特长隧道TBM导洞扩挖法可行性分析
2022-09-30刘玉飞王立川王宝友齐梦学
刘玉飞 赵 伟 王立川,2∗ 王宝友 齐梦学
(1.中铁十八局集团有限公司 天津 300222;2.中南大学土木工程学院 湖南长沙 410075;3.中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆 400707)
1 引言
导洞是在隧道修建时率先在设计断面挖掘的远小于设计断面的洞室,TBM导洞法就是先采用TBM施作导洞再扩大断面的施工方法,适用于以中硬、硬岩为主的隧道,能发挥TBM快速掘进的优势,改善通风,并可显著缩短工期,从而降低总成本[1]。
本文依据新建西十高铁项目秦岭马白山隧道工程,编制TBM导洞+钻爆扩挖法施工方案并进行可行性分析。
2 工程概况
秦岭马白山隧道全长22 918 m,为双洞单线隧道,最大埋深540 m、最小埋深76 m。隧道采用不对称人字坡,坡度分别为3‰、5‰、20‰、25‰。左右线围岩为Ⅱ级(11 035 m)、Ⅲ级(5 823 m)、Ⅳ级(5 710 m)、Ⅴ级(350 m)。正洞开挖断面89~106 m2,采用钻爆法施工,4条斜井辅助,其中1#、2#斜井为永久工程,3#、4#斜井为临时工程,隧道土建工期41.2个月。投标施组方案见图1。
图1 马白山隧道钻爆施工方案
3 方案可行性分析
3.1 地质适应性分析
马白山隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩占比73.6%,适合TBM法施工。隧道以花岗岩和石英片岩分为2段,岩石饱和单轴抗压强度19~99 MPa,平均值52 MPa,岩性表现好;隧道坡度最大25‰,满足TBM掘进和TBM有轨运输,进口端TBM顺坡施工达18 km,能充分发挥TBM快速掘进优势;区内主要为基岩裂隙水,主要赋存于不同岩性的接触带、断层带及节理、裂隙较发育的岩层中,可采用TBM法施工,进口工区较出口有排水优势;据勘察判定洞身埋深大于500 m时局部地段存在高地应力,存在轻微岩爆现象,现有TBM施工工艺及设备制造水平可克服该不良地质施工;2 km长石英片岩地段存在Ⅰ级软岩大变形可能,应小心通过[2-4]。
3.2 TBM方案选择
(1)主要思路:取消 1#、3#、4#斜井,保留 2#斜井辅助施工。左右线分别采用1台TBM实施导洞先行开挖,在与斜井钻爆工作面贯通后再实施钻爆法扩挖施工。在分析技术可行性和测算工期满足要求后,再测算其经济性[5]。
(2)方案选择说明
①TBM导洞断面直径选择
根据本案例隧道断面面积为89~106 m2,宜采用导洞直径范围为3.5~6 m。总体上,直径越小,速度越快,但TBM后配套就越长,不利于施组,同时支护数量就越少,甚至不支护,因此,后配套也会相应减少,理论上必然存在一最佳直径,可保证施工速度最快。根据施工经验,在能保证工期的前提下,为更针对性进行经济比较,方便参数确定,本案例开挖断面直径拟采用4.7 m。
②TBM导洞位置选择
导洞在正洞位置不同,对后续钻爆法扩挖施工效果也不同。依据表1[6]综合考虑,为利于运输、排水及便于邻洞施工,本案例选取在正洞底部正中、底平面与横通道开挖底面平齐位置。
表1 导洞位置优缺点对比
续表1
③2#斜井为救援通道,且为永久工程,恰好在施工段中间位置,可采用大机施工;断面大,能确保均衡快速施工。1#斜井虽为永久工程,但非必须,可变更。
(3)方案优缺点
①缺点:扩挖和衬砌工装配置数量大、工作强度高,组织难度大。
②优点:减少3 个斜井,节约 1#、3#、4#斜井建设费及大小临工程费,极大减少秦岭景区的人为干扰,环水保意义重大;同时TBM法施工,也符合国家大力发展机械化施工的政策导向;导洞施工将提前探明围岩现状,利于安全和不良地质技术应对;贯通后即进行贯通测量,利用导洞变形监测可反演更精准的预留变形量、消除施工误差引起的断面放大,以此指导缩减开挖断面;大幅提高扩挖效率,降低民爆品消耗;显著改善通风效果、大幅降低通风费用,有利于劳动保护[7-8]。
3.3 进度指标选择
本案例拟采用的进度指标见表2。
表2 拟采用进度指标 (m/月)
(1)TBM开挖进度指标分析
既有项目同直径TBM开挖月进度指标:Ⅱ级720 m、Ⅲ级850 m、Ⅳ级450 m、Ⅴ级200 m。
