成都地鐵一期工程盾構(gòu)施工成本分析與控制

1、成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)施工2標(biāo)盾構(gòu)施工成本分析與控制成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)施工2標(biāo)盾構(gòu)施工成本分析與控制內(nèi)容提要：在中國地鐵隧道大都采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)施工成本在一定程度上制約 了城市地下空間的開發(fā)和利用。本文在分析了盾構(gòu)法隧道成本構(gòu)成的基礎(chǔ)上，主要從降 低盾構(gòu)施工費(fèi)用方面，結(jié)合成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)施工2標(biāo)（人民北路站至天府 廣場站盾構(gòu)區(qū)間）講述如何控制盾構(gòu)施工成本。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工 成本 分析 控制1、引言在現(xiàn)代化城市建設(shè)中，地下空間的開發(fā)利用已成為一個重要的組成部分。而盾構(gòu)法 隧道，由于其先進(jìn)的施工工藝和不斷完善的施工技術(shù)，使得其在城市地下空間的開發(fā)中 也取得了巨大的成功，并

2、被越來越多地應(yīng)用于城市地鐵、上下水道以及地下共同溝等隧 道工程建設(shè)中，在我國的各大主要城市，如上海、北京、深圳、廣州和南京等地，已建 和在建的地鐵隧道大都采用盾構(gòu)法施工?，F(xiàn)在成都、西安、杭州等地也正在開始采用盾 構(gòu)法修建地鐵隧道。但是，一方面伴隨著各主要城市為解決制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的交通瓶 頸問題，對發(fā)展地下軌道交通有著較大的需求，另一方面，采用盾構(gòu)法施工的隧道，從 工程造價上來看是非常昂貴的。這在一定程度上制約了城市地下空間的開發(fā)和利用。因此，如何合理地控制盾構(gòu)隧道的建設(shè)成本、降低工程造價，已成為當(dāng)前地下空間 開發(fā)必須認(rèn)真研究的課題。影響地下鐵道造價的主要因素，降低建設(shè)費(fèi)主要應(yīng)從以下三 方面入

3、手：降低車輛等設(shè)備購置費(fèi)、運(yùn)營管理費(fèi)，以及降低作為基礎(chǔ)設(shè)施的土建工程的 費(fèi)用。本文在分析了盾構(gòu)法隧道成本構(gòu)成的基礎(chǔ)上，主要從降低盾構(gòu)施工費(fèi)用方面，結(jié)合 成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)施工2標(biāo)（人民北路站至天府廣場站盾構(gòu)區(qū)間）講述如何 控制盾構(gòu)施工成本，2、盾構(gòu)隧道的成本構(gòu)成表1是對中、日兩國盾構(gòu)隧道建設(shè)成本的構(gòu)成分析，從中我們可以看出各主要項目 在整個隧道建設(shè)中所占的比例，并且，還可發(fā)現(xiàn)構(gòu)成費(fèi)用的主體主要有這幾大項：管片 襯砌、機(jī)器設(shè)備、廢土運(yùn)輸處理及豎井建造的防護(hù)費(fèi)用等。針對成都地鐵卵石含量高、高富水等困難條件，主要從盾構(gòu)機(jī)的選型、刀具、渣土 改良以及盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)技術(shù)、盾構(gòu)始發(fā)階段的試驗等方面來

4、講述如何控制盾構(gòu)施工成 本，以達(dá)到降低成本，提高效益之目的。3、成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)施工2標(biāo)(人民北路站至天府廣場站盾構(gòu)區(qū)間) 成本控制3. 1成都地鐵二標(biāo)基本情況3. 1. 1工程概況表1中日兩國盾構(gòu)隧道各項成本費(fèi)用構(gòu)成中國日本項目比例(%項目比例(%管片3438管片3040二次襯砌1215二次襯砌510盾構(gòu)機(jī)1719盾構(gòu)機(jī)2030工程設(shè)備58工程設(shè)備1015掘進(jìn)設(shè)備915掘進(jìn)設(shè)備510廢土處理716廢土處理10左右掘進(jìn)勞務(wù)費(fèi)511掘進(jìn)勞務(wù)費(fèi)5左右豎井建造718豎井建造510進(jìn)出洞防護(hù)410進(jìn)出洞防護(hù)35其它48其它10以內(nèi)2標(biāo)段區(qū)間段地鐵線路處于人民北路和人民中路上由北向南，沿人民北

