压力管道斜井开挖施工工艺的综合效益研究

张 扬，王思桦

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024）

1 引言

按业主要求,对1、2、3 号高压管道下斜井施工工艺进行了优化,将原投标时采用阿利玛克爬罐施工变更为反井钻机施工,斜井扩挖施工工艺保持不变,仍然采用风钻钻爆扩挖施工。本文对爬罐、反井钻机2 种施工方案进行对比分析,从经济、环保、安全效益3 个方面对2 种施工方案的效益进行综合分析。

2 施工工艺介绍

斜井开挖作为整个压力管道施工控制性的关键性节点,具有开挖难度大、工期紧张、质量安全要求高等特点,尤其是安全问题突出,以斜井施工中常用的爬罐、反井钻机施工工艺作为研究对象,对斜井施工的综合效益进行研究具有重要的现实意义。

2.1 爬罐施工工艺介绍

阿利玛克爬罐是以自带驱动装置的施工平台,沿着固定在斜井井壁上的导轨上下爬行,运送人员、材料以及设备进行凿岩、装药连线等开挖竖斜井的方法[1]。目前,阿利玛克爬罐已在广州抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电站、仙居抽水蓄能电站、西龙池抽水蓄能电站等竖井或斜井施工中被应用。

2.2 反井钻机施工工艺介绍

反井钻机以电机带动液压马达,利用液压动力将扭矩传递给钻具系统,带动钻具旋转,并向上提升,采用楔齿盘形滚刀破岩,滚刀在钻压的作用下沿井底滚动,从而对岩石产生挤压和剪切作用使其破碎,从而开挖竖斜井的方法[2]。目前,反井钻机已在云南大朝山水电站、云南小弯水电站、大岗山水电站、十三陵抽水蓄能水电站、蒲石河抽水蓄能电站等竖井或斜井施工中被应用。

2.3 爬罐与反井钻机施工工艺对比

在水电工程地下施工中,爬罐和反击钻机依靠自身开挖竖斜井的施工技术特点得到了广泛应用,并取得了良好综合效益。爬罐施工爆破后需要通风与压水除尘,当掘进深度超过200 m 后,通风排烟难度加剧,安全隐患突出,掘进深度会受到一定限制；反井钻机与其相比较,不仅作业条件好,施工安全性高,而且施工深度也有着显著提高。目前,国内反井钻机施工深度可达562 m,国外反井钻机施工深度可达到1000 m 以上。爬罐与反井钻机施工工艺对比,见表1。

表1 施工工艺对比

3 综合效益对比分析

斜井采用不同的掘进方法在施工辅助工程费用和斜井开挖（导井+扩挖）费用（含清渣）上存在差异。经研究分析,开挖直径6.5 m 的斜井采用爬罐施工,费用合计为901.03 万元,开挖综合单价为10215.76 元/m；采用反井钻机施工,费用合计为1248.73 万元,开挖综合单价为14157.94 元/m；反井钻机较爬罐施工费用增加347.7 万元,单价增加3942.18 元/m。

3.1 生产成本测算

3.1.1 爬罐生产成本

式(1)为最小化t∈T阶段船舶贝内横倾力矩的目标函数，是t阶段船舶贝左侧集装箱和右侧集装箱所产生的横倾力矩之差，其中：k(t)∈N(t)为在t阶段待装箱编号；p=(i,j)∈P为船舶贝第i列第j层的箱位，i∈I,j∈J；wk(t)为集装箱k(t)的重量； xk(t)p为集装箱k(t)是否装到船舶贝的p∈P箱位，为0～1决策变量；d为集装箱宽度；Δ为相邻集装箱间隙；g为重力加速度。

（1）施工辅助工程费用

施工辅助工程包括施工供风与供水、施工通风排烟、施工供电与照明。在爬罐施工条件下,施工供风需通过爬罐自带高压风管输送至工作面,施工供风费用合计14.54 万元,由于施工供水费用已计入相应项目单价,不单独计列。在爬罐施工条件下,施工通风排烟要求较高,为达到环保、安全相关要求,需单独设置施工通风系统,此部分费用合计9.16 万元。施工供电费用已经计入电价或者相应项目单价,此外,由于照明使用爬罐自带照明装置,施工照明费用已计入相应项目单价,不单独计列。

（2）斜井开挖费用

在爬罐施工条件下,3 条斜井施工的人工费、材料费、机械费、石方运输费、其他直接费和间接费取费标准均按合同文件要求计取,每条斜井开挖工程量均为10977.96 m3,工程量合计为32933.88 m3。依据《水电建筑工程预算定额（2004版）》（定额编号：20946）编制导井的开挖单价,其单价为831.46 元/m3；依据《水电建筑工程预算定额（2004 版）》（定额编号：21153）编制斜井扩挖单价,其单价为163.34 元/m3；结合导井与斜井扩挖工程量所占权重,斜井开挖综合单价为266.39 元/m3,则爬罐开挖三条斜井（导井+扩挖）费用合计877.33 万元,开挖单价为9947.03 元/m。