据历史经验,由于水利和铁路行业划分围岩的习惯倾向,针对该铁路项目2~3年临时隧道TBM导洞施工时,Ⅱ、Ⅲ级围岩按不支护指标测算,不排除极个别段落必要的局部钎钉网喷处理;Ⅳ级围岩原则上只施作随机钎钉网喷+局部锚杆;Ⅴ级须施作锚网喷,极个别破碎段落施作钢架。因此,隧道总体支护量将远小于既有项目,按公司现组织施工水平,采用比上述指标略高的表2内指标即可实现。
(2)钻爆法(非扩挖)进度指标分析
按公司现有施工水平,Ⅴ级围岩月进尺可达60 m,远超设计45 m;Ⅳ级围岩满足设计75 m且有富余;Ⅲ级围岩可达设计的120 m;Ⅱ级围岩进尺达不到设计值180 m。但由于钻爆法施工距离较短,经综合评价,可实现设计进度指标。
(3)钻爆法(扩挖)进度指标分析
导洞贯通后,应立即组织钻爆法扩挖作业,分别在导洞两端各安排一组(4个点)工作面实施快速掘进。同时,少量的Ⅳ、Ⅴ级围岩因支护量大可前置施工,不占用关键线路工期。其中,方案1可充分利用临洞工作面动态改变出渣路线,提前实施部分Ⅳ、Ⅴ级围岩扩挖;方案2只能采取增开工作面方式与扩挖同时实施。考虑出口端Ⅳ级围岩长3 620 m,可按Ⅲ级围岩扩挖实施。
钻爆法1个工作面常规扩挖指标(m/月):Ⅱ级围岩280、Ⅲ级230、Ⅳ级160、Ⅴ级140。调研其他施工单位秦岭隧道历史扩挖进度,常规能力为一组(4个点)工作面,进尺1 000~1 200 m/月,连续实施半年以上;钟南山公路隧道扩挖进度在1 100~1 300 m/月。考虑原秦岭隧道扩挖断面小,一组工作面连通很容易实现,而该项目断面大(11×10 m),通道瞬时恢复能力低,因此降低进度指标至900 m/月,且与采用1 000 m/月计算的工期相比仅相差半个月[9-11]。
(4)2号斜井施工
按指导性方案测算,斜井自完成后,进正洞挑顶+横通道Ⅱ级围岩施工至右线需13个月,然后进行双联式井底布置20 d,提供双向正洞施工工作面,共需14个月。
按以上进度指标测算,TBM到达前2#斜井已施工完成,并已施工正洞;在TBM到达前15 d,暂停正洞施工,为TBM贯通后空推做清场准备。贯通后暂停1个月进行TBM转场至下一个工作面和必要检修。
(5)经咨询,从TBM下单到制造完成需5个月,运输安装约2个月,组装同时施作20 m始发洞约1个月完成,第8个月开始掘进施工。
3.4 方案对比
(1)方案1:采用2台直径4.7 m TBM错洞相向施工,即左线进口TBM法、出口钻爆法,右线出口TBM法、进口钻爆法。2#斜井钻爆法施工,当TBM掘进通过2#斜井交叉点一定距离后,换装出碴皮带机,改为从2#斜井出碴,形成扩挖工作面,方案见图2。
图2 马白山隧道TBM错洞相向施工方案(单位:m)
工期:经编制施工形象进度图(见图3)测算开挖工期为39.1个月,左线施工为关键线路,衬砌施工2个月,刚好满足总工期41.2个月要求。
图3 马白山隧道方案1施工进度
缺点:必有一条隧道导洞的TBM需反坡施工,但根据历史此区域同类工程情况,预测隧道水量不大,并无淹机风险;但掘进通过2#斜井前,2台TBM管维工作不宜协同。
优点:左右洞相互补偿性强,有利于尽早揭示全隧地质;进出口弃碴相对均衡,有利于前置处治不良地质段。
(2)方案2:采用2台TBM同向施工,即左右线进口端均采用TBM法,出口端均采用钻爆法。2#斜井按钻爆法施工,当TBM通过2#斜井交叉点后,换装出碴皮带机,改为从2#斜井出碴,形成扩挖工作面,方案见图4。
图4 马白山隧道TBM同向施工方案
工期:经编制施工形象进度图(见图5)测算开挖工期为39.2个月,衬砌施工2个月,满足总工期41.2个月要求[12]。
图5 马白山隧道方案2施工进度
缺点:进出口弃碴不均衡,不利于尽早揭示全隧地质,需前置处理不良地质段。
优点:避免TBM导洞反坡施工,可消除淹机风险,便于2台TBM管维共享。
3.5 指导性施组方案存在的问题
表3中指标施工单位现有水平较难达到,但由于TBM进度较快,最终其对正洞扩挖工期影响很小(经计算半个月内)。因此,客观分析现有施组方案,1#、3#、4#斜井工期会滞后 1 个月以上,保守估计总体会滞后4~5个月工期。
表3 斜井自身钻爆开挖进度指标 (m/月)
4 经济性比较
4.1 节省费用计算
该方案与设计方案相比,可节省1#、3#和4#三座斜井实体工程建设成本,按投标预算节省15 772万元;同时可节省对应的临建工程,估算为1 514万元。故两项合计节省17 286万元。
4.2 增加费用计算
(1)TBM费用
