楊國慶

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

目前，國內長大鐵路隧道大多采用TBM法+ 鉆爆法施工。單項工程TBM累計掘進距離一般不超過15 km，而敞開式TBM 新機設計使用壽命通常按25～30 km考慮。單臺敞開式TBM 的使用壽命遠小于其固有壽命，且普遍缺乏后續(xù)工程，導致設備長期閑置，存放保養(yǎng)成本高，自然老化等帶來的損失較大，甚至報廢，造成企業(yè)固定資產(chǎn)嚴重浪費。

近年來，業(yè)內關于全斷面隧道掘進機再制造的研究與實踐已越來越多。如易新乾[1]分析了我國再制造的現(xiàn)狀、存在的問題以及對再制造認識上存在的不足和錯誤，指出對再制造的正確認識以及具體要求，并為再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出建議； 康寶生[2]分析和總結了我國隧道掘進機再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、前景、重點和技術關鍵； 孫海波[3]對敞開式TBM再制造關鍵技術與實踐進行了分析和總結； 曲長海等[4]對TBM維修改造進行了可行性分析； 王寶友[5]論述了TB880E型全斷面巖石掘進機刀盤刀具在不良地質條件下的改良方案。查閱相關文獻資料可知，目前全斷面隧道掘進機再制造領域中主要以技術、工法上的研究為主，而關于TBM再制造在工程造價方面的研究與應用卻不多，個別涉及到工程造價的，也僅是宏觀方面的介紹，針對具體項目情況不同，人工、材料、機械臺班單價也有較大出入，沒有一個統(tǒng)一的結論，參考價值不大。研究現(xiàn)有鐵路隧道TBM施工成本發(fā)現(xiàn)，TBM隧道施工費用中占比大的主要是TBM施工機械臺班費，對于機械臺班單價中的折舊費、檢修費，一般能得到較好的控制； 而在特長隧道 TBM 施工過程中的維護費成本控制方面一般存在很大的不同，前期概算費用與實際支出有較大的差異。

本文以西康秦嶺隧道φ8.8 m的TB880E型全斷面巖石掘進機為例(以下簡稱TBM)，依托中天山隧道TBM施工項目，針對機械施工中的維護費支出情況進行研究，以秦嶺西康隧道現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)為基礎，建立TBM維護費和臺班數(shù)的數(shù)學關系模型，提煉出TBM維護費隨臺班數(shù)的發(fā)展函數(shù)關系式，并考慮到TBM停滯期間發(fā)生費用和局部再制造費用對工作臺班數(shù)的影響。最后以中天山特長隧道等項目的TBM維護費支出情況來驗證理論的正確性，以期為今后類似隧道工程在前期概算編制、成本控制等方面提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 秦嶺隧道TBM

秦嶺隧道是我國2000年建成的最長鐵路隧道,全長18.46 km,最大埋深約1 600 m,埋深超過1 000 m地段長約3.8 km。隧道地質條件十分復雜,部分地段有高應力、巖爆、地熱、斷裂帶涌水、圍巖失穩(wěn)等不良地質[6]。工程采用于1997年從德國維爾公司引進的2臺直徑為8.8 m的敞開式硬巖掘進機(TB880E)開挖, 設計壽命掘進35 km以上[6]，采用2臺敞開式硬巖掘進機相對掘進的方案。

TBM主要技術參數(shù)： 掘進機刀盤直徑8.8 m,總質量3 000余t,總長度256 m,設備總裝機功率5 400 kVA,刀盤最大推力2 100 t,撐靴最大撐緊力6 100 t,每個掘進行程1.8 m,刀盤轉速2.7 r/min和5.4 r/min,正常掘進采用電機驅動為主驅動,液壓輔助驅動可實現(xiàn)刀盤在軟弱地質條件下的脫困[6]。

根據(jù)當時現(xiàn)場統(tǒng)計相關資料顯示，完成秦嶺隧道施工的2臺TBM單臺設備購置費為24 326.89萬元，耐用總臺班為8 000臺班，折舊年限為8年，大修臺班為1 100臺班。秦嶺隧道施工實際完成工作總臺班數(shù)為2 318.6臺班，掘進總長度為11 454 m，維護費累計消耗配件、潤滑油脂費用為5 811.50萬元，維修保養(yǎng)及臨時故障排除累計人工、機械費350.80萬元。秦嶺隧道TBM維護費為26 577.21元/臺班。

