敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析——以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北TBM设备检修改造为例.pdf

引用格式:杨银伟.敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析:以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例J.隧道建设(中英文),2023,43(11):1964.YANG Yinwei.Overhaul and rehabilitation scheme along with cost analysis of open tunnel boring machine in tunnels:A case study of Qinling water diversion tunnel in Hanjiang river-to-Weihe river water diversion projectJ.Tunnel Construction,2023,43(11):1964.收稿日期:2022-10-27;修回日期:2023-10-12作者简介:杨银伟(1974),男,河北石家庄人,1998 年毕业于长沙铁道学院,建筑管理工程专业,本科,高级工程师,现从事工程造价与成本管理工作。E-mail:460147961 。敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例杨银伟(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)摘要:为研究 TBM 洞内检修的施工组织和费用构成,基于引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造的案例,详细介绍 TBM主机及后配套检修方案和人工、材料、机械等资源配置,具体介绍刀盘、主驱动、推进撑靴组件检修改造的关键技术和施工方法,应用技术测定法、统计分析法、数理统计法研究 TBM 主机及后配套检修的费用构成,重点分析 TBM 检修周期、检修费与维护费的关系,检修费与设备原值的关系。结果表明:1)TBM 在使用寿命周期内有必要进行 1 次检修,以恢复其正常功能,检修周期为主轴承运行 7 000 h 左右;2)在不具备检修洞室条件时,实施 TBM 洞内检修改造工期约 100 d;3)引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 主机及后配套检修费约占设备原值的 25%,配件费约占检修费的 78%,TBM 维护费系数为 3.243.59。关键词:隧洞;TBM;洞内检修;设备改造;检修费DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.11.016文章编号:2096-4498(2023)11-1964-09中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):O Ov ve er rh ha au ul l a an nd d R Re eh ha ab bi il li it ta at ti io on n S Sc ch he em me e A Al lo on ng g WWi it th h C Co os st t A An na al ly ys si is s o of f O Op pe en n T Tu un nn ne el l B Bo or ri in ng g MMa ac ch hi in ne e i in n T Tu un nn ne el ls s:A A C Ca as se e S St tu ud dy y o of f Q Qi in nl li in ng g WWa at te er r D Di iv ve er rs si io on n T Tu un nn ne el l i in n H Ha an nj ji ia an ng g R Ri iv ve er r-t to o-WWe ei ih he e R Ri iv ve er r WWa at te er r D Di iv ve er rs si io on n P Pr ro oj je ec ct tYANG