隧道機械化開挖與傳統人工開挖的利弊分析

谷桂麗

摘要：由于隧道工程隱蔽項目多、地質條件復雜、施工作業空間狹小，且施工中不可預見的因素多。針對隧道施工的這些特點，近年來，大多施工企業選擇機械化開挖來替代傳統人工施工方法。機械化施工具有施工效率高、施工進度快、施工質量高等優點，并且已在交通領域得到一致認可。為了深入了解機械化施工，近年來，我國隧道施工企業引進和選用一些國內外先進隧道施工設備，深入研究隧道機械化的相關施工技術和管理標準，推行機械化作業。

本文通過實例對這兩種開挖方法的各項指標進行了對比分析。

關鍵詞：機械化

一、工程概況

隧道里程為：左線全長4379m，右線全長4399m，左右洞凈距20m。除洞口段外，無淺埋段，最大埋深460m。

全線地質以石灰巖、安山玢巖、斑巖為主，圍巖分類為：V級905m，IV級3060m，III級3636m，II級1177m。

大部分巖石屬于堅硬巖，巖塊抗壓強度介于 30-60MPa，屬于較堅硬巖。在勘察期間，鉆探深度內未見地下水。

隧道地處生態保護區，在工程地質測調繪中，在隧道山坡發現灰巖山體存在洞穴，隧道為特長隧道，隧址區存在多處斷層破碎帶，有存在溶洞、巖爆的可能，要特別強調工程安全保障措施的合理運用。

二、施工工法

1、V級圍巖

設計工法為CRD法，上導洞內不能進入機械;下導洞高4.1m，扣除下導洞施工時仰拱未開挖部分高度，遠不能滿足鑿巖臺車最小操作高度4.5m;只能采用人工開挖、人工安裝拱架、人工噴射混凝土。

左線長度455米，右線長度450米。

2、IV級圍巖

設計工法為：三臺階（深埋一般段）、三臺階預留核心土（淺埋加強段）、CRD法（緊急停車帶加寬段）。三臺階法每臺階高度約3.8m，上臺階開挖時，鑿巖臺車就位于中臺階，上臺階長度控制在4m內，可以進行鉆孔作業。拱架安裝臺車、濕噴臺車最小操作高度2.8m，上臺階長度控制在6m內，可以進行相應作業。

左線長度1420米（CRD法50米，三臺階預留核心土70米，三臺階1300米）。

右線長度1640米，（CRD法50米，三臺階預留核心土70米，三臺階1520米）。

3、III級圍巖

設計工法為：二臺階（一般段）、三臺階預留核心土（緊急停車帶加寬段）。

左線長度1921米（二臺階1671米，三臺階預留核心土250米）。

右線長度1715米，（二臺階1465米，三臺階預留核心土250米）。

4、II級圍巖

設計工法為二臺階，左線長度583米，右線長度594米。

三、機械化與傳統人工開挖的對比分析

3.1施工成本對比

⑴ 人工鉆孔

開挖斷面140m²，人工開挖需22臺風鉆，33人/班，其中鉆孔人員22人，裝藥爆破人員10人，爆破技術員1人;4臺130kw空壓機、2臺110kw通風機;每個循環開挖進尺2.5m，每個循環開挖時間為4小時左右，鉆孔145個，每天按1.5循環計算，其具體消耗成本如下：

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

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

③電費消耗（空壓機、通風機）：（4×130+2×110）×4=2960度電，每度電按1.1元/度計算2960×1.1÷140÷2.5=9.30元/m³;

④配件消耗：

鉆頭、鉆桿（3個循環換10個）：（35+270）×10÷（140×2.5×3）=2.91元/ m³;

風水管（一次攤銷）：（50+85.5+52）×3000÷（850000÷2）=1.32元/ m³;

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

其他損耗：2元/m³;

小計：2.91+1.32+0.49+2=6.72/m³;

⑤機械修理費（4個維修及操作人員）：4×8000×1.5÷30÷140÷3.75=3.05元/ m³;

⑥設備折舊費：（80000×4+150000×2+80000）÷10×4÷（850000÷2）=0.66元/ m³;

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

⑵ 鑿巖臺車（分三臂和二臂鑿巖臺車）

開挖斷面140m²，兩臂鑿巖臺車2臺，功率120kw，2臺110kw通風機，每班15人，每個班4個操作手，裝藥爆破人員10人，爆破技術員1人。1個每循環開挖進尺約2.5米，開挖所需時間2.5小時，每天按1.8個循環計算，具體消耗成本如下：