5、路南部和人 民中路敷設(shè)，線路全長左線 2390.316m,右線2407.774m。共三個區(qū)間，即人民北路 站文武路站區(qū)間里程范圍為Y(Z)CK5+664.400Y(Z) CK6+796.600 ,左線長約1137m右線長約1132m文武路站騾馬市站區(qū)間里程范圍為 Y(Z)CK7+254.900 Y(Z) CK7+704.640,左線長約442m右線長約450m;騾馬市站天府廣場站區(qū)間里 程范圍為丫(Z)CK7+887.390丫(Z) CK8+696.224,左線約長811m 右線長約826m 另區(qū) 間內(nèi)還包含有盾構(gòu)始發(fā)井和附屬工程。3個聯(lián)絡(luò)通道(2個含泵房)，14個洞門見施工 概況圖1Ev j

6、. 1麹廣尉U-冷耗Mt1尸施工概況圖13. 1. 2地質(zhì)分析本標(biāo)段隧道主要穿越卵石土層，卵、礫石成分以灰?guī)r、砂巖、石英巖等為主，呈圓形亞圓形，粒徑大小不一，分選性差。卵石含量約68%粒徑以30100mm為主，初探揭示最大粒徑180mm根據(jù)試驗段探井和天府廣場基坑揭示最大粒徑達(dá)530550mm圓礫含量約10%，兼夾漂石，漂石最大粒徑270mm卵石硬，最大強(qiáng)度可達(dá)200MP卵、 礫石以中等風(fēng)化為主。充填物主要為中細(xì)砂及少量粘性土。卵石土層頂板埋深8.222.0m。下圖為成都砂卵地層資料照片。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)地層照片13. 1. 3水文條件地下水主要有兩種類型：一是松散土層孔隙水，二是基巖裂隙水。第四系

7、孔隙水： 主要賦存于全新統(tǒng)（Q4、上更新統(tǒng)（Q3）和中更新統(tǒng)（Q2的砂、卵石土中，三層砂 卵石層含水極其豐富，形成一個整體含水層，含水層總厚度約26.331.7m，為孔隙潛水，局部由于地形和上覆粘性土層控制，具微承壓性。為強(qiáng)透水層，隧道基本位于該層 砂、卵石土中，受地下水影響較大。上部的粘性土層為弱透水層，地下水含量甚微，對 工程影響較小。根據(jù)試驗資料可知，卵石土綜合含水層滲透系數(shù)K為12.5327.4 m/d，平均值為16.32 m/d，為強(qiáng)透水層。地下車站主體結(jié)構(gòu)和地下區(qū)間隧道基本位于該層砂、卵石土 中，受地下水影響較大。3. 1. 4盾構(gòu)施工困難分析（1、大漂石、孤石難以破碎，需開倉處理

8、；（2、遇到富含水地層，易形成噴涌；第3頁共10頁成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)施工2標(biāo)盾構(gòu)施工成本分析與控制(3) 地層極具透水性，同步注漿漿液易流失，易造成地表塌陷；(4) 掌子面不穩(wěn)定，換刀作業(yè)困難。成都這種卵石含量高、高富水條件用于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在世界范圍內(nèi)還是首次，盾 構(gòu)施工的成本控制難度要大得多，無論在盾構(gòu)機(jī)選型上、渣土改良方面、地表沉降控制、 換刀作業(yè)方面都提出了一個新的課題， 這就需要我們想出一切好辦法即要降低盾構(gòu)機(jī)的 各種消耗材料，又要提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度，從而降低盾構(gòu)施工成本。3. 2合理的盾構(gòu)機(jī)選型盾構(gòu)機(jī)的選型主要包括：盾構(gòu)類型的選擇，如泥水式還是土壓式；盾構(gòu)機(jī)具體結(jié)構(gòu) 的選