新投入2台直径4.7 m的TBM费用约13 400万元;运输费和组装费单列,及配套专项设备设施等统一估算5 000万元。按项目管理经验,残值微小,总计18 400万元全部摊销,含在TBM开挖综合单价(700元/m3)中,不再单独计算。
(2)TBM法较钻爆法开挖增加成本明显
计算思路:估算TBM法导洞施工长度范围内的正洞断面开挖成本增加。
增加成本=每延米成本增加量×总长度。
其中:每延米成本增加量=每延米TBM导洞开挖成本A(含支护)+每延米扩挖成本B(降造)-每延米投标预算钻爆成本C。
A=TBM导洞开挖每延米方量×(每延米TBM综合开挖单价a1+每延米支护单价a2)。
B=扩挖每延米方量×每延米综合开挖单价c-每延米降造费b。
C=正洞全断面每延米方量×每延米综合开挖单价c。
TBM导洞开挖每延米方量按直径4.73 m计算为17.57 m3;正洞开挖每延米方量:经加权得94.15 m3;扩挖每延米方量:94.15-17.57=76.58 m3。
长度测算(根据施工形象进度图):
方案1:左线TBM导洞施工18 571 m,右线TBM导洞施工16 802.2 m;方案2:TBM从进口向出口左右线同向施工,左右线TBM导洞施工均为18 788 m。
各级围岩开挖综合单价(c)加权平均得:方案2为210.94元/m3,方案1为209.46元/m3。
每延米TBM综合开挖单价(a1):700元/m3(参考其他同类施工TBM综合开挖成本580~630元/m3,并考虑本单位综合施工水平,按700元/m3计算较稳妥)。
每延米TBM导洞开挖后围岩支护单价(a2)经加权平均计算。按Ⅱ级、Ⅲ级围岩无支护,Ⅳ级、Ⅴ级围岩(参照既有同类项目)均按5 000元/延米计算可得:方案1为1 477.81元/延米,方案2为1 169.87元/延米。
每延米降造费(b):
扩挖引起的降造费参考文献[1]并结合正洞设计断面和导洞断面估算如下:
①节约开挖量:2 m3/延米(单洞),故每延米节约2 m3×210.94元/m3=421.88元。
②节约喷砼量:1.7 m3/延米(单洞),故每延米节约1.7 m3×1 000元/m3(投标)=1 700元。
③节约火工品量:炸药25%、雷管40%,开挖火工品总体消耗(10+18)元/m3,故每方节约火工品10×0.25+18×0.4=9.7元,故每延米节约76.58 m3×9.7元/m3=742.83元。
④节约通风费:按4座斜井估算,非导洞法平均通风费12元/m3,导洞贯通后平均通风费4元/m3。每延米节约76.58 m3×8元/m3=612.64元。
①~④项合计3 477.35元,约占扩挖量(210.94×75.68)的21.53%。
经计算每延米增加成本:方案2为6 285.31元,方案1=6 643.65元。
增加费用:方案1为23 501万元,方案2为23 618万元。
4.3 总费用计算
总费用=节省费用-增加费用。
方案1:17 286-23 501=-6 215万元。
方案2:17 286-23 618=-6 332万元。
可见,两种方案均需增加投入6 300万元左右,但2台TBM残值及专项配套未纳入冲减。
4.4 比选结论
(1)采用TBM导洞扩挖法,地质适应性较好。
(2)该方案能满足总工期,相对会滞后总工期的原设计方案,可实现工期提前。
(3)如考虑TBM剩余价值为一半,以及其他专项配套可继续周转使用,经济上亦可行。
综上所述,马白山隧道采用TBM导洞扩挖法,其技术、经济和工期均具备可行性,且环水保意义重大。
5 结论及思考
(1)进度指标的采用至关重要,其必须符合实际,笔者参考了多个类似项目的历史进度指标和在建项目的指标情况,通过进一步优化形成上文计算指标。
(2)施工进度图是计算工期的工具,要点是必须做好接口工程(交叉施工、前置施工等)的协调估算,关键节点务必充分考虑,科学合理估算,才能保证工期计算有效。
(3)经济测算方法很重要,本文采用差额法经验根据每延米单价进行估算,参考历史经验和数据统计,得到比较客观的关键计算参数。同时依据施工进度图精确测算计算长度,及所需工程量和必要指标。缺点是指标选择不够精确,偏差会较大,宜以施工单位成本测算部门的计算方法为准。
(4)应充分考虑反坡富水施工带来的影响,历史经验证明:反坡排水施工管理不善,无有效补救措施,将会造成较大工期和经济损失。
(5)该方案如果在建设项目策划阶段推荐实施,TBM可在正式施工半年前由业主定制,开工具备条件即可进场组装,将会显著节省工期,且不会增加额外投资,践行了绿色创新的发展理念。