地鐵盾構(gòu)區(qū)間過硬巖段造價分析

石 劉，李廣濤

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

我國城市軌道交通正在快速發(fā)展，建設力度正在不斷加大。軌道交通的區(qū)間工程造價占工程總投資第一部分工程費用的25%左右。因此，區(qū)間造價的合理編制對于有效控制地鐵工程總投資有著較深遠的影響。對于地下區(qū)間，大多采用盾構(gòu)掘進法施工，盾構(gòu)區(qū)間不僅需要穿越常見的軟弱地層，有時還要穿越部分硬巖地段［1］。

在地鐵盾構(gòu)區(qū)間造價編制及相關(guān)定額方面:蔣洪軍［2］分析了各城市地鐵盾構(gòu)區(qū)間造價控制情況，并對南京、廣州、西安、天津、武漢等城市及全統(tǒng)市政定額中關(guān)于盾構(gòu)掘進的單價進行分析對比;龔彬［3］以廣州軌道交通二、八號線盾構(gòu)4標為例，詳細分析了盾構(gòu)穿越硬巖段時刀盤的配置及換刀情況。

目前，各城市編制并推出的地鐵定額，或者當?shù)噩F(xiàn)行的市政定額，包括建設部發(fā)布的GCG 103—2008《城市軌道交通工程預算定額》［4］都沒有專門的盾構(gòu)過硬巖段的掘進條目。本文結(jié)合各地硬巖段掘進的工程經(jīng)驗及相關(guān)數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)過硬巖的造價編制進行分析探討，為以后更好地編制盾構(gòu)隧道工程造價提供參考。

1 在硬巖段掘進施工的重難點

目前，國內(nèi)地鐵工程地下區(qū)間掘進大都采用土壓平衡式盾構(gòu)，對于軟土及單軸抗壓強度小于80 MPa的巖石地層施工是完全適應的。但是，對于單軸抗壓強度大于100 MPa的硬巖地層(洞身斷面主要是微風化和中風化巖石，巖石強度高，有很好的自穩(wěn)能力)，施工難度卻很大［5］。施工的重難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)刀具刀盤磨損嚴重;2)盾構(gòu)卡殼;3)推進速度緩慢。

1.1 刀具刀盤磨損嚴重

盾構(gòu)掘進硬巖段造成盾構(gòu)刀具刀盤磨損的主要原因有:

1)圍巖強度高，刀具的抗沖擊、耐磨性無法滿足要求。

2)刀具配置不合理，刀具布置數(shù)量較少，刀間距太大。

3)更換刀具后沒有及時清理殘留在土倉內(nèi)掉落的刮刀，對刀具造成嚴重損傷。

4)刮刀作為輔助刀具，在滾刀沒有及時更換的情況下全部失效。

5)更換滾刀后，在刮刀沒有更換的情況下繼續(xù)推進，使得滾刀磨損嚴重。

6)刀箱變形導致滾刀高度變化，造成異常損壞。

7)在掘進過程中，沒有及時檢查更換刀具［3］。往往是由于一個或多個滾刀磨損超限而沒有及時更換，其破巖能力相對減小，并導致其余滾刀的破巖壓力相對增加，而產(chǎn)生較嚴重的磨損直至破壞，最終導致整盤滾刀甚至刀盤的磨損。

因此，在條件允許的情況下，在盾構(gòu)掘進硬巖段時，需要定期或者在掘進過程中發(fā)現(xiàn)異常情況時，不定期地開倉檢查刀具、刀箱等。盡量采用適合施工地段地層情況的刀具，比如:重型滾刀、鑲高強度合金的滾刀、齒輪刀等。

1.2 盾構(gòu)卡殼

掘進過程中，當邊緣滾刀及擴挖刀磨損嚴重且更換不及時，導致盾構(gòu)開挖直徑縮小，無法滿足盾體通過要求時，引起盾構(gòu)被圍巖卡死，發(fā)生卡殼事故，從而限制了盾構(gòu)的推進，嚴重影響工程進度，并且停機處理將增加工程投資。

1.3 推進速度緩慢

導致施工進度緩慢的主要原因有:1)開挖面巖層硬度太高，刀具破巖能力低，盾構(gòu)掘進緩慢;2)頻繁地開倉檢查刀具，停機檢查時需要根據(jù)周邊情況采取加固等措施;3)盾構(gòu)卡殼時需要采用鉆爆法清除盾體周邊圍巖使其脫困;4)施工過程中也常常會遇到管片錯臺、管片滲漏水、管片上浮、管片破損等情況，需要針對具體問題進行處理。

