風險源密集區泥水平衡盾構掘進方案可行性研究

摘要：在城市軌道交通建設中，工程項目受地表建筑物的影響越來越多。本文章結合北京地鐵8號線王府井站～前門站區間盾構方案變更的實例，詳細闡述了在風險源密集區土壓平衡盾構機與泥水平衡盾構機在風險控制、制約條件、安全性、工期、費用等方面的優劣勢，具體分析了方案變更前后兩者工程造價的變化，對于后續類似工程具有非常重要的參考價值。

關鍵詞：風險源密集區;泥水平衡盾構;可行性

1.工程概況

1.1工程設計概況

本工程為北京地鐵8號線王府井站～前門站區間盾構施工，區間為標準單線單洞隧道，共計長3284.00米，線路出8號線王府井站后，以礦山法隧道下穿1號線王府井站后，再以盾構法區間沿臺基廠大街南行，至東交民巷路口向西折向前門東大街，下穿北京市密碼管理局一棟3層房屋及首都大酒店B棟一角后，沿前門東大街，于地鐵2號線區間及國鐵直徑線的北側并行敷設向西行進，再由前門東大街轉入前門大街時，依次斜下穿2號線區間及國鐵直徑線，接著下穿規劃展覽館及蓋板河后進入前門站，與地鐵2號線前門站換乘。

區間上方多為繁忙的現狀道路，地下市政管線密集，沿線建、構筑物及古文物較多，如圖1.1-1所示。

1.1-1王前區間平面圖

1.2 工程水文地質條件

1.2.1工程地質條件

本工程涉及的控制性勘探孔最大深度為69.00m。按照地層沉積年代、成因類型、地層巖性及其物理力學性質對地層進行劃分，根據本區間擬建場地地層分布情況，共劃分為11個大層。由于勘察未揭露到新近沉積層，報告中的第二大層新近沉積層缺失，在報告中的地層序號不連續，體各土層巖性及分布特征簡述如下：（1）人工堆積層：受管道滲漏等形成上層滯水的影響，該層土極易坍塌;（2）新近沉積層：勘察未揭露到新近沉積土層，本報告中的第二大層新近沉積層缺失;（3）第四紀沉積層：包含黏質粉土、砂質粉土、卵石、圓礫、砂質粉土粉質黏土等。隧道區間主要為卵石、卵石和砂土復合地層，不同地層所占區間長度百分比如圖1.2-1所示。

1.2-1 隧道區間不同地層所占區間長度百分比

1.2.2工程水文條件

區間共勘測到4層含水層，包含上層滯水、層間水、潛水、承壓水。各層地下水水位情況及類型參見表1。

2.工程重難點

2.1區間盾構始發與接受是本工程的重難點

盾構施工過程中的始發與接收涉及盾構機刀盤的進洞與出洞，容易引起地表沉降和涌水、突泥，如果加固效果不能達到設計要求，可能會造成始發和接收的失敗，因此端頭加固是本工程的重點。應根據各始發端頭和接收端頭的工程地質、水文地質、地面建構筑物及管線狀況和端頭結構等綜合分析與評價，對洞門端頭地層采用深孔注漿方式進行加固處理。

2.2下穿多處區間風險源是本工程的重難點

本區間存在特級風險源2處，一級風險源9處，二級風險源10處，三級風險源7處。盾構區間在下穿區間風險源是本工程的重難點。

針對區間特級風險源編制下穿區間特級風險源專項安全施工方案及應急預案，并通過專家論證。盾構施工時按照下穿區間特級風險源專項安全方案施工，并結合區間試驗段優化施工參數，保證順利通過區間特級風險。同時編制區間下穿區間按一級風險源專項安全施工方案指導盾構施工。

