，造成超挖量在一定程度上比人工开挖要大。

3.5工期对比

（1）传统人工施工：

成孔速度慢：传统人工凿岩单孔平均成孔速度为8-10分钟/孔*2.5m，

（2）机械化施工：

成孔速度快：凿岩台车钻孔有强大的推进力，可以实现多孔同时推进，一次成多孔，减少钻孔时间，经统计计算，凿岩台车单孔平均成孔速度为2-3分钟/孔*2.5m，同時不需要工作辅助平台，可节约非钻孔时间，大大提高了施工进度，缩短了工期。经测算，本项目工期可提前3个月。

四、存在问题

1、人员问题技术不成熟

凿岩台车操作手的熟练程度不一，一个好的操作手能有效的控制钻杆水平角度和孔的直度，大大提高钻孔质量，有效控制超欠挖。而目前大多的设备厂家对操作手只提供技术培训，不是标准配置。初学操作手的熟练程度不利于施工质量控制。

2、设备租赁市场不灵活

目前国内市场可以出赁凿岩台车的厂家太少，且起租时间一般6个月，针对初次尝试机械化施工的单位，一般先考虑租赁，方便使用后再行购买，而设备的起租期过长不利于项目的成本控制。

结语：

项目自实施隧道机械化施工以来，赢得了各级政府、建设单位、设计院、监理单位的高度评价，所以推进机械化施工不仅树立企业形象，还进一步稳固企业在公路施工领域的地位，提升企业竞争力。同时，机械化施工未来隧道施工的必然趋势。

参考文献：

[1]  三臂凿岩台车开挖施工研究报告

[2]  隧道施工图纸