2 盾構(gòu)過硬巖段施工方法

盾構(gòu)在過硬巖段區(qū)間時，通常采用的施工方法有: 1)盾構(gòu)直接掘進通過;2)對巖層進行爆破+盾構(gòu)掘進;3)礦山法開挖初期支護+盾構(gòu)空推拼裝管片;4)礦山法開挖初期支護并二次襯砌+盾構(gòu)空推。

2.1 盾構(gòu)直接掘進通過

盾構(gòu)穿越硬巖地段，刀具磨損嚴重，換刀頻率大，施工難度大。盾構(gòu)施工過程中通常采用敞開式掘進模式，設定合理的掘進參數(shù)和同步注漿參數(shù)，配置適應于硬巖掘進的刀具和使用泡沫劑改良渣土等措施，以解決長距離硬巖掘進遇到的問題。如深圳地鐵5號線布百區(qū)間，硬巖地層單軸抗壓強度超過100 MPa的地層達1 600 m多。盾構(gòu)區(qū)間施工時，采用壓重車的輔助方案減少了管片上浮;在曲線段，通過調(diào)整掘進參數(shù)，減少隧道軸線偏移量，從而減少管片錯臺現(xiàn)象的發(fā)生，及時進行二次注漿，進一步減少地層沉降等一系列輔助措施，使得盾構(gòu)安全順利地通過了硬巖段。

2.2 對巖層進行爆破+盾構(gòu)掘進

盾構(gòu)在硬巖突起的上軟下硬地層或者全斷面硬巖中掘進時，面臨換刀及帶壓進倉的風險，且不能或無條件采用暗挖法施工，工程也不具備明挖條件，或者工期不允許等情況。若采用爆破法預處理硬巖，不但可保證盾構(gòu)掘進要求，而且對周邊建筑物及管線影響較小，具有施工工期短、處理效果好、費用相對較低等特點。如深圳地鐵1號線續(xù)建工程西固區(qū)間，局部位置硬巖單軸抗壓強度達140 MPa，區(qū)間上部地層為砂層及填石層，下部為硬巖，為典型的上軟下硬地層。經(jīng)方案比選后，采用預爆破法對硬巖進行處理。主要施工工藝為:根據(jù)勘察資料確定鉆孔范圍;根據(jù)爆破設計布置鉆孔φ110，并裝藥實施爆破;通過監(jiān)測控制爆破震速，適當調(diào)整爆破參數(shù);爆破范圍進行注漿加固;最后進行地面硬化、封閉清理。硬巖段預爆破后，盾構(gòu)掘進速度明顯提高，對周邊建筑物基本無影響。

2.3 礦山法開挖初期支護+盾構(gòu)空推拼裝管片

當硬巖段達到一定長度、工期要求比較緊張時，通常在盾構(gòu)到達硬巖插入段前，先采取礦山法開挖并進行初期支護，隧道底部施作弧形鋼筋混凝土導向平臺，盾構(gòu)空載推進拼裝管片通過，管片背后與初期支護間的空隙利用吹米石與注漿結(jié)合進行回填［5］。該工法在鑿除硬巖時，為防止盾構(gòu)被卡，一般爆破硬巖時超挖較大。同時，在空推拼管片條件下，盾構(gòu)依靠盾體與導臺的摩擦力壓緊管片，刀盤不具備土壓平衡的條件。當摩擦力有限時，管片環(huán)縫擠得不緊、形狀不圓，管片自身的防水效果差，所噴射的豆礫石無法填滿管片與初期支護之間的空隙，同步注漿和后期管片壁后注漿很難完全填實所留下的空隙，不能在初期支護與管片之間形成有效的隔水層，導致空推后經(jīng)常出現(xiàn)漏水。此工法應用實例較多，如廣州三號線北延段廣燕區(qū)間、深圳地鐵2號線東延線僑香區(qū)間等。由于空推長度較大，施工完成漏水情況較為嚴重，均采用注漿堵漏，因此多次反復處理費用高。