Yinwei(China Railway 18th Bureau Group Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To investigate the organizational aspects and cost structure associated with the maintenance of tunnel boring machine(TBM)tunnels,a comprehensive case study is conducted on the maintenance and rehabilitation of a TBM utilized in the North Qinling water diversion tunnel of the Hanjiang river-to-Weihe river water diversion project.The detailed examination includes the maintenance plan for the TBMs main machine and its rear components,along with the allocation of manpower,materials,and machinery.Additionally,key technologies and construction methods related to the cutterhead,main drive,and gripper are discussed.Furthermore,the cost analysis of TBM main machine and its auxiliary maintenance is performed using technical measurement,statistical analysis,and mathematical statistics.The relationship between the TBM maintenance cycle,inspection cost,maintenance cost,and the original value of the equipment is scrutinized.The findings reveal the following insights:(1)In the service life cycle of the TBM,a single overhaul is necessary to restore normal functioning,with the overhaul cycle spanning approximately 7 000 hours of main bearing running.(2)In situations where no maintenance cavern is available,the construction period for TBM tunnel maintenance and rehabilitation is estimated to be around 100 days.(3)The cost analysis indicates that the main machine and supporting equipment maintenance and rehabilitation costs for the TBM used in the North Qinling water diversion tunnel of the Hanjiang river-to-Weihe river water diversion project constitute approximately one-quarter of the 第 11 期杨银伟:敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例original equipment price.Furthermore,the cost of accessories constitutes approximately 78%of the total maintenance and rehabilitation cost,resulting in a maintenance cost coefficient ranging from 3.24 to 3.59.