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

②火工品約：15.85元/m³;

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

④配件、材料（油料）費

鉆頭、鉆桿（1個循環換1個）：（150+2000）÷（140×2.5）=6.14元/m³;

其他費：6元/m³;

小計：6.14+6=12.14元/m³;

⑤臺車機械維修保養費

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

保養費：【6000÷（140×2.5×4）】×2=8.58元/m³;

小計5.72+8.58=14.3元/m³;

⑥臺車機械使用折舊費約：臺車8560000元/2臺，臺車機械使用費按10年折舊計算。

8560000÷10×4÷（850000÷2）=8.06元/m³;

⑦進場費：100000×2÷（850000÷2）=0.47元/m³;

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

結論：在襯砌類型為IVa、IVb、C3、T3、C2時，可以采用鑿巖臺車施工的情況下，臺車較人工總成本增加55萬m³×9.8元/ m³=539萬。

3.2安全風險對比

（1）傳統人工施工：

鉆孔人員22人，人工鉆孔人員緊鄰掌子面作業，有巖石脫落造成物體打擊傷害的風險，發生緊急情況時，臺架上的作業人員不易逃生。

人工鉆孔需要對自制臺架進行臨邊安全防護，且防護極易被爆破損壞，導致窩工休整或作業人員經常處在無臨邊防護的環境下，易發生高墜事故;

（2）機械化施工：

鑿巖臺車操作人員4人，有效減少作業人數，避免了交叉干擾因素，同時可以避免重大、特大事故的發生。鑿巖臺車距離掌子面14～16m，且在已經支護好的地段，不存在物體打擊風險。

鑿巖臺車輔助臂自帶規范防護的操作平臺，無需另外增加防護，且爆破時鑿巖臺車已駛離安全距離外。

3.3職業健康對比

（1）傳統人工施工：

人工鉆孔人員一直暴露在噪音和粉塵環境中，人工鉆孔人員長期從事震動工作，容易患耳鳴、耳聾、塵肺等疾病;

（2）機械化施工：

鑿巖臺車全封閉操作室有效的阻止了職業病的發生，且鑿巖臺車是機械臂，不會對操作手造成震動傷害。

3.4施工質量對比

（1）傳統人工施工：

人工鉆孔難以保證鉆孔角度、精度、深度，超欠挖差異大，II、III級圍巖光爆效果不佳;

（2）機械化施工：

鑿巖臺車重型鋁合金推進梁剛性好，抗彎及抗扭強度高，能夠有效保障鉆孔角度、精度、深度，成孔質量高。

目前Ⅳ級圍巖含有鋼拱架，受此影響鑿巖臺車施工時周邊眼外插角角度存在難以控制等問題，項目為解決鑿巖臺車施工時不受拱架影響的問題，擴大了掌子面尺寸，造成超挖量在一定程度上比人工開挖要大。

3.5工期對比

（1）傳統人工施工：

成孔速度慢：傳統人工鑿巖單孔平均成孔速度為8-10分鐘/孔*2.5m，

（2）機械化施工：

成孔速度快：鑿巖臺車鉆孔有強大的推進力，可以實現多孔同時推進，一次成多孔，減少鉆孔時間，經統計計算，鑿巖臺車單孔平均成孔速度為2-3分鐘/孔*2.5m，同時不需要工作輔助平臺，可節約非鉆孔時間，大大提高了施工進度，縮短了工期。經測算，本項目工期可提前3個月。

四、存在問題

1、人員問題技術不成熟

鑿巖臺車操作手的熟練程度不一，一個好的操作手能有效的控制鉆桿水平角度和孔的直度，大大提高鉆孔質量，有效控制超欠挖。而目前大多的設備廠家對操作手只提供技術培訓，不是標準配置。初學操作手的熟練程度不利于施工質量控制。

2、設備租賃市場不靈活

目前國內市場可以出賃鑿巖臺車的廠家太少，且起租時間一般6個月，針對初次嘗試機械化施工的單位，一般先考慮租賃，方便使用后再行購買，而設備的起租期過長不利于項目的成本控制。

結語：

項目自實施隧道機械化施工以來，贏得了各級政府、建設單位、設計院、監理單位的高度評價，所以推進機械化施工不僅樹立企業形象，還進一步穩固企業在公路施工領域的地位，提升企業競爭力。同時，機械化施工未來隧道施工的必然趨勢。

參考文獻：

[1]? 三臂鑿巖臺車開挖施工研究報告

[2]? 隧道施工圖紙