秦嶺隧道TBM實現(xiàn)了隧道掘進的機械化施工, 代表當時世界隧道施工機械化的先進水平,是我國鐵路隧道建設史上的一個重要里程碑[6]。

1.2 中天山隧道TBM

改建鐵路南疆線吐魯番至庫爾勒段增建第二線中天山特長隧道為2座單線隧道，為全線控制性工程。中天山隧道所處環(huán)境為暖溫帶干燥寒冷的戈壁荒漠地區(qū)，具有施工作業(yè)環(huán)境極端惡劣、建設規(guī)模宏大、建設周期長、技術風險高、修建難度大、工程質量要求高等特點。

中天山特長隧道進口端左、右線采用2臺TBM同時掘進，施工段全長共25 248 m。其中： 左線隧道TBM施工為12 418 m，右線隧道TBM施工為12 830 m； 出口端采用鉆爆法施工，出口左線DK158+400處設1座長2 547.14 m的斜井輔助左線施工，右線DyK158+526處設1座長2 545.89 m的斜井輔助右線施工[7]。

中天山隧道施工采用的2臺TBM掘進機于1997年從德國WIRTH引進以來，先后承擔了秦嶺隧道、桃花鋪隧道、磨溝嶺隧道的掘進任務。秦嶺隧道左線TBM掘進機累計掘進11.656 km、右線TBM掘進機累計掘進9.44 km，其后處于閑置狀態(tài)長達近5年之久。2007年4月，中天山隧道施工單位重新組織人員對TBM設備進行了全面整修，并于2007年12月開始在中天山隧道投入掘進施工。根據(jù)實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計： 左線隧道TBM工作臺班數(shù)累計5 325.99臺班(其中秦嶺隧道1 179.51臺班，桃花鋪隧道1 400.65臺班，中天山左線2 745.83臺班)； 右線隧道TBM工作臺班數(shù)累計5 109.37臺班(其中秦嶺隧道1 139.14臺班，磨溝嶺隧道1 172.57臺班，中天山右線2 797.66臺班)。

2 分析與研究

2.1 維護費

依據(jù)《鐵路工程施工機具臺班費用定額》(2017 版)中相關理論，TBM施工機械臺班單價主要由折舊費、檢修費、維護費、安裝拆卸費、人工費、燃料動力費和其他費用組成。其中，維護費一般是指機械在耐用總臺班內，按規(guī)定的維護間隔進行各級維護和臨時故障排除所需的費用，包括為保障機械正常運轉所需替換設備與隨機配備工具附具的攤銷費用、機械運轉及日常維護所需潤滑與擦拭的材料費用和機械停滯期間的維護費用等[8]。

查閱《鐵路工程施工機具臺班費用定額》(2017 版)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在鐵路機械臺班費中的維護費計算公式為維護費=檢修費×維護費系數(shù)，維護費系數(shù)指預計施工機械在耐用總臺班內發(fā)生的全部維護費占全部檢修費的比例。

研究發(fā)現(xiàn) TBM 臺班維護費主要由2部分組成。1)隨機配件、潤滑油脂及自購配件消耗； 2)每天固定的維修保養(yǎng)及臨時故障排除所需的人工費和常規(guī)機械設備使用費。

2.2 維護費變化影響主要因素

1)作業(yè)時間。作業(yè)時間增加，設備老化，故障率增高。

2)地質條件。地質條件復雜導致異常損壞增多。

3)關鍵部件壽命。隨著關鍵部件使用時間增長，已達到甚至超過設計極限。

4)維修環(huán)境。受洞內空間環(huán)境所限，維修時間長，維修質量受影響。

5)施工條件。溫度高、濕度大，導致故障率高。

2.3 現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)

引用《TBM施工工程經(jīng)濟分析研究總報告》中秦嶺隧道TBM現(xiàn)場統(tǒng)計的維護費數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如表1所示。

表1 秦嶺隧道TBM維護費數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.4 數(shù)學模型

通過上面的研究分析和實際工作數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，TBM實際累計臺班與維護費可能存在一定的函數(shù)關系?，F(xiàn)以秦嶺隧道TBM維護費數(shù)據(jù)(表1)為基礎，生成TBM維護費和單臺TBM累計工作臺班的散點圖，并擬合出二者的關系曲線，如圖1所示。

圖1 秦嶺隧道TBM維護費發(fā)展曲線

由圖1可以看出，TBM維護費和單臺TBM累計工作臺班的關系曲線與散點圖基本吻合，相關系數(shù)R=0.957 0，經(jīng)檢驗0.7

y=10 801ln(x)-52 357。

(1)

式中：y為投產(chǎn)至當期TBM維護費均值，元/臺班；x為單臺TBM累計工作臺班。

第n期TBM維護費均值計算公式為

Zn=(yn×xn-yn-1×xn-1)÷tn。

(2)