2.4 礦山法開挖初期支護并二次襯砌+盾構(gòu)空推

當區(qū)間長度較大需要設置中間風井，由于通風需要設置加寬段，并且該位置地質(zhì)情況較好、地面施工中間風井困難時，可考慮采用礦山法開挖初期支護并二次襯砌+盾構(gòu)空推的方式施工。風機房處區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)斷面按通風要求需要加大，其斷面凈空面積為正常盾構(gòu)區(qū)間斷面的1.8倍。一般中間風機房明挖圍護結(jié)構(gòu)施作完成后，再對硬巖段進行礦山法施工，盾構(gòu)空載通過、二次始發(fā)掘進，最后進行風機房主體結(jié)構(gòu)施工，風機房擴大段斷面的凈空要滿足盾構(gòu)通過的要求，該工法僅適用于短距離斷面增大范圍的隧道。由于該種隧道初期支護開挖面積大，還需要施工二次襯砌結(jié)構(gòu)，因此造價較高，對于長距離隧道并不適用。廣州地鐵三號線大漢區(qū)間及四號線大學城專線小新區(qū)間通過中間風井段均采用該工法。

3 行業(yè)及各省市盾構(gòu)掘進定額現(xiàn)狀

目前，全國各省市已陸續(xù)編制頒發(fā)了專門的地鐵定額。如廣州地鐵盾構(gòu)隧道造價編制采用穗建筑［2001］444號文頒發(fā)的《2001年廣州地鐵工程主要項目綜合成本指導價》［6］(以下簡稱《廣州地鐵定額》;深圳采用深建字［2012］31號文發(fā)布的《深圳市城市軌道交通工程消耗量定額(2011)》［7］(以下簡稱《深圳地鐵定額》);南京采用蘇建價［2005］114號文頒發(fā)的《南京地鐵工程計價表》，以及杭州、長沙、武漢等城市均采用當?shù)氐氖姓~隧道分冊作為編制盾構(gòu)法地鐵隧道造價的依據(jù)［2］。個別沒有頒發(fā)專門地鐵定額的省市如四川、廣西、福建、河北、重慶與天津等地，在編制地鐵區(qū)間工程概預算時，一般采用當?shù)厥姓~或建標［2008］193號文發(fā)布的《城市軌道交通工程預算定額》(以下簡稱《全國地鐵定額》)。

以上介紹的各現(xiàn)行定額中，關(guān)于土壓平衡式盾構(gòu)掘進的條目，都沒有對巖土類別進行區(qū)別考慮。廣州、深圳等地盾構(gòu)掘進時常遇到硬巖段，以廣州、深圳地區(qū)為例，對盾構(gòu)隧道掘進定額現(xiàn)狀進行介紹。

《廣州地鐵定額》指導價已綜合考慮了盾構(gòu)掘進在穿越不同巖土層時的情況;《深圳地鐵定額》對于盾構(gòu)掘進時穿越的巖土層情況沒有進行詳細說明。但是，《深圳地鐵定額》中掘進的消耗量與《全國地鐵定額》基本一致，可以參考《全國地鐵定額》中的說明。盾構(gòu)通過復雜地層，如抗壓強度＞80 MPa的硬巖地層、球狀風化體的花崗巖地層與溶洞地層等，推進耗電量及盾構(gòu)臺班消耗量可調(diào)整［4］。由此可推斷《深圳地鐵定額》中盾構(gòu)掘進定額只是考慮了通過普通軟土地層時的情況。

按照廣州、深圳地鐵定額的消耗量及當?shù)啬壳皟r格計算，正常段掘進的工料機綜合單價大約為:廣州 17 600元/m，深圳 15 200元/m，相差大約2 400元/m。

通過以上分析，盾構(gòu)掘進通過普通軟土層時，定額消耗量參照《深圳地鐵定額》比較合適;而通過硬巖段時，建議在此基礎(chǔ)上進行調(diào)整。

4 盾構(gòu)掘進硬巖段造價分析

以上介紹了關(guān)于盾構(gòu)掘進硬巖段時經(jīng)常遇到的施工難點及采用的應對措施，還有目前盾構(gòu)掘進定額現(xiàn)狀。可以看出，《廣州地鐵定額》綜合考慮了各種巖土層情況，而《深圳地鐵定額》卻沒有確切的文字說明。那么，造價編制人員對于較長距離的硬巖段掘進的單價就不好把握。現(xiàn)筆者對目前遇到的硬巖段掘進的造價編制進行分析，以供同行參考。