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;tunnel boring machine;overhaul and rehabilitation in tunnel;equipment transformation;overhaul cost0 引言采用 TBM 法施工特长隧道,随着 TBM 设备老化、磨损,TBM 主机及后配套设备故障率明显升高,一般连续施工 10 km 左右需要在洞内进行 1 次全面检修,以恢复 TBM 设备正常性能1。由于洞内检修空间狭小、吊装不便、运输组织复杂,国内学者针对 TBM 洞内拆解、维修技术等进行了大量研究:唐与等2介绍了辽宁大伙房项目在扩大洞室和检修间更换 TBM 主轴承,检修时 2 台 TBM 掘进里程分别为 5.982 km 和 12.988 km;韩小亮3以某引水工程 8.5 m 敞开式 TBM 主轴承外密封挡圈断裂脱落为例,从可行性和经济性角度对比分析,在不拆卸刀盘、不扩大洞室的情况下提出了洞内TBM 主轴承外密封挡圈维修新技术;杨腾添等4研究了新疆某引水隧洞敞开式 TBM 更换失效密封,为解决空间狭小问题提出了“四点锚杆锁定”、“四点支垫支撑”的刀盘固定模式;吴朝来5以引汉济渭工程岭南段为例,探索了在狭小空间下大直径 TBM 刀盘与主机分离实施主驱动密封检查、更换的方法和技术;吕二超6以引汉济渭工程岭北段为例,在不具备扩大洞室条件下创新了洞内 TBM 刀盘边块更换技术。目前,业界对 TBM 洞内检修的研究主要集中在技术方面,缺乏对洞内检修的施工组织和检修费用进行定量分析,水利行业将 TBM 检修费和维护费统一为修理及替换设备费综合考虑,铁路行业将 TBM 折旧费和检修费作为独立费用由市场竞争决定,TBM 工程造价和成本控制缺乏检修费方面的参考依据。本文基于引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修方案,分析工期和人、材、机配置,进而分析 TBM 洞内检修费用构成,从检修周期、费用构成、检修费与设备原值的关系和检修费与维护费的关系 4 个方面验证了检修费的合理性,以期为类似项目组织管理和造价控制提供借鉴。为与水利工程概预算补充定额(掘进机施工隧洞工程)7(简称 2007 补充定额)保持一致,本文中TBM 主机及后配套包括主机、主机辅助设备、后配套拖车,但不包括锚杆钻机、混凝土喷射系统设备、钢筋网安装器、钢拱架安装器、仰拱吊机。1 工程及 TBM 设备概况1.1 工程概况引汉济渭秦岭输水隧洞全长 98.30 km,设计流量70 m3/s,纵坡 1/2 500,最大埋深 2 012 m,穿越秦岭主脊段采用 TBM 法施工,2 台敞开式 TBM 相向掘进。其中,岭南工区施工 18 717 m,岩性以石英片岩、变粒岩、片麻岩、石英岩、花岗岩、闪长岩为主,、级围岩占比 92%;岭北工区施工 16 690 m,岩性以闪长岩、千枚岩、变砂岩、角闪石英片岩、花岗岩为主,、级围岩占比95%,见图1。岭北 TBM 自2014 年6 月开始试掘进,至 2018 年 12 月完成合同掘进任务后,建设单位决定实施接应方案,接应段长 3 000 m。1.2 TBM 设备概况岭北海瑞克 S795 号 TBM 刀盘直径为 8.04 m,刀盘长度为 4.61 m,最大推力为 27 488 kN,刀盘总质量为 168 t;主驱动电机总功率为 3 500 kW,转速为7.3 r/min,转 矩 为 10 725 kN/m;主 轴 承 直 径 为4 200 mm,后配套长度为 184 m。图 1 秦岭隧洞岭脊段施工布置示意图(单位:m)Fig.1 Sketch of construction layout of Qinling tunnel ridge section(unit:m)2 TBM 设备状态评估岭北海瑞克 S795 号 TBM 掘进超过 15 km,为了更好完成接应段新增掘进任务,建设单位委托专业机构对整机设备进行全面检测、分析和评估,内容包括整5691隧道建设(中英文)第 43 卷机运行评估(主机及后配套设备运行状态功能检验、辅助设备运转振动测试、液压泵及主驱动的机械振动测试)、油品取样与检测等。评估报告认为:“此 TBM目前机况较差,如需达到原有的设计性能,建议做好设备的维修工作,包括清洁、保养、修复或更换部件。针对下一阶段的施工要求,需结合地质情况对设备进行适应性分析论证,并对部分系统进行维修改造”。