張 揚(yáng)，王思樺

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司,北京 100024）

1 引言

按業(yè)主要求,對1、2、3 號高壓管道下斜井施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化,將原投標(biāo)時采用阿利瑪克爬罐施工變更為反井鉆機(jī)施工,斜井?dāng)U挖施工工藝保持不變,仍然采用風(fēng)鉆鉆爆擴(kuò)挖施工。本文對爬罐、反井鉆機(jī)2 種施工方案進(jìn)行對比分析,從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全效益3 個方面對2 種施工方案的效益進(jìn)行綜合分析。

2 施工工藝介紹

斜井開挖作為整個壓力管道施工控制性的關(guān)鍵性節(jié)點,具有開挖難度大、工期緊張、質(zhì)量安全要求高等特點,尤其是安全問題突出,以斜井施工中常用的爬罐、反井鉆機(jī)施工工藝作為研究對象,對斜井施工的綜合效益進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

2.1 爬罐施工工藝介紹

阿利瑪克爬罐是以自帶驅(qū)動裝置的施工平臺,沿著固定在斜井井壁上的導(dǎo)軌上下爬行,運(yùn)送人員、材料以及設(shè)備進(jìn)行鑿巖、裝藥連線等開挖豎斜井的方法[1]。目前,阿利瑪克爬罐已在廣州抽水蓄能電站、天荒坪抽水蓄能電站、仙居抽水蓄能電站、西龍池抽水蓄能電站等豎井或斜井施工中被應(yīng)用。

2.2 反井鉆機(jī)施工工藝介紹

反井鉆機(jī)以電機(jī)帶動液壓馬達(dá),利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng),帶動鉆具旋轉(zhuǎn),并向上提升,采用楔齒盤形滾刀破巖,滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動,從而對巖石產(chǎn)生擠壓和剪切作用使其破碎,從而開挖豎斜井的方法[2]。目前,反井鉆機(jī)已在云南大朝山水電站、云南小彎水電站、大崗山水電站、十三陵抽水蓄能水電站、蒲石河抽水蓄能電站等豎井或斜井施工中被應(yīng)用。

2.3 爬罐與反井鉆機(jī)施工工藝對比

在水電工程地下施工中,爬罐和反擊鉆機(jī)依靠自身開挖豎斜井的施工技術(shù)特點得到了廣泛應(yīng)用,并取得了良好綜合效益。爬罐施工爆破后需要通風(fēng)與壓水除塵,當(dāng)掘進(jìn)深度超過200 m 后,通風(fēng)排煙難度加劇,安全隱患突出,掘進(jìn)深度會受到一定限制；反井鉆機(jī)與其相比較,不僅作業(yè)條件好,施工安全性高,而且施工深度也有著顯著提高。目前,國內(nèi)反井鉆機(jī)施工深度可達(dá)562 m,國外反井鉆機(jī)施工深度可達(dá)到1000 m 以上。爬罐與反井鉆機(jī)施工工藝對比,見表1。

表1 施工工藝對比

3 綜合效益對比分析

斜井采用不同的掘進(jìn)方法在施工輔助工程費(fèi)用和斜井開挖（導(dǎo)井+擴(kuò)挖）費(fèi)用（含清渣）上存在差異。經(jīng)研究分析,開挖直徑6.5 m 的斜井采用爬罐施工,費(fèi)用合計為901.03 萬元,開挖綜合單價為10215.76 元/m；采用反井鉆機(jī)施工,費(fèi)用合計為1248.73 萬元,開挖綜合單價為14157.94 元/m；反井鉆機(jī)較爬罐施工費(fèi)用增加347.7 萬元,單價增加3942.18 元/m。

3.1 生產(chǎn)成本測算

3.1.1 爬罐生產(chǎn)成本

式(1)為最小化t∈T階段船舶貝內(nèi)橫傾力矩的目標(biāo)函數(shù)，是t階段船舶貝左側(cè)集裝箱和右側(cè)集裝箱所產(chǎn)生的橫傾力矩之差，其中：k(t)∈N(t)為在t階段待裝箱編號；p=(i,j)∈P為船舶貝第i列第j層的箱位，i∈I,j∈J；wk(t)為集裝箱k(t)的重量； xk(t)p為集裝箱k(t)是否裝到船舶貝的p∈P箱位，為0～1決策變量；d為集裝箱寬度；Δ為相鄰集裝箱間隙；g為重力加速度。