式中：Zn為當期TBM維護費均值,元/臺班；yn為投產(chǎn)至第n期TBM維護費均值,元/臺班；yn-1為投產(chǎn)至第n-1期TBM維護費均值,元/臺班；xn為投產(chǎn)至第n期末TBM工作臺班；xn-1為投產(chǎn)至第n-1期末TBM工作臺班；tn為第n期內單臺TBM工作臺班。

3 工程應用及效果分析

3.1 TBM 停滯期間臺班數(shù)量折算

根據(jù)《建設工程施工機械臺班費用編制規(guī)則》(2015 年)，施工機械停滯費指施工機械非自身原因停滯期間所發(fā)生的費用，計算公式為機械停滯費=折舊費+人工費+其他費[9]。中天山隧道2臺TBM的閑置時間分別為5年和5.33年。

西康秦嶺隧道TBM總臺班按8 000臺班計，臺班單價為7 544.62元/臺班； TBM臺班折舊費為28 888.18元/臺班，人工費為64.18元/臺班。

TBM停滯費=28 888.18+64.18+0=28 952.36 元/臺班。

長時間停滯的設備投入使用后，雖然經(jīng)過一定的保養(yǎng)措施，但設備表面的污垢、氧氣的腐蝕氧化以及大氣濕度還是會對設備的性能造成影響，會使設備投入使用后的初期故障率明顯升高，相當于重新進入磨合期(初期故障期)，同時還會使偶發(fā)故障期變短，提前進入損耗故障期。 閑置時間越長，以上變化就越明顯。通過計算TBM停滯費占臺班單價的比重，折算成停滯期臺班數(shù)量，進一步量化TBM停滯期對設備的物質壽命和經(jīng)濟壽命的影響。

TBM停滯費÷秦嶺隧道臺班單價=28 952.36÷70 544.62=41%。

參照《建設工程施工機械臺班費用定額》(2015年)中干式盾構掘進機年臺班使用量250 臺班，將TBM停滯費折算成臺班數(shù)量。

右線TBM停滯期折算臺班=1×250×5.33×41%=546.33臺班。

同理類推： 左線TBM停滯期折算臺班=1×250×5×41%=512.50臺班。

3.2 再制造費用臺班數(shù)量折減

全新設備在應用一段時間后,經(jīng)過再制造可再次使用。秦嶺隧道TBM在施工中天山隧道時已經(jīng)工作23 000 h,某些部件已經(jīng)損耗比較嚴重,再制造可在很大程度上采用后來的先進技術、設計理念、更加成熟的產(chǎn)品,從而使機械性能與全新TBM保持基本一致。但并非再制造TBM的質量就會與全新TBM相同,畢竟舊機受到原設計制造的限制,例如主梁、鞍架、機頭架、部分油缸(不包括油缸密封)、結構件等不可能全部更新[10]。因而，再制造TBM從總體性能和技術水平上,只是基本而非完全達到全新狀態(tài), 滿足工程需要是基本原則[10]。

中天山隧道實施過程中概算每臺班計列了3 590萬元的再制造費用，實際發(fā)生費用暫無更詳細資料，當時秦嶺隧道TBM累計施工總臺班數(shù)為4 891.87臺班?？梢詫敃r投入的費用看作是對前期工作臺班引起機械損耗的再制造，其分攤單價為2×35 900 000÷4 891.87=14 677.4元/臺班。

單臺TBM折減臺班數(shù)=(14 677.4÷70 544.6)×4 891.87÷2=508.90臺班。

3.3 中天山隧道TBM換算總臺班

綜合考慮到閑置期折舊和再制造費用投入對實際工作臺班的影響，現(xiàn)對中天山隧道TBM臺班維護費計算如下：

左線TBM累計臺班=1 179.51+1 400.65+512.5-508.9+2 745.83=5 329.59臺班。

右線TBM累計臺班=1 139.14+1 172.57+546.33-508.9+2 797.66=5 146.80臺班。

3.4 工程案例驗證

3.4.1 中天山隧道

查閱中天山左線隧道TBM施工資料： 實施階段TBM工作的施工數(shù)量為2 745.83臺班，TBM維護費為45 733元/臺班。根據(jù)理論模型推導出的線性方程式計算，中天山左線隧道TBM累計工作5 329.59臺班，投產(chǎn)至當期TBM維護費均值為40 326.71元/臺班，當期維護費為47 685.35元/臺班，比統(tǒng)計數(shù)據(jù)高4.3%。