经多次专家论证,建设单位批准了承包商编制的岭北TBM 接应段设备检修改造实施性施工组织设计,开始实施 TBM 检修工作。3 TBM 检修改造及更换方案3.1 TBM 检修方案岭北 TBM 检修方案的重点是刀盘中心块、主驱动和推进撑靴组件检修,主要检修项目方案见表 1。表 1 TBM 主要检修项目方案Table 1 Main overhaul schemes of TBM检修项目检修方案中心块检修 1)更换正面耐磨板;2)更换刀箱;3)更换 C形保护板;4)更换包箱隔板;5)更换喷水装置主驱动检修 1)更换主轴承内外密封、减速箱和驱动电机;2)更换主驱动电器元件;3)主驱动检修推进撑靴组件检修1)更换撑靴油缸;2)更换推进油缸机械系统检修 1)更换双头螺栓;2)螺栓检查校核;3)焊缝检查;4)更换行走轮;5)更换后支撑油缸;6)更换油缸关节轴承及隔环;7)修复磨损间隙,排除靴板倾斜故障液压系统检修 1)更换电动润滑脂泵、润滑回油泵和部分润滑流量计;2)更换老化的液压管路;3)定期更换液压润滑滤芯和液压油电气系统检修 1)更换变压器、电机、老化的电缆;2)更换变频器、传感器、模块和部分电气元件通风除尘系统检修 1)清理风道;2)更换风管;3)更换轴流风机和除尘器;4)检测维修工业空调1#、2#皮带检修 1)检修更换张紧机构、清扫系统、缓冲装置;2)更换皮带滚筒和皮带3.2 TBM 改造方案岭北 TBM 改造方案的重点是刀盘边块的改造和拆装,主要改造项目方案见表 2。3.3 刀盘改造更换在原合同段施工过程中,TBM 刀盘历经 3 次检修,评估报告认为:“刀盘整体状况较差,表面耐磨保护材料磨损严重,导致盘体及刀座出现不同程度磨损,其中刀盘圆弧段及边刀座磨损最为严重;多数刀座安装面出现疲劳压溃,多处渣口区域出现筋板老化变形焊缝开裂,刀盘内部筋板及连接螺栓出现不同程度磨损,喷嘴及管路损坏缺失”。TBM 接应段岩性以闪长岩为主,岩石强度高,完整性好。岭北 TBM 刀具布置、刀间距离和刀盘现状将无法适应接应段硬岩及极硬岩的施工要求,必须实施改造和恢复性修理:一是更换 4个边块以适应接应段硬岩地质条件,二是检修中心块以恢复刀盘性能。表 2 TBM 主要改造项目方案Table 2 Main rehabilitation schemes of TBM改造项目改造方案刀盘边块改造 1)重新布置刀具位置,缩小刀具间距,增加 2 把刀具;2)安装新型刀箱;3)加强易磨、易损、薄弱部位刀盘边块拆装1)制造;2)运输;3)更换;4)焊接电气系统改造改造变压器的散热形式,以油冷代替水冷通风除尘改造空压机由风冷式改为水冷式刀盘是 TBM 主机部分的关键部件之一,刀盘磨损程度随掘进延长不断加重,受结构、重量、空间等因素影响,在隧道内实施刀盘检修工序较为复杂8。由于洞内岩爆频发,不具备开挖扩大洞室和架设吊装设备的条件,因此采用基坑法实施刀盘检修,见图 2。刀盘改造更换顺序为基坑开挖支护、基坑衬砌、后退区换拱扩挖、吊装设备安装、旧边块拆卸、新边块安装、中心块检修,见图 3。图 2 基坑法示意图Fig.2 Sketch of foundation pit method3.3.1 基坑施工海瑞 克 S795 号 TBM 刀 盘 边 块 几 何 尺 寸 为5 600 mm1 820 mm1 980 mm,无法通过 TBM 后支撑部位(后支撑中间间距约 1 850 mm,向上逐渐减小),因此在后支撑后方选择基坑位置,基坑中线与隧道中心线重合,基坑开挖轮廓线尺寸为 10.2 m3.5 m3.3 m,基坑周边采用 32 mm 中空注浆锚杆支护,锚杆长度为 5.0 m,间距为 900 mm900 mm 方形布置,钢筋混凝土衬砌厚度为 700 mm,衬砌后净空尺寸为8.8 m2.1 m2.6 m。开挖前进行底拱加固,“放小炮”分多次开挖,人工出渣至后配套,主洞内采用有轨运输,在支洞交叉口转为无轨运输至洞外渣场。3.3.2 后退区域扩挖基坑位于后支撑后方,TBM 刀盘需经历多次反复进退才能到达基坑位置,为实现刀盘后退需要对护盾后方 32 m 范围进行换拱、扩挖处理9。为确保安全,6691第 11 期杨银伟:敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例换拱按“先立后拆”顺序进行,拱架间距为 45 cm,扩挖范围为拱部 180,扩挖半径为 4.51 m,扩挖后岩面喷5 cm 厚 C20 混凝土封闭,然后架设 H150 钢拱架,钢拱架两端拱脚坐落在坚实岩体上,拱脚设置 2 根 4 m 长22 锁脚锚杆。