2.3刀具磨損檢修更換是本工程的重難點

根據掘進參數判斷刀具磨損情況，必要時采取帶壓進倉檢修、更換刀具。編制帶壓進倉檢修、換刀專項安全施工方案。

3.工程施工方案變更必要性

3.1原招標文件中土壓平衡盾構機施工難度大

根據本工程的招標文件要求，盾構區間采用土壓平衡盾構機施工，盾構機自東側明挖場地始發，至王府井處盾構接收井接收。由于本區間隧道基本在有水卵石地層中穿過，對盾構機刀盤磨損較嚴重，招標設計中考慮在區間兩處聯絡通道采用地面降水、土體加固措施，進行刀具檢修。但是，根據已有的土壓平衡盾構機施工經驗，本區間土壓平衡盾構機施工需要解決的困難有幾點：一方面，本區間風險源多且非常重要，風險源沉降控制難度大;二方面，砂卵石地層中盾構機刀具磨損嚴重，需頻繁換刀，且隧道區間可供換刀的場地少，施工風險大等技術性難點。

3.1.1穿越風險源風險大，沉降控制難度大

根據掘進經驗，土壓平衡盾構機在渣土改良較好的情況下，沉降可以控制在10mm～15mm之間，但難度較大。本區間地處敏感地帶且連續下穿、側穿多處特、一級風險源，共計特級風險源2處，一級風險源9處，二級風險源10處，三級風險源7處，沉降要求特別嚴格。

本隧道區間從地下國鐵直徑線斜下穿，兩隧道豎向凈距3.64m，從法國兵營西側墻正下方穿過，從法國使館的東側圍墻和南側圍墻正下方穿過，距意大利使館的東側圍墻僅有10.90m。國鐵直徑線及2號線地鐵等特級風險源允許沉降控制值為3mm，允許差異沉降控制值為3mm，注漿上浮1mm。東交民巷圣米厄爾天主教堂、法國兵營舊址建筑群、法國使館舊址建筑群、意大利使館舊址建筑群等風險源允許沉降控制值為10mm，允許差異沉降控制值為5mm。北京市規劃展覽館、首都大酒店B座等風險源允許沉降控制值為15mm，允許差異沉降控制值為5mm。本段區間僅提供了建筑物控制指標及保護措施，但未明確圍墻的控制指標及保護措施，圍墻年代較為久遠，盾構下穿或側穿施工，風險更大。

3.1.2區間換刀風險大

原設計在2號聯絡通道和3號聯絡通道處換刀。聯絡通道通過地面打設降水井和地面加固，保證換刀在無水條件下進行，同時保證地層的穩定，所以采取常壓進倉換刀的方式。

然而，經現場實際調查，2號聯絡通道所處交叉路口，涉及管線包括上水、電力、通信等多家產權單位的管線。3號聯絡通道所處交叉路口，管網也很密集，包括熱力、電力、污水、雨水、通信等多家產權單位的管線。原設計方案中的兩處換刀場地，即2號聯絡通道和3號聯絡通道，經過現場調查后，場地地面條件較差，道路窄，重要管線密集，根本不具備布置全部降水井及注漿管的條件，降水和土體加固效果難以保證，因此，換刀過程中存在很大風險。其余路段或者位于建構筑下方，或者穿越風險源，不具備施工條件。

3.2方案變更后泥水平衡盾構機施工的可行性

本區間地處敏感地帶且連續下穿、側穿特、一級風險源，沉降要求嚴格，土壓平衡盾構機在本工程不適應，需進行方案變更。經專家論證后，泥水平衡盾構機在全斷面卵石層中沉降可控制在5～9mm以內，且在全斷面卵石地層中，泥水平衡盾構機施工刀具磨損較小，洞內開倉檢修刀具風險較小，地面不需采取措施。目前，場區內已滿足泥水平衡盾構施工的要求，全封閉廠棚可以有效解決泥水分離設備的噪聲污染。

3.2.1刀具磨損小，降低施工成本

因設備在液體環流系統中的摩擦較低，泥水平衡盾構機與地層接觸的設備磨損較小。膨潤土泥漿提供了很好的潤滑效果，更有利于長距離掘進，可減少刀盤各部分以及開挖倉中的磨損，不僅降低了施工風險，更節省了成本，加快了施工進度。經磨損模擬驗算，掘進平均約600m更換一次刀具。