4.1 盾構(gòu)直接掘進通過

盾構(gòu)直接掘進通過硬巖段時，編制概預算需考慮的主要因素是刀具的更換情況。以廣州軌道交通二、八號線盾構(gòu)4標為例，在掘進左線第476—565環(huán)，共135 m硬巖段時，共更換了7把雙刃滾刀、76把單刃滾刀。由于在掘進左線后總結(jié)了一些施工經(jīng)驗，所以在掘進右線第455—588環(huán)，共201 m硬巖段時，換刀頻率明顯減小，總共更換了4把雙刃滾刀、82把單刃滾刀。根據(jù)調(diào)查一些國產(chǎn)及進口刀具的價格，對廣州軌道交通二、八號線盾構(gòu)4標掘進336 m硬巖段更換刀具的費用進行統(tǒng)計，如表1所示。

表1 盾構(gòu)直接掘進時刀具費用分析表Table 1 Analysis on cost of cutting tools of shield machine when boring directly across hard rock

由表1可看出，硬巖段掘進時平均換刀費用約為3.27萬元/m。目前，深圳地區(qū)普通盾構(gòu)區(qū)間(包含盾構(gòu)出渣、同步二次壓漿、管片拼裝等全部費用)技術(shù)經(jīng)濟指標在4.8萬元/m左右，在此基礎(chǔ)上加上硬巖段換刀費用，則盾構(gòu)直接掘進通過硬巖段的經(jīng)濟指標大約為8.07萬元/單線延米。

4.2 對巖層進行爆破+盾構(gòu)掘進

當預先對巖層進行爆破再掘進時，需要另行考慮鉆孔爆破、爆破范圍注漿加固及換刀的費用。廣州地鐵智慧城—神舟路盾構(gòu)區(qū)間，全長約2.94 km，其中有1 500單延米左右的硬巖段，大部分采用礦山法開挖初期支護+盾構(gòu)空推拼裝管片的方案，有340 m硬巖段采用先爆破后掘進的工法，爆破鉆孔間距按1.0 m×1.0 m布設。該硬巖段爆破主要工程量如表2所示。

表2 廣州某地下區(qū)間硬巖段爆破主要工程量Table 2 Quantity of main blasting works of a shield-bored hard rock tunnel section in Guangzhou

對于鉆孔費用，根據(jù)《廣州地鐵定額》，鉆孔φ80無法滿足鉆孔φ110的價格水平。由于《廣州地鐵定額》無鉆孔φ110的定額調(diào)整說明，參考深建價［2011］50號文《關(guān)于發(fā)布調(diào)整錨桿土釘子目的通知》，當鉆孔直徑在100～130 mm時，按子目綜合價格乘系數(shù)1.2計算，并根據(jù)設計的每米水泥漿封孔數(shù)量調(diào)整定額里水泥、中砂、碎石及水的消耗量。對于爆破費用，則可參考《廣東市政定額》D1—1—86。因前面已單獨計列了鉆孔費用，故將該定額里關(guān)于鉆孔的消耗調(diào)為零，并根據(jù)設計調(diào)整乳化炸藥、非電雷管等含量。

按照以上工程數(shù)量及相關(guān)定額，經(jīng)測算，該硬巖段爆破費用約480萬元，除以硬巖長度340 m，每米爆破費用約為1.41萬元，盾構(gòu)換刀費用如表3所示。

由表3可知，對硬巖進行爆破+盾構(gòu)掘進時，每米的換刀費用平均大約1.44萬元。爆破及換刀費用加上普通盾構(gòu)區(qū)間的技術(shù)經(jīng)濟指標4.8萬元/m，硬巖段采用爆破+盾構(gòu)掘進的經(jīng)濟指標大約為7.65萬元/單線延米。

表3 爆破后盾構(gòu)機再掘進時刀具費用分析表Table 3 Analysis on cost of cutting tools of shield machine when boring in blasted hard rock

4.3 礦山法開挖初期支護+盾構(gòu)空推拼裝管片

當采用礦山法開挖初期支護+盾構(gòu)管片拼裝時，廣州及深圳地鐵定額都有可套用的相應定額條目，需要注意的是盾構(gòu)空推的單價。《廣州地鐵定額》對于盾構(gòu)空推無相關(guān)說明，而《深圳地鐵定額》明確:盾構(gòu)機空推管片、人工工日、推進耗電量及盾構(gòu)機臺班消耗量按正常段的消耗量乘系數(shù)0.65進行調(diào)整。經(jīng)調(diào)整測算，盾構(gòu)空推費用在1.1萬元/單線延米左右。