（1）施工輔助工程費(fèi)用

施工輔助工程包括施工供風(fēng)與供水、施工通風(fēng)排煙、施工供電與照明。在爬罐施工條件下,施工供風(fēng)需通過爬罐自帶高壓風(fēng)管輸送至工作面,施工供風(fēng)費(fèi)用合計14.54 萬元,由于施工供水費(fèi)用已計入相應(yīng)項目單價,不單獨計列。在爬罐施工條件下,施工通風(fēng)排煙要求較高,為達(dá)到環(huán)保、安全相關(guān)要求,需單獨設(shè)置施工通風(fēng)系統(tǒng),此部分費(fèi)用合計9.16 萬元。施工供電費(fèi)用已經(jīng)計入電價或者相應(yīng)項目單價,此外,由于照明使用爬罐自帶照明裝置,施工照明費(fèi)用已計入相應(yīng)項目單價,不單獨計列。

（2）斜井開挖費(fèi)用

在爬罐施工條件下,3 條斜井施工的人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、石方運(yùn)輸費(fèi)、其他直接費(fèi)和間接費(fèi)取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)均按合同文件要求計取,每條斜井開挖工程量均為10977.96 m3,工程量合計為32933.88 m3。依據(jù)《水電建筑工程預(yù)算定額（2004版）》（定額編號：20946）編制導(dǎo)井的開挖單價,其單價為831.46 元/m3；依據(jù)《水電建筑工程預(yù)算定額（2004 版）》（定額編號：21153）編制斜井?dāng)U挖單價,其單價為163.34 元/m3；結(jié)合導(dǎo)井與斜井?dāng)U挖工程量所占權(quán)重,斜井開挖綜合單價為266.39 元/m3,則爬罐開挖三條斜井（導(dǎo)井+擴(kuò)挖）費(fèi)用合計877.33 萬元,開挖單價為9947.03 元/m。

3.1.2 反井鉆機(jī)生產(chǎn)成本

（1）施工輔助工程費(fèi)用

施工輔助工程包括施工供風(fēng)與供水、施工供電與照明和反井鉆機(jī)附屬項目。在反井鉆機(jī)施工條件下,施工供風(fēng)用量較少,無需要單獨設(shè)置供風(fēng)系統(tǒng)施工供風(fēng)費(fèi)用已計入相應(yīng)機(jī)械設(shè)備臺時費(fèi)；施工供水采用灑水車運(yùn)輸,機(jī)械臺時費(fèi)用合計5.23 萬元；由于施工不產(chǎn)生粉塵、煙霧等有害氣體,其不需要單獨設(shè)置施工通風(fēng)排煙系統(tǒng),此部分不發(fā)生費(fèi)用。為了滿足高壓管道下斜井定向鉆機(jī)、反井鉆機(jī)施工用電負(fù)荷,需單獨配置相應(yīng)供電設(shè)備,主要包括箱式變壓器、二級配電柜以及高壓電纜等,費(fèi)用合計為15.04 萬元；施工照明費(fèi)用已計入相應(yīng)項目單價,不單獨計列。由于受施工場地的限制,反井鉆機(jī)布置與施工需要實施必要的附屬項目,增加的附屬項目主要包括施工區(qū)石方擴(kuò)挖、斜井上彎擴(kuò)挖區(qū)增加支護(hù)錨桿、反井鉆機(jī)垂直與水平起吊錨點錨桿、鉆機(jī)底座基礎(chǔ)混凝土澆筑等,費(fèi)用合計143.59 萬元。

（2）斜井開挖費(fèi)用

在反井鉆機(jī)施工條件下,依據(jù)《水電建筑工程預(yù)算定額（2004 版）》（定額編號：換21065,定額單位為100 m,換算為100 m2,除以3.97 系數(shù)）編制導(dǎo)井開挖單價,其單價為1722.81 元/m3；反井鉆機(jī)與爬罐斜井?dāng)U挖均采用鉆爆施工,其單價也為163.34 元/m3；結(jié)合導(dǎo)井與斜井?dāng)U挖工程量所占權(quán)重,斜井開挖綜合單價為329.41 元/m3,則反井鉆機(jī)開挖三條斜井（導(dǎo)井+擴(kuò)挖）費(fèi)用合計1084.87 萬元,開挖單價為12300.09 元/m。