中天山右線隧道TBM施工資料： 實施階段TBM工作的施工數(shù)量為2 797.66臺班，TBM維護費為45 733元/臺班。根據(jù)理論模型推導出的線性方程式計算，中天山右線隧道TBM累計工作5 146.80臺班，投產(chǎn)至當期TBM維護費均值為39 949.75元/臺班，當期維護費為47 063.11元/臺班，比統(tǒng)計數(shù)據(jù)高2.9%。

可以看出該理論模型計算基本與實際情況相吻合。

3.4.2 寧西線桃花鋪1號隧道

調研寧西線桃花鋪1號隧道施工單位資料： 實際TBM使用1 400.65臺班，TBM維護費為39 224.91元/臺班。根據(jù)理論模型推導出的線性方程式計算，桃花鋪1號隧道TBM累計工作2 580.16臺班(1 179.51+1 400.65)，投產(chǎn)至當期TBM維護費均值為32 491.41元/臺班，當期維護費為39 611.09元/臺班，比統(tǒng)計數(shù)據(jù)高0.98%。理論模型計算基本與實際情況相吻合。

3.4.3 寧西線磨溝嶺隧道

調研寧西線磨溝嶺隧道施工單位資料： 實際TBM使用1 172.57臺班，TBM維護費為37 669.56元/臺班。根據(jù)理論模型推導出的線性方程式計算，磨溝嶺隧道TBM累計工作2 311.71臺班(1 139.14+1 172.57)，投產(chǎn)至當期TBM維護費均值為31 304.77元/臺班，當期維護費為38 730.85元/臺班，比統(tǒng)計數(shù)據(jù)高2.82%。理論模型計算基本與實際情況相吻合。

3.4.4 秦嶺隧道TBM維護費總額

根據(jù)《現(xiàn)代設備管理的命脈： 設備經(jīng)濟管理》[11]中介紹，“據(jù)武漢設備管理協(xié)會1984年的資料，設備后期維持費中的維修費為購置費的3倍?！?/p>

截至中天山隧道施工貫通，左線TBM計算臺班數(shù)為5 329.59臺班，根據(jù)線性方程式計算，維護費總額為20 561.34 萬元,加上前期再制造費用3 590萬元，右線TBM后期年維修費占TBM購置費(24 327萬元)的0.99； 同理類推，右線TBM后期年維修費占TBM購置費(24 327萬元)的1.03。按線性方程式計算出TBM機械后期維護費與購置費的占比結果滿足要求，但也從側面反映出當時秦嶺隧道TBM購置費用高，估計該理論模型計算在大型機械國產(chǎn)化后的成本驗算中應該會更趨合理，期待后續(xù)的實際數(shù)據(jù)驗證。

4 結論與建議

4.1 結論

通過分析西康秦嶺隧道TBM維護費發(fā)展規(guī)律，得出TBM壽命周期內維護費線性方程式，經(jīng)過中天山隧道和國內外相關文獻資料驗證，該線性方程式基本能反映出TBM壽命周期內維護費發(fā)展的普遍規(guī)律。秦嶺隧道TBM當時在修理過程中由于工期緊，未及時更換控制系統(tǒng)，項目最后在施工后期的實際維護費用略有增加。綜合考慮到中天山隧道TBM超過使用壽命、磨耗嚴重、效率大幅降低等原因，中天山隧道實際TBM施工機械臺班維護費比計算數(shù)據(jù)略高。

雖然中天山隧道施工年代較早,TBM非國產(chǎn)，但是測算的數(shù)據(jù)基本上是在同型號的基礎上進行的，研究結論還是有一定的理論價值。在西康秦嶺隧道TBM施工機械臺班維護費實測數(shù)據(jù)的基礎上建立的數(shù)學模型，經(jīng)過中天山隧道等幾個項目實際維護費用的驗證，進一步佐證該理論模型推導出的函數(shù)關系式的正確性，單臺TBM累計工作臺班在壽命周期內對應的維護費是準確的，可適用于類似項目TBM維護費的確定。

4.2 建議

本文為筆者在實際工作中的一些總結和思考，以期為TBM施工成本進行經(jīng)濟研究起到借鑒的作用。本維護費的研究對以下幾方面具有一定的參考價值。

1)適合特長隧道的TBM施工，在經(jīng)濟壽命周期內的維護費計算。

2)國產(chǎn)與國外公司有一定差異(主要設備價格差)。

3)為類似工程在TBM施工前期的初步設計概算編制提供一種研究思路。

4)為項目管理單位在控制TBM施工成本上提供一種計算理論模型。

5)為鐵路管理部門在研究編制TBM施工機械臺班費用定額方面提供參考。