9、擇，如刀盤型式、刀具配置、開口位置及開口率、推進(jìn)千斤頂行程等。盾構(gòu)機(jī)的選 型不僅直接關(guān)系到設(shè)備的購置費(fèi)，更與造價的合理性有關(guān)。不合理的選型，一方面會因 為設(shè)備的預(yù)留儲備過多，設(shè)備的利用率低，從而造成設(shè)備購置費(fèi)用占整個工程造價的比 重過高，形成不必要的浪費(fèi)；另一方面，如果所選盾構(gòu)不具有很好的地層適應(yīng)性，不僅 會造成高能耗低產(chǎn)出，而且會造成工期的延遲，從而最終導(dǎo)致工程造價的劇增。因此， 合理而科學(xué)的盾構(gòu)選型應(yīng)結(jié)合擬建隧道的功能、總長度、埋深、地質(zhì)條件，沿線地面建 筑物、地下構(gòu)筑物和管線等環(huán)境條件，以及對地表變形的控制要求等做綜合的分析后決 定，從而使得所選盾構(gòu)產(chǎn)生最大的費(fèi)效比。針對成都特殊的地質(zhì)條

10、件，中鐵十三局選用是德國海瑞克公司的加泥復(fù)合式土壓平 衡盾構(gòu)機(jī)S365 S366,此盾構(gòu)機(jī)比廣州所用的海瑞克公司土壓平衡盾構(gòu)機(jī)有了很大的改 變，主要區(qū)別見表2序號名稱成都盾構(gòu)機(jī)(S365)廣州盾構(gòu)機(jī)(S266)S365適應(yīng)性1主軸承直徑3000mm2600mm卵石土層的主軸承扭矩大，大 扭矩可以提咼盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速 度2刀具硬巖刀具配置硬巖刀具配置成都雖然是卵石土層，但卵石 的強(qiáng)度高，需硬巖刀具預(yù)以破 碎3螺旋輸送機(jī)雙螺旋輸送 機(jī)，直徑700mm單螺旋輸送機(jī)，直徑900mm對控制渣土噴涌，有一定的控 制作用，直徑小容易形成栓塞4渣土改良設(shè)備泡沫、聚合 物、膨潤土設(shè) 備泡沫、聚合物設(shè)備將所有能夠進(jìn)

11、行渣土改良設(shè)備都配備，力求找到一個合適的渣土改良方案5耐磨性刀盤、螺旋輸 送機(jī)部分焊 耐磨鋼板刀盤、螺旋輸送機(jī)表面全部焊 耐磨鋼板卵石土層對機(jī)具的磨損較大， 增加耐磨性，提高刀盤及螺旋 輸送機(jī)的壽命6超前鉆機(jī)設(shè)備配備未配備對于需要開倉換刀時用于盾體前端的地層加固7輸送渣土皮帶機(jī)角度5°12°皮帶機(jī)角度變小，減少渣土掉落的可能性，減少清理渣土的時間表2 S365和S266的區(qū)別總之，S365針對成都地質(zhì)條件比以往的海瑞克盾構(gòu)機(jī)有了較大的改變，尤其在刀盤上采取硬巖刀具配置，并全部位置加焊耐磨鋼板，刮刀采用寬250mm勺大刮刀（如圖2），可以提高刀盤及圖2 S365盾構(gòu)機(jī)刀盤第9

