近年来,随着TBM法隧道“重返”挪威,挪威已建成隧道长度已超5000km,其中29条共计173km采用TBM掘进,剩余则多数采用钻爆法。在此基础上,来自挪威隧协的专家Hallvard Holen与大家讨论了TBM法与钻爆法的优劣对比,针对六大方面进行了全方位PK,您看好哪一方呢?
TBM法 钻爆法
一、施工时间
不同岩体与截面的开挖速率
TBM施工速度通常比钻爆法更快,但对岩石状况的依赖性也更高;特殊情况下,钻爆法速度较TBM更快。
挪威科技大学提出了一组比选参数:
以截面50m2隧道为例:
TBM:
■ 根据岩石状况、机械参数和直径,周进尺约150-400m;
■ 若机械参数设定不符合岩石参数,掘进速率将大大下降,波动可达500%。
钻爆法:
■ 周进尺约80m;
■ 配备液压锤的现代钻机单施工周期速率基本一致,存在20%左右波动。
安装和拆卸的时间
TBM:
■ 新TBM交付需6-12个月,二手TBM需改装翻新;TBM及后配套系统需耗费3-6周进行分块运输并组装。
■ 直径可进行有限变化,进入隧道后改变直径则相当耗时;
■ 整台更换需一年以上。
钻爆法:
■ 钻机交付时间短,进场后即投入施工;
■ 单台设备可应对不同截面;
■ 驶回工场修理或整台更换简易可行。
岩体支护时间
TBM:
■ 岩体支护时间依赖于TBM支护设备,打设锚杆和喷射混凝土可在掘进同时进行。
钻爆法:
■ 前方岩体支护无法与开挖同时进行。
二、施工成本
运输与装配成本
TBM:
■TBM与后配套分体运输,并对道路桥梁进行加固,使用重型吊机装配;
■ 运输装配成本通常占施工成本5%-10%,浮动较大。
钻爆法:
■ 设备整体运输;
■ 运输装备成本占总成本极小部分。
挖掘成本
TBM:
成本变动巨大,受以下因素影响:
■ 投资成本较钻爆法更高;
■ 根据岩石条件和TBM规格,掘进机速度在1-6m/h变化。
■ 刀具磨损成本在$0~50/m3之间变化(甚至更多)。
钻爆法:
■ 取决于钻孔数量,炸药消耗和钻头磨损,总体变化不大。
支护成本
TBM:
■ 由于不存在引爆产生的岩石应力,岩石支护需求大幅降低,通常在30%-50%左右。
■ 若岩石塌方,施工空间更小,则较难通过后配套系统将必要的装备和材料运入施工地点,使岩体支护更加耗时。
隧道长度
TBM:
■ 隧道最佳的长度通常大约为8km;
■ TBM的安装和造价较高,但开挖阶段的边际成本较低,隧道须超过一定的长度才较为经济(5-6km);
钻爆法:
■ 隧道最佳的长度通常大约为3km;
■ 边际成本较TBM隧道增长更快;额外长度可能导致额外的通风费用,以致于难以负担。
三、隧道线形
曲线半径
TBM:
■ 急曲线可能导致问题。TBM本身通过的最小半径为40-80m,由后配套设备决定;掘进时最小半径或为150-450m。
钻爆法:
■ 无曲线限制。
隧道坡度
TBM:
■ TBM本身可掘进任何坡度,对于陡坡需安装额外的撑靴。
■ 坡度限制在2%以下时对渣土直接采用有轨运输,对于7m或以上的TBM,可采用无轨运输。
■ 采用传送带运输渣土是良好的替代方案,坡度可达到约30度。对于陡峭的斜坡,可使用绞盘牵引的货车。
■ 对于竖井,坡度通常为45-60度,渣土需用管道处理。
导洞和旁通道
钻爆法:
■ TBM无法挖掘导洞,必须通过钻爆法来进行,因此必须运入额外的挖掘设备和出渣设备。
■ 钻爆法施工到TBM附近时可能需要停止掘进。特别是小直径隧道,停工时间会很长。
四、隧道截面
水力隧道
无衬砌的TBM隧道和钻爆法隧道在水头损失上有非常明显的差别,截面减小常常达到40%。截面减小率依赖于截面、岩体条件和钻爆法轮廓爆破的准确性。
等效截面
钻爆法:
■ 轮廓光滑的钻爆法隧道和轮廓粗糙的相比,水头损失相差在25%-30%之间。
TBM:
■ TBM隧道的水头损失变化不会很大,但片岩或块状岩石可能会使差异减小。
公路和铁路隧道
钻爆法:
■ 圆形横截面对于交通隧道而言并非最佳截面,由于TBM截面面积会比钻爆法隧道要大,为了减小TBM截面,一种方法是在截面下半部的部分区域采用钻爆法开挖。
五、环境影响
噪音和振动
钻爆法:
在都市地区,爆破会导致的噪音和振动,需进行下列措施:
■ 减少单施工周期爆破数量:减少单施工周期长度,或将截面分成几个独立部分爆破;
■ 爆破限制在固定时段,夜间禁止。
■ 对振动进行监测,并记录建筑和基础上的最终裂缝。
TBM:
■ 使用TBM掘进的噪音与振动问题几乎可忽略不计。
对环境的影响
TBM:
■ TBM施工进度更快。因此在一个开挖面上可以掘进更长的距离,而不会减少施工时间。
■ 对于较长的隧道,可以增大导坑之间的距离,或省略一些导坑,并省去敏感地区的施工道路和电力线缆。
六、健康安全
空气污染
钻爆法:
■ 爆破会产生有毒气体,并使视野变差,需保证通风管道的尺寸以缓解此问题。
■ 钻爆法隧道出渣通常采用柴油机装载。采用电动装载机可以避免尾气污染。
TBM:
■ TBM隧道中,开挖空气污染问题几乎不存在。
■ TBM隧道中,传送带更为普遍,运输造成的污染现象在TBM隧道中较小。
■ TBM隧道最主要的污染问题是扬尘,可在工作面、隧道外周与排渣货斗处进行喷水解决。
人员健康
TBM或钻机的操作员都要承受噪音和振动,可通过安装隔音和减震的操作室缓解。需要在操作室外完成的工作也会给工作人员造成额外的风险,例如岩石支护、轨道安装、掘进过程中装料等。
钻爆法:
■ 钻机台车造成的噪音较大,但总体上而言两种工法在噪音方面没有显著的区别。
TBM:
■ TBM掘进过程中的一个特殊问题是刀具更换,可能需要在高温或高压工作条件下进行。
事故风险
TBM隧道掘进中没有操作爆炸物引发严重事故的风险,然而,并无统计支持或证据能够说明这两种工法中的一种比另一种更加安全。
TBM在大长隧道方案比选中颇具竞争力,对于公路隧道和铁路隧道也具有现实可行性的方案,应用前景愈发广阔;钻爆法则由于其施工规模小而灵活别具优势。相信在这两种工法的结合之下,可以克服各种地质挑战,打造出最“完美”的隧道。