廣州等盾構(gòu)區(qū)間硬巖段長687 m［8］。經(jīng)測算，礦山法開挖初期支護(含混凝土導向平臺)每米單價約4.33萬元，管片制作及拼裝(含同步注漿及管片背后豆礫石回填)每米單價約2.0萬元［9］，另外還需要加上臨時施工豎井及施工橫通道費用，大約為460萬元，分攤到每米的指標約0.67萬元。則盾構(gòu)過硬巖段采用礦山法開挖初期支護+盾構(gòu)空推拼裝管片的經(jīng)濟指標大約為8.1萬元/單線延米。

4.4 礦山法開挖初期支護并二次襯砌+盾構(gòu)空推

暗挖施工的中間風井在遇到硬巖的情況下，一般采用礦山法開挖初期支護并二次襯砌施工隧道擴大斷面，再由盾構(gòu)空推通過。該工法需對豎井先進行礦山法施工，再由豎井內(nèi)通過橫通道到達擴大斷面位置后，施工礦山法段。經(jīng)測算，該種擴大斷面的礦山法開挖初期支護并二次襯砌的每米單價約11萬元。另外，同樣還需要加上臨時施工豎井、施工橫通道(大約為460萬元，擴大段長度按風井長度，一般為30 m左右，則豎井及橫通道分攤到每米的指標約15萬元)及盾構(gòu)空推的費用，則盾構(gòu)過硬巖段的經(jīng)濟指標大約為27.1萬元/單線延米。

4種施工方案的技術(shù)經(jīng)濟對比如表4所示。

表4 盾構(gòu)過硬巖段的施工方案技術(shù)經(jīng)濟對比表Table 4 Technical and economical comparison and contrast among different shield tunneling methods in hard rock section

5 結(jié)論

通過對4種工法的技術(shù)經(jīng)濟對比分析，從工程單線延米指標看，盾構(gòu)過硬巖段采用巖層進行爆破+盾構(gòu)掘進的方案費用較低。但是施工工法選取是否合理，與地質(zhì)條件、工期、施工機械及地面建筑物等情況有關(guān)，需要結(jié)合工程實際具體分析。

當工期不緊張、硬巖段長度較短，且?guī)r石強度又不是很高時，采用盾構(gòu)直接掘進，不用頻繁換刀，可以降低造價;當硬巖段長度較長、工期要求緊張且地面情況允許時，采用礦山法開挖初期支護+盾構(gòu)空推拼裝管片的方案較為合理，施工豎井及施工橫通道分攤到每延米的費用相對較低。

［1］ 彭勇.某工程盾構(gòu)滾刀在硬巖地層中的使用情況分析［J］.廣州建筑，2011，39(3):12－15.(PENG Yong.Shield hob’s service condition analyzes in hard rocky ground level of some project［J］.Guangzhou Architecture，2011，39 (3):12－15.(in Chinese))

［2］ 蔣洪軍.各城市地鐵盾構(gòu)造價編制及定額淺析［J］.隧道建設，2007，27(6):105－107.(JIANG Hongjun.Cost budgeting and quota analysis for shield tunneling works in different cities in China［J］.Tunnel Construction，2007，27 (6):105－107.(in Chinese))

［3］ 龔彬.盾構(gòu)穿越硬巖的刀盤配置與換刀技術(shù)［R］.長沙:中鐵五局城通分公司，2011.

［4］ 住房和城鄉(xiāng)建設部標準定額研究所.GCG 103—2008城市軌道交通工程預算定額［S］.北京:中國計劃出版社，2008.

［5］ 楊書江.硬巖地鐵隧道鉆爆法開挖結(jié)合盾構(gòu)法襯砌的施工技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2006，9(2):42－46.(YANG Shujiang.Drill and blast method of tunnel excavation on hard rock［J］.Urban Mass Transit，2006，9(2):42－46.(in Chinese))

［6］ 廣州市建設委員會.穗建筑［2001］444號廣州地鐵工程主要項目綜合成本指導價［S］.廣州:廣州市建設工程造價管理站，2001.

［7］ 深圳市住房和建設局.深建字［2012］31號深圳市城市軌道交通工程消耗量定額［S］.深圳，2012.

［8］ 章新華.地鐵盾構(gòu)過硬巖施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2011，51(8):61－63.

［9］ 李錦富，羅忠.盾構(gòu)空推拼管片過礦山法隧道滲漏水控制［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(2):71－75.(LI Jinfu，LUO Zhong.Water leakage control of segment lining in a mined tunnel section［J］.Modern Tunnelling Technology，2012，49(2):71－75.(in Chinese))