12、頁共10頁刀具的耐磨性，減少開倉換刀的次數(shù)。螺旋輸送機(jī)采用雙螺旋輸送機(jī)（如圖 3）,并全部 加焊耐磨鋼板，在第二節(jié)螺旋輸送下部可以排水，有效防止噴涌的發(fā)生，并提高耐磨性。 此種螺旋輸送機(jī)型式在新加坡的盾構(gòu)施工中得到了很好的驗證。此種盾構(gòu)機(jī)的選型對成都地質(zhì)條件下大卵石的破碎、刀盤和螺旋輸送機(jī)的耐磨性以及防止噴涌等方面都有很好的作用。當(dāng)然由于盾構(gòu)機(jī)成本的限制，盾構(gòu)機(jī)上有些有利于 成都地質(zhì)的設(shè)備未全部購置。如超聲波超前探測設(shè)備，可以有效地探測到掌子面前方大 卵石的數(shù)量與直徑?，F(xiàn)正在科隆施圖3雙螺旋輸送機(jī)工的海瑞克生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)刀盤在掘進(jìn)時始終是前盾的里面（如圖4），可以有效地控制上方土體的沉降，降低由

13、于盾構(gòu)機(jī)上方土體沉降導(dǎo)致的成本增加。圖4科隆盾構(gòu)機(jī)圖3. 3渣土改良試驗成都卵石含量高、高富水的地質(zhì)條件要求盾構(gòu)機(jī)的渣土改良方案必須可行，同時添加劑的成本要控制為最合理狀態(tài)。這就需要在盾構(gòu)始發(fā)階段進(jìn)行大量的渣土改良試驗， 以達(dá)到盾構(gòu)機(jī)的渣土具有比較好的流動性、塑性和極低的水滲透性，才能保證螺旋輸送 機(jī)出渣的順暢，有效控制地表的沉降，提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度，從而降低盾構(gòu)施工成本。我們?nèi)〉贸啥级軜?gòu)掘進(jìn)的渣土請三家有實力的公司（法國康達(dá)特公司、德國麥斯特 公司進(jìn)行了渣土改良試驗，渣土改良理論上是可行的，渣土改良主要針對 S365盾構(gòu)機(jī) 配備的渣土改良設(shè)備進(jìn)行。主要試驗結(jié)果如下：法國康達(dá)特公司將渣土中的

14、卵石去除后加入飽合水（如圖 5）做的試驗，根據(jù)經(jīng)驗 所加的添加劑是該公司的特殊泡沫劑 CLB F4/TM和聚合物TFA34（如圖6），加入適量 攪拌后渣土的流動性、塑性都很好，水滲透性從7.49 x 10-4m/S降低到8.99 x 10-4m/S， 水滲透性極低，可以有效地控制螺圖5原始土樣圖6渣土改良后旋輸送機(jī)的噴涌，經(jīng)過試驗添加劑需用量為泡沫劑CLB F4/TM 0.6L/m3和TFA341.5L/m3。德國麥斯特公司在瑞士針對成都渣土進(jìn)行了試驗，由于攪拌器的原因?qū)⒋笥?2mm的卵石去除后，加入飽合水（如圖 7）添加該公司生產(chǎn)的泡沫劑 MEYCO Fix SLF 30聚 合物MEYCO

15、Fix SLF P2和中國的鈉基膨潤土漿液（如圖 8），渣土的流動性、塑性都很 好，水滲透性降低，可以達(dá)到順利出渣的目的。經(jīng)過試驗添加劑需用量為泡沫劑MEYCOFix SLF 300.6L/m3,聚合物 MEYCO Fix SLF P2 0.28L/m3,膨潤土 4kg/m3。圖7原始土樣圖8渣土改良后根據(jù)渣土改良試驗結(jié)果可以看出，成都地質(zhì)條件下聚合物是必不可少的一種添加 劑，它不僅可以降低水的滲透性，還可以提高渣土的塑性。盾構(gòu)施工中保證盾構(gòu)機(jī)正常 掘進(jìn)的條件下，可以適量減少添加劑的數(shù)量，以降低成本。在泡沫劑、聚合物和膨潤土 之間找出一個好的添加方案，即能保證盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，又能降低添加劑成本。