3.2 效益對比分析

3.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)2 種不同施工方法所制定的施工方案,對爬罐和反井鉆機(jī)的生產(chǎn)成本進(jìn)行了測算,2 種施工方案的生產(chǎn)成本（經(jīng)濟(jì)效益）對比結(jié)果,見表2。從表2 可知,采用爬罐施工經(jīng)濟(jì)效益更好。在施工輔助工程方面,采用爬罐施工其費(fèi)用為23.7 萬元,采用反擊鉆機(jī)施工其費(fèi)用為163.86 萬元,較爬罐增加140.16 萬元,主要原因在于反井鉆機(jī)需要增加附屬項目,以保證滿足其施工技術(shù)、質(zhì)量和安全要求；在斜井開挖（導(dǎo)井+ 擴(kuò)挖）方面, 采用爬罐開挖3 條斜井費(fèi)用合計為877.33 萬元,其開挖單價為9947.05 元/m,采用反擊鉆機(jī)開挖其費(fèi)用為1084.87 萬元,其開挖單價為12300.11 元/m,總費(fèi)用較爬罐增加207.54 萬元,開挖單價增加2353.06 元/m,主要有以下兩方面的原因：

（1）反井鉆機(jī)設(shè)備購置費(fèi)用較爬罐高,施工技術(shù)水平要求也高。一般反井鉆機(jī)國產(chǎn)設(shè)備一套200 萬元左右,爬罐國產(chǎn)設(shè)備一套50 萬元左右,進(jìn)口設(shè)備一套可達(dá)100 萬元左右,使得反井鉆機(jī)的臺時折舊攤銷費(fèi)用比爬罐高,施工機(jī)械使用費(fèi)大幅度增加。

（2）反井鉆機(jī)施工效率比爬罐高,可以獲得更高的收益。爬罐平均每天進(jìn)尺2 m（斜井長度294 m）,施工總耗時147 天；反井鉆機(jī)平均每天進(jìn)尺10m,施工總耗時大約30 天,反井鉆機(jī)施工效率較爬罐提高了117 天,爬罐施工和反井鉆機(jī)施工利潤率均4%,爬罐施工產(chǎn)值所對應(yīng)的利潤為34.66 萬元,日收益率為0.026%,反井鉆機(jī)施工產(chǎn)值所對應(yīng)的利潤為48.03 萬元,日收益率為0.128%,反擊鉆機(jī)施工日收益率可達(dá)爬罐的5 倍左右。

表2 不同施工方案經(jīng)濟(jì)效益對比

3.2.2 環(huán)保效益

反井鉆機(jī)擴(kuò)孔施工無需爆破作業(yè),施工人員也不必到達(dá)掌子面,施工噪音小,并不產(chǎn)生大量煙塵和粉塵,鉆孔施工所產(chǎn)生的粉塵會被鉆孔廢水或圍巖滲水溶解。因此,反井鉆機(jī)施工比爬罐施工對環(huán)境和施工人員影響較少,其環(huán)保效益更好。

3.2.3 安全效益

反井鉆機(jī)斜井施工采用機(jī)械化設(shè)備操作施工人員無需到達(dá)掌子面,可以有效降低或減少相關(guān)的安全風(fēng)險因素,避免安全事故的發(fā)生,讓施工安全與質(zhì)量風(fēng)險更加可控。因此,反井鉆機(jī)施工比爬罐施工可以取得更好的安全質(zhì)量效益。

綜上所述,從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益、安全效益3 個方面對2 種施工方案進(jìn)行對比分析,爬罐在經(jīng)濟(jì)效益方面具有優(yōu)勢,但反井鉆機(jī)在施工效率、環(huán)保效益和安全效益方面具有顯著優(yōu)勢,因此,反井鉆機(jī)施工具有更好的綜合效益。

4 結(jié)論

（1）在地質(zhì)條件較好且井深小于200 m 時,采用爬罐施工豎斜井,可以取得較快施工速度,但存在一定的環(huán)保和安全風(fēng)險,要切實做好系統(tǒng)排煙除塵設(shè)備（除塵器、噴霧器等設(shè)備）的選取和建設(shè)規(guī)劃工作,確保滿足環(huán)保、安全生產(chǎn)等方面要求。在地質(zhì)條件復(fù)雜多變情況下,開挖深度大的豎斜井時,反井鉆機(jī)在環(huán)保和安全方面效益更加顯著,爬罐施工隨開挖深度增加,會使得通風(fēng)散煙工作變得更加困難,造成施工進(jìn)度和難度將會受到一定程度的限制,安全隱患問題也將更為突出。

（2）在水電工程建設(shè)過程中,隨著安全文明施工、環(huán)境保護(hù)的意識不斷加強(qiáng),特別是安全防范、法律法規(guī)意識的增強(qiáng),與爬罐相比,反井鉆機(jī)在施工效率、施工質(zhì)量、施工安全性等方面具有顯著的優(yōu)勢,可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和安全效益。反井鉆機(jī)在水電工程施工中將會有著更加廣泛的應(yīng)用前景。