采用人工风镐扩挖,开挖循环严格控制在 45 cm 内,开挖后立即施作钢拱架,钢架外翼板内侧纵向焊接 16 钢筋,连接筋环向间距为 30 cm,钢架内侧封焊 6 mm 厚钢板,回填 C30 混凝土。换拱扩挖过程中必须对围岩进行监控量测,监控围岩变形收敛程度。图 3 刀盘检修流程图Fig.3 Flowchart of cutterhead overhaul3.3.3 吊装设备安装刀盘边块吊装需要定制一套专用吊装设备,包括专用吊具、基坑起吊机、中转支撑、托盘、转盘等,在基坑位置完成组装,见图 4 和图 5。图 4 刀盘顶升机构剖面图(单位:mm)Fig.4 Profile of cutterhead jacking mechanism(unit:mm)图 5 刀盘顶升机构平面图(单位:mm)Fig.5 Plan of cutterhead jacking mechanism(unit:mm)3.3.4 刀盘边块拆装将基坑作为工作空间,以托架为支撑拆卸边块,利用专用吊装设备实现边块升降、转向,反复调整 TBM刀盘位置完成旧边块吊装、运输,逆序将新边块运至基坑处完成安装。1)旧边块拆卸。将托盘机构放置于中转支撑上,保证退刀盘时 TBM 与托盘不干涉,后退刀盘至基坑上方,旋转刀盘将 1#边块置于水平状态。刀盘正面焊缝在退刀盘前刨除,在基坑内刨除刀盘背面的边块焊缝。在 1#边块底部安装斜撑,保证斜撑底面水平,上升托盘,使转盘与边块、边块斜撑紧密贴合,逐个拆卸 1#边块连接螺栓,拆卸完成后下降托盘并靠底护盾上升刀盘,使 1#边块与刀盘完全脱离4。2)旧边块入坑。TBM 继续后退至刀盘离开基坑位置,上升转盘,使 1#边块脱离岩面,将边块旋转 90,保证边块轮廓位于基坑轮廓范围内。在基坑上方安装起吊架、起吊油缸,采用顶部的起吊架将“托盘+边块”提起,拆除中转支撑上的微调油缸(保留三角支撑),将边块入坑放置在三角支撑上。在起吊机上安装接力杆,采用顶部的起吊机将“托盘+边块”二次提起,拆卸中转支撑上的三角支撑,将边块放置于基坑底部。3)旧边块提升。按 2)旧边块入坑步骤的逆序进行。拆除起吊架及其他附属物,TBM 向前步进至基坑出露在后支腿后方,将起吊设备安装于基坑上方,采用“起吊架+接力杆”起吊“托盘+边块”,通过三角撑中转后将边块吊至脱离基坑。7691隧道建设(中英文)第 43 卷4)旧边块装车。在边块吊起状态下安装吊耳,采用卸车吊机将边块吊起,将转盘与边块进行分离,然后将“托盘+转盘”放置于中转三角支撑上。在基坑上方安装轨道并在边块底部安装运输支撑,轨距 900 mm,轨道两侧固定在基岩上,中部固定于托盘上。将板车推至吊机下方,然后将边块放置到平板车上,完成旧边块装车10。5)旧边块运输。将旧边块固定于板车上,采用内燃机车和平板车运输至转运站,使用 2 台 25 t 行吊完成转运,采用轮胎式平板车运输出洞,至 5#支洞口使用 1 台 70 t 汽车吊卸车。如此反复 4 次完成 4 个旧边块运输11。6)新边块运输。采用 5)旧边块运输步骤的逆序进行,将新边块运输至基坑位置,如此反复 4 次完成 4个新边块运输。7)新边块安装及固定。TBM 向前步进缓慢移动刀盘,使刀盘中心块定位于边块正上方,通过前后移动刀盘调整边块前后安装位置,微调油缸进行上下提升调整边块上下安装位置。边块调整到位后,采用丝杆或螺栓将边块定位,先进行中心块和边块之间的螺栓连接,再进行边块之间的螺栓连接,最后进行螺栓紧固和转矩校核。8)刀盘立面焊接。焊前用氧气乙炔火焰预热至150 左右,按打底层、填充层、盖面层“分层分道”焊接,打底层和填充层第 1 层采用直流手工焊机,其他层采用 CO2保护焊,焊后覆盖保温,最后探伤检测焊缝质量。3.3.5 中心块检修刀盘 4 块边块更换完成后,对刀盘中心块区域进行全面检修,主要检修内容如下。1)更换正面耐磨板。为提高刀盘耐磨性能,定制1 套 59 块新型复合耐磨钢板,焊接在刀盘正面区域。2)更换中心块区域刀箱。为解决刀箱磨损、变形、开裂,适应接应段围岩特点,提前委托专业厂家设计制造新型式刀箱,更换中心块区域所有刀箱。3)更换中心块区域刀箱 C 形保护板。刀具 C 形保护块共有 28 块,主要安装于刀盘正面区域,由于其直接受岩石冲击极易磨损,因此需要全部进行更换修复。4)更换包箱隔板。评估报告显示,包箱隔板局部磨损量过半,局部焊缝出现裂纹,须提前委托专业厂家对包箱隔板进行设计改造,确保包箱隔板良好的耐磨性能和承载性能。5)更换中心块区域喷水装置。