16、3. 4 刀具的成本控制在盾構(gòu)施工中，刀具的消耗始終是一個最大的成本消耗，也是一個不確定的成本消 耗。有許多難以預(yù)測的成本消耗如盾構(gòu)機(jī)被困、必須帶壓換刀等都是由于刀具的不及時 更換造成的。刀具的消耗與以下幾方面有關(guān)：1、盾構(gòu)機(jī)的刀盤的型式和刀具的布置是否與掘進(jìn)的地質(zhì)相適應(yīng)；2、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時注入泡沫、膨潤土的數(shù)量和質(zhì)量；3、盾構(gòu)機(jī)司機(jī)的操作水平；4、刀具是否能夠及時更換。在成都地質(zhì)條件下盾構(gòu)機(jī)刀盤的型式已經(jīng)確定，無法進(jìn)行更改，主要要找出一個 比較理想的刀具布置方案，才能將大卵石破碎。根據(jù)掘進(jìn)情況考慮是否將周邊單刃滾刀 布置成雙刃滾刀。同時盾構(gòu)機(jī)司機(jī)的操作技術(shù)對刀具的磨損也起著決定性的作用，在成

17、都地質(zhì)條件下應(yīng)該將刀盤的旋轉(zhuǎn)速度控制為 0.5-1轉(zhuǎn)/分鐘，推進(jìn)速度控制為 30-50mm/min,時刻觀察刀盤前方的聲音，以判斷在刀盤前方是否有難以破碎的大卵石 存在。當(dāng)有大卵石長時間存在時要開倉進(jìn)行人工破碎。單刃和中心雙刃滾刀的及時更換，可以只更換刀圈，刀轂可再次利用，降低刀具 的成本。另一降低刀具消耗成本的方法是要將寬刮刀和周邊刮刀修理后再次使用盾構(gòu)施工中刀具的及時更換是非常必要的。如果在掘進(jìn)過程中由于某種原因刀具 未能及時更換，會造成刀具的深度磨損，刀轂無法再次利用。由于刀具的超磨損造成盾 構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度降低，添加劑相應(yīng)會有所增加，同時電能的消耗也會相應(yīng)增加。如果在無 法推進(jìn)時還不能常壓

18、換刀的地質(zhì)條件下不得不采用帶壓換刀或地層加固等措施，會加大盾構(gòu)的施工成本，降低效益，有可能會造成無法掘進(jìn)的后果。因此，在成都地質(zhì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中，要預(yù)選考慮盾構(gòu)機(jī)的換刀位置和換刀的方法。1、要盡可能在始發(fā)井、到達(dá)站內(nèi)刀具全部更新；2、考慮在預(yù)定位置降水條件下常壓進(jìn)行換刀；3、盡量減少換刀的次數(shù)，同時提高換刀的效率，以減少換刀中的危險；4、在常壓換刀無法進(jìn)行情況下，帶壓換刀要有充足的準(zhǔn)備，以降低換刀時的 風(fēng)險。3. 5其它消耗性材料成本控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中有許多消耗及損耗性的材料，需要管理人員對材料的多余損耗進(jìn)行控 制，降低損耗，同時將消耗性產(chǎn)品找出最適合于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的量，做到盾構(gòu)機(jī)即能 順利掘進(jìn)，

19、又能減少消耗，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：、扣板、螺栓、鋼枕拉桿等材料采取逐級點(diǎn)驗，從物資部出庫開始，經(jīng)地面工 班長、始發(fā)井下隨車員、隧道內(nèi)施工人員、隧道內(nèi)兩工班交接人員都要進(jìn)行材料名稱和 數(shù)量的交接，以達(dá)到損耗最小之目的；、盾尾脂、HBW脂、潤滑脂根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)技術(shù)和不同的廠家材料性能決定 不同的注入數(shù)量和速率，如麥斯的盾尾脂注脂壓力控制在20bar，康達(dá)特的盾尾脂注脂壓力控制在25bar等，并且要控制好盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)、選擇好管片類型、各系統(tǒng)出現(xiàn) 故障及時處理，防止盾尾間隙不好漏漿等，以減少非正常的材料消耗；、各種消耗產(chǎn)品要使用干凈，如盾尾脂、HBV脂、潤滑脂等氣動泵難以泵出部分要清理干凈，移到另一待泵桶中，以減少損耗