3.1.2 反井钻机生产成本

（1）施工辅助工程费用

施工辅助工程包括施工供风与供水、施工供电与照明和反井钻机附属项目。在反井钻机施工条件下,施工供风用量较少,无需要单独设置供风系统施工供风费用已计入相应机械设备台时费；施工供水采用洒水车运输,机械台时费用合计5.23 万元；由于施工不产生粉尘、烟雾等有害气体,其不需要单独设置施工通风排烟系统,此部分不发生费用。为了满足高压管道下斜井定向钻机、反井钻机施工用电负荷,需单独配置相应供电设备,主要包括箱式变压器、二级配电柜以及高压电缆等,费用合计为15.04 万元；施工照明费用已计入相应项目单价,不单独计列。由于受施工场地的限制,反井钻机布置与施工需要实施必要的附属项目,增加的附属项目主要包括施工区石方扩挖、斜井上弯扩挖区增加支护锚杆、反井钻机垂直与水平起吊锚点锚杆、钻机底座基础混凝土浇筑等,费用合计143.59 万元。

（2）斜井开挖费用

在反井钻机施工条件下,依据《水电建筑工程预算定额（2004 版）》（定额编号：换21065,定额单位为100 m,换算为100 m2,除以3.97 系数）编制导井开挖单价,其单价为1722.81 元/m3；反井钻机与爬罐斜井扩挖均采用钻爆施工,其单价也为163.34 元/m3；结合导井与斜井扩挖工程量所占权重,斜井开挖综合单价为329.41 元/m3,则反井钻机开挖三条斜井（导井+扩挖）费用合计1084.87 万元,开挖单价为12300.09 元/m。

3.2 效益对比分析

3.2.1 经济效益

根据2 种不同施工方法所制定的施工方案,对爬罐和反井钻机的生产成本进行了测算,2 种施工方案的生产成本（经济效益）对比结果,见表2。从表2 可知,采用爬罐施工经济效益更好。在施工辅助工程方面,采用爬罐施工其费用为23.7 万元,采用反击钻机施工其费用为163.86 万元,较爬罐增加140.16 万元,主要原因在于反井钻机需要增加附属项目,以保证满足其施工技术、质量和安全要求；在斜井开挖（导井+ 扩挖）方面, 采用爬罐开挖3 条斜井费用合计为877.33 万元,其开挖单价为9947.05 元/m,采用反击钻机开挖其费用为1084.87 万元,其开挖单价为12300.11 元/m,总费用较爬罐增加207.54 万元,开挖单价增加2353.06 元/m,主要有以下两方面的原因：

（1）反井钻机设备购置费用较爬罐高,施工技术水平要求也高。一般反井钻机国产设备一套200 万元左右,爬罐国产设备一套50 万元左右,进口设备一套可达100 万元左右,使得反井钻机的台时折旧摊销费用比爬罐高,施工机械使用费大幅度增加。

（2）反井钻机施工效率比爬罐高,可以获得更高的收益。爬罐平均每天进尺2 m（斜井长度294 m）,施工总耗时147 天；反井钻机平均每天进尺10m,施工总耗时大约30 天,反井钻机施工效率较爬罐提高了117 天,爬罐施工和反井钻机施工利润率均4%,爬罐施工产值所对应的利润为34.66 万元,日收益率为0.026%,反井钻机施工产值所对应的利润为48.03 万元,日收益率为0.128%,反击钻机施工日收益率可达爬罐的5 倍左右。

表2 不同施工方案经济效益对比

3.2.2 环保效益

反井钻机扩孔施工无需爆破作业,施工人员也不必到达掌子面,施工噪音小,并不产生大量烟尘和粉尘,钻孔施工所产生的粉尘会被钻孔废水或围岩渗水溶解。因此,反井钻机施工比爬罐施工对环境和施工人员影响较少,其环保效益更好。

3.2.3 安全效益

反井钻机斜井施工采用机械化设备操作施工人员无需到达掌子面,可以有效降低或减少相关的安全风险因素,避免安全事故的发生,让施工安全与质量风险更加可控。因此,反井钻机施工比爬罐施工可以取得更好的安全质量效益。

综上所述,从经济效益、环保效益、安全效益3 个方面对2 种施工方案进行对比分析,爬罐在经济效益方面具有优势,但反井钻机在施工效率、环保效益和安全效益方面具有显著优势,因此,反井钻机施工具有更好的综合效益。

4 结论

（1）在地质条件较好且井深小于200 m 时,采用爬罐施工竖斜井,可以取得较快施工速度,但存在一定的环保和安全风险,要切实做好系统排烟除尘设备（除尘器、喷雾器等设备）的选取和建设规划工作,确保满足环保、安全生产等方面要求。在地质条件复杂多变情况下,开挖深度大的竖斜井时,反井钻机在环保和安全方面效益更加显著,爬罐施工随开挖深度增加,会使得通风散烟工作变得更加困难,造成施工进度和难度将会受到一定程度的限制,安全隐患问题也将更为突出。

（2）在水电工程建设过程中,随着安全文明施工、环境保护的意识不断加强,特别是安全防范、法律法规意识的增强,与爬罐相比,反井钻机在施工效率、施工质量、施工安全性等方面具有显著的优势,可以获得更好的经济效益、环保效益和安全效益。反井钻机在水电工程施工中将会有着更加广泛的应用前景。