由于长期受石渣冲击影响刀盘,导致喷水系统喷水基座变形、管路及接头损坏变形、漏水严重、喷嘴堵塞,因此委托专业厂家重新设计安装新的喷水系统,以满足接应段施工需要。3.4 主驱动检修TBM 主轴承及驱动部件是掘进机的核心部件,直接影响 TBM 使用寿命。采用锚杆支撑、钢结构支撑、钢结构垫撑相结合的方式,将刀盘固定在掌子面上,分离刀盘和主轴承形成工作面,检查更换内、外密封。主轴承密封更换流程:由外向内逐层拆除环形压板、唇形密封、隔环,清理密封腔,检查耐磨环,确定唇形密封新的安装位置,确定隔环组合方案,密封腔均匀涂抹润滑脂,由内向外逐层安装唇形密封、隔环和环形压板。更换过程做到 5 个确保,即:确保支撑可靠避免隔环变形、确保唇型密封唇口朝向无误、确保唇形密封安装姿态正确、确保唇形密封免受外力损伤、确保拆装过程清洁。3.5 推进撑靴组件检修TBM 推进系统及支撑系统在原合同掘进中出现过撑靴油缸脱落、推进油缸和撑靴油缸漏油、撑靴平衡油缸损坏等问题,主要部件或组件需要更换。1)更换撑靴油缸。在洞壁相应位置施作 32 mm锚杆,将撑靴固定于洞壁上,在撑靴油缸两侧分别搭设1 m2 m 脚手架作为拆卸平台,使用导链、液压千斤顶进行安拆作业。拆卸完成后,旧撑靴油缸采用索玛机车编组转轮胎式板车运出洞外,新撑靴油缸按逆序由洞外运至洞内撑靴位置12。2)更换推进油缸。在推进油缸及转运区域对应位置施作 32 mm 锚杆,锚杆与钢板焊接后作为油缸吊点,使用导链、液压千斤顶实施安拆。拆卸完成后,旧推进油缸采用索玛机车编组转轮胎式板车运出洞外,新推进油缸按逆序由洞外运至洞内安装位置。3.6 工期TBM 主机及后配套检修总工期为 97 d,节点工期为:主机机械、液压、电气系统检修 75 d,刀盘检修90 d,交工验收 7 d。由于 TBM 检修所处位置岩爆频发,基坑施工、后退段扩挖施工受到较大影响,造成准备工作时间延长,本文不涉及准备期土建施工,仅考虑正常条件下的 TBM 检修工作。TBM 检修工期横道见图 6。4 资源配置4.1 劳动力组织在 TBM 掘进劳动力组织的基础上,TBM 检修按工序分成 9 个班组,每组设工长 1 人,刀盘检修、推进撑靴组件检修、主机检修和运输采用 3 班制,其他采用 1 班制。检修期间用工峰值 83 人、谷值 34 人,共计消耗人工 79 616 工时,见表 3。由于洞内运输里程达到 15 km,上下班往返耗时长达 4 5 h,为尽量减少上下班路途耗时,检修期间按照每班工作12 h、休息 24 h 组织,即每天平均工作时长 11.33 h,8691第 11 期杨银伟:敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例因此 TBM 检修共计消耗人工 112 756 工时。S795 号TBM 由德国海瑞克公司设计制造,TBM 检修涉及进口设备部件较多,为保证检修质量,另聘请 8 名外籍专家进行指导。图 6 TBM 检修工期横道图Fig.6 Gantt chart of TBM overhaul表 3 TBM 检修劳动力配置表Table 3 Labor arrangement for TBM overhaul工序班制工长/人高级工/人中级工/人初级工/人司机工/人时间/d刀盘检修边块中心块主驱动检修推进撑靴组件检修机械、液压、电气系统检修通风除尘系统检修TBM 1#、2#皮带检修2#皮带1#皮带运输3191010283185011102263164423374751144458113271131931690 TBM 检修兼有安装和拆卸的工作内容,洞内安装定额用工 74 360 工时,洞内拆卸定额用工 51 282 工时。表 3 中 TBM 检修用 112 756 工时,与安装拆卸之和基本相当,主要原因是洞内检修运距长达 15 km,上下班往返时间占工作时间的 40%以上,除此以外,正常用工与洞内安装定额基本相当。4.2 配件和材料4.2.1 配件建设单位多次组织专家会对 TBM 检修清单进行评估,并且委托专业机构对需要更换的部件、配件进行了价格咨询,确定本次 TBM 主机及后配套检修配件费用为 32 365 583 元(油脂列入材料费),见表 4。表 4 TBM 检修配件费用表Table 4 Accessory cost of TBM overhaul项目名称配件费用/元比例/%刀盘检修改造11 188 21434.57主驱动检修6 545 74320.22推进撑靴组件检修3 441 50010.63机械、液压、电气系统检修4 149 88412.82通风除尘系统检修5 665 19217.51TBM 1#、2#皮带检修1 375 0504.25合计32 365 583100.004.2.2 材料TBM 检修工作量大、工作面广、工种多,材料消耗主要集中在更换油液和焊接、切割等作业,根据 TBM检修物资材料计划,材料消耗共计 336 375 元,见表 5。