3.2.2開倉條件改善，施工風險減低

泥水倉更好的密閉性和保護壓力平衡性，確保了施工掌子面的穩定性，大大降低了風險。因泥水平衡盾構掘進過程中一直在泥膜的保護下運轉，而且做泥膜護壁時只需走一個大泥水循環即可，泥水平衡盾構機帶壓進倉方便，無需地面加固處理，隨時滿足帶壓進倉條件，大大縮短了換刀時間。泥水平衡盾構機在長時間停機的時候，泥水環流也不斷進行，始終確保了開挖倉壓力恒定，掌子面穩定，復推時不會出現刀盤卡死，更不會出現噴涌現象。

3.2.3施工沉降小，對沿途風險源控制更具可靠性

泥水盾構機在控制沉降方面，對開挖面土層支護更為穩定，對地表沉降控制更為方便，在全斷面卵石層中沉降可控制在5～9mm以內。

3.3土壓平衡盾構機與泥水平衡盾構機方案比選

3.3.1 土壓平衡盾構機與泥水平衡盾構機綜合因素對比

施工方案變更經過專家論證后，從風險控制、施工制約條件、安全性、工期及費用等方面最終選定泥水平衡盾構機的方案，論證的結果如下表2所示：

3.3.2 泥水平衡盾構機直徑選擇

目前，市場上直徑6m泥水平衡盾構機很少，根據調查，市面上僅有7臺直徑6m的泥水平衡盾構機在施工，且都有后續項目等待施工。如果新購直徑6m泥水平衡盾構機費用高，而且購置工期長，后續暫無項目等待施工，對企業長遠發展不利。然而，企業已有2臺直徑6.2m泥水平衡盾構機分別于2018年2月初、3月初從外地項目退場，本標段盾構機計劃2018年4月進場，均可滿足工期要求，因此本標段采用6.2m直徑泥水盾構機。

由于設計方案為直徑6m的土壓平衡盾構機，對于直徑6m的泥水平衡盾構機即可滿足施工要求，因企業考慮設備購置費、后期保養及后期利用率等因素決定采用現有直徑6.2m泥水平衡盾構機，故建設單位只同意按照直徑6m泥水平衡盾構機的費用進行審核結算。

3.3.3 土壓平衡盾構機與泥水平衡盾構機變更前后費用對比

正如上述原因，實際施工采用直徑6.2m泥水平衡盾構機，建設單位按照計價原則只按照直徑6m泥水平衡盾構機的費用結算。因泥漿處理清單費用尚未確定，預估工程造價對比如下表3所示：

通過土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機技術和經濟方面比較，兩者在盾構掘進方面費用相差不大，后者較前者主要是在泥漿處理費用上較高，泥漿處理包含泥漿制作、泥水分離、泥漿外運、泥水分離設備基礎、泥漿站建設及拆除、洞內泥漿池建設等項。本區段共計3284.00米，泥漿制作預計需247328.80m3，泥水分離預計101669.83m3，泥漿外運預計101669.83m3。風險源費用不因盾構機機型變化而重新進行核算，執行原合同費用。雖然后者在工程造價方面費用要高30.67%，但是區間風險源非常特殊及重要，施工過程如發生地面沉降不可控，將會造成無法挽回的局面，屆時補救費用遠超工程造價的費用，從工程安全性方面考慮，采用泥水平衡盾構機是必要的。

結束語

泥水平衡盾構機在北京城市軌道交通建設中應用并不多，除了考慮方案的安全性、工期、質量等因素外，工程造價也是必須考慮的。我們可以通過北京8號線地鐵項目盾構方案變更的案例分析，了解到風險源密集區泥水平衡盾構機的適應性更強。工程安全、工期、質量是工程的核心保證，這些因素直接影響工程造價高低，而在對這些控制因素的選擇時，工程造價又將作為經濟指標進行可行性比選。土壓平衡盾構機與泥水平衡盾構機的分析研究，對于后續類似工程造價分析具有參考價值。

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作者簡介【秦曉帥、1989年9月18日、女、山東省棲霞市人、中級經濟師、現在主要從事成本管理工作。】

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