焊接、切割材料主要用于主机部分,因此均归集为TBM 主机及后配套检修范畴。表 5 TBM 检修材料费用表Table 5 Material cost of TBM overhaul材料名称数量单位单价/元总价/元液压油9 360L18.67 174 751润滑油3 120L21.4967 049齿轮油832L21.40 17 805冷却液180L108.33 19 500氧气200瓶29.42 5 884乙炔100瓶93.16 9 316电焊条 J506400kg11.00 4 400电焊条 J422400kg8.003 200实芯焊丝200kg18.003 600其他材料30 870合计336 375与 TBM 安装、拆卸定额比较,定额消耗液压油9691隧道建设(中英文)第 43 卷1 422.03 L、润滑油 3 231.95 L、齿轮油 1 034.16 L,3种油品实际耗量分别为定额耗量的 658%、97%和80%,液压油耗量明显高于定额。分析原因,液压油箱额定容积 4 500 L,定额耗量仅为额定容积的 32%,定额与实际严重不符;实际检修中实施 2 次冲洗消耗液压油 2 160 L,加注液压油 4 500 L,工艺损耗约占总量的 28%。与 TBM 安装、拆卸定额比较,氧气、乙炔气、电焊条等焊割材料仅相当于安装、拆卸定额的 30%,主要原因是后配套钢结构焊接、切割工作量很小。4.3 机械设备配置4.3.1 主要机械配置TBM 检修配备的机械设备主要包括起重机械、运输机械、加工机械和通风除尘设备,由于 TBM 区域需进行钻爆和大量焊接工作,为保证洞内施工作业正常供风、除尘、降温,在 5#支洞洞口配置 1 台 3200 kW风机向交叉口供风,在交叉口配置 1 台 2315 kW 风机向掌子面接力供风,在主洞增加 5 台 275 kW 射流风机配合通风,TBM 随机工业空调和除尘风机改造完成后即可投入运行,实施除尘降温。根据机械设备的用途,对 TBM 主机及后配套检修和通用设备分别进行统计,并计算机械设备运转时长,见表 6。表 6 TBM 检修主要机械配置表Table 6 Main machinery of TBM overhaul设备名称规格数量单位时长/d汽车吊70 t1台2850 t1台28侧向滑移小车定制1台28重型平板车定制 30 t2台28叉车合力 3 t1台90二保焊机松下 5505台77交直流焊机松下 6005台77交流焊机BX-50010台90轮胎式平板车南骏2辆28索玛机车25 t3台28轨道式平板车6辆28双排车五十铃1辆90轴流风机3200 kW1台902315 kW1台90射流风机75 kW5台90TBM 检修方案中还涉及到部分自制非标设备、工人乘坐车辆等,在此不再详细统计其价值和使用时长,视为包含在其他机械费中。起重机械消耗方面,洞内安装和拆卸定额消耗1 462 台时,TBM 检修实际消耗 1 344 台时,消耗水平基本相当;运输机械消耗方面,洞内安装和拆卸定额消耗 1 142 台时,TBM 检修实际消耗 6 048 台时,相当于安拆定额消耗的 5.3 倍。其原因在于:两者工况大相径庭,定额是按洞外安装、洞内拆卸编制的,前提条件是具备洞外安装场地和洞内拆卸洞室,没有考虑支洞、主洞长距离运输和运输方式转换。4.3.2 工器具配置TBM 检修改造工器具种类繁杂、数量众多,粗略统计有近 200 种 550 余件,主要包括吊运工器具、电工工具、紧固工具等,仅统计价值较大的 30 余种工具,采购价值为 214 500 元,绝大部分为通用工器具,很难界定使用的部位,其总价值与主要机械设备相比相对很小,列入小型机具使用费。5 TBM 主机及后配套检修费分析5.1 TBM 检修经济性分析一般中小型机械的设计使用寿命由厂家提供,大型机械设备特别是由多个关键部件组成的结构复杂的设备,其设计使用寿命主要根据关键部件的设计寿命确定13,关键部件的设计寿命按工程量或使用时间计算。在不大修的情况下,整个大型设备的设计使用寿命计算公式如下:Ti=Qi/V;(1)T总=min(Ti,Tj)。(2)式(1)(2)中:Ti为按工程量确定寿命的机械部件转换后的设计使用寿命;Qi为按工程量确定寿命的机械部件的设计使用工程量;V 为按工程量确定使用寿命的机械部件的正常平均工作效率;T总为大型机械整体设计使用寿命;Tj为按时间确定使用寿命的机械部件的设计使用寿命时间。海瑞克 S795 号 TBM 主要部件是按照掘进长度25 km 设计制造的,主轴承等主要部件工作寿命为15 000 h。引汉济渭岭北合同段内共掘进 50 个月,完成隧洞开挖 15 215 m,主轴承运转时长为 7 307 h,平均掘进效率为 2.082 2 m/h,施工期内 TBM 平均利用率为 20%,与文献14的研究结论“TBM 平均利用率21.45%”基本相近。Ti=Qi/V=25 0002.082 2=12 006 h;T总=min(Ti,Tj)=min(12 006,15 000)=12 006 h。TBM 自始发至合同分界点累计运行 7 307 h,达到整体设计使用寿命的 60.86%。因此,在不实施整体大修的情况下,通过刀盘适应性改造和整机检修完全可以满足接应段施工任务,符合大型机械设备维修规律15。5.2 TBM 检修费的构成TBM 检修费是指在规定的耐用总台班内,按规定的检修间隔进行必要的检修,以恢复其正常功能所需的费用。参考水利工程设计概(估)算编制规定16和水利工程施工机械台时费定额17,由表 3 至表 6的资源配置分析得到检修费的费用构成:人工费(L)1 084 745 元,材料费(S)353 206 元,配件费(P)0791第 11 期杨银伟:敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例32 365 583 元,小型机具使用费(T)214 500 元,机械使用费(M)7 279 522 元。TBM 检修费=(L,S,P,T,M)=41 297 556元/台次。综上所述,TBM 主机及后配套 1 次洞内检修费为41 297 556 元,其中,工料机占比 22%,配件费占比78%。5.3 TBM 检修费与设备原值的关系检修费与设备原值的比例关系是衡量检修经济性的重要指标,TBM 属于大型定制设备,受设备制造、隧道设计、施工组织影响,其检修周期、检修条件、施工方案存在差异,经济数据有据可查的检修案例较少,现对维尔特 TB880E 洞外检修、铁建重工 DZ101 返厂检修与海瑞克 S795 洞内检修 3 个案例进行比较。1)维尔特 TB880E 于 1997 年生产,在西康铁路秦岭隧道、西南铁路桃花铺一号隧道掘进 11.8 km,2007年进行洞外检修,业主批复检修费 3 590 万元(不含备用主轴承费用),占设备原值的 17.27%。检修后应用于吐库二线中天山隧道 SK1 标施工。2)铁建重工 DZ101TBM 于 2014 年生产,在吉林引松供水工程二标段掘进 15.74 km,2020 年进行返厂检修,TBM 主机及后配套检修费用 3 589.64 万元(未更换主轴承),占设备原值的 31.89%。检修后应用于乐西高速公路大凉山 1 号隧道 K2 标施工。3)海瑞克 S795 号 TBM 采购于2012 年,TBM 主机及后配套(不含锚杆钻机、混凝土喷射系统设备、钢筋网安装器、钢拱架安装器、仰拱吊机等辅助设备)设备原值为 170 297 009 元,TBM 主机及后配套洞内检修费相当于其设备原值的 24.25%。经对比分析,以检修费占设备原值比例高低衡量,洞外检修约占 18%,洞内检修约占 25%,返厂检修约占 32%。铁建重工 DZ101 与海瑞克 S795 出场时间、开挖断面、掘进里程非常近似,仅检修环境不同,具有较强的可比性。5.4 TBM 检修费与维护费的关系TBM 维护费是指在规定的耐用总台班内,按规定的维修间隔进行各级维护和临时故障排除所需的费用,包括维修保养和故障排除发生的人工费、润滑擦拭材料费、更换配件费、工器具使用费、维修机械使用费等。台班维护费与台班检修费关系如下:台班维护费=检修费K(K 为维护费系数,指台班维护费占台班检修费的比例)。统计分析海瑞克 S795TBM 维护费发现,TBM 维护费(y)与掘进里程(x)符合指数增长关系(见图 7)。运用统计学回归分析方法得到 TBM 维护费与掘进里程的函数关系:y=1106e0.000 2x。(3)令 x=25 000,得到 y=148 413 159。由此预测 TBM设计使用寿命周期内维护费总额为 148 413 159 元。K=维护费/检修费=148 413 159/41 297 556=3.59。图 7 TBM 维护费-掘进里程曲线图Fig.7 Relationship