成都地铁一期工程盾构施工成本分析与控制

1、成都地铁1号线一期工程盾构施工2标盾构施工成本分析与控制成都地铁1号线一期工程盾构施工2标盾构施工成本分析与控制内容提要：在中国地铁隧道大都采用盾构法施工。盾构施工成本在一定程度上制约 了城市地下空间的开发和利用。本文在分析了盾构法隧道成本构成的基础上，主要从降 低盾构施工费用方面，结合成都地铁1号线一期工程盾构施工2标（人民北路站至天府 广场站盾构区间）讲述如何控制盾构施工成本。关键词：盾构施工 成本 分析 控制1、引言在现代化城市建设中，地下空间的开发利用已成为一个重要的组成部分。而盾构法 隧道，由于其先进的施工工艺和不断完善的施工技术，使得其在城市地下空间的开发中 也取得了巨大的成功，并

2、被越来越多地应用于城市地铁、上下水道以及地下共同沟等隧 道工程建设中，在我国的各大主要城市，如上海、北京、深圳、广州和南京等地，已建 和在建的地铁隧道大都采用盾构法施工。现在成都、西安、杭州等地也正在开始采用盾 构法修建地铁隧道。但是，一方面伴随着各主要城市为解决制约城市经济发展的交通瓶 颈问题，对发展地下轨道交通有着较大的需求，另一方面，采用盾构法施工的隧道，从 工程造价上来看是非常昂贵的。这在一定程度上制约了城市地下空间的开发和利用。因此，如何合理地控制盾构隧道的建设成本、降低工程造价，已成为当前地下空间 开发必须认真研究的课题。影响地下铁道造价的主要因素，降低建设费主要应从以下三 方面入

3、手：降低车辆等设备购置费、运营管理费，以及降低作为基础设施的土建工程的 费用。本文在分析了盾构法隧道成本构成的基础上，主要从降低盾构施工费用方面，结合 成都地铁1号线一期工程盾构施工2标（人民北路站至天府广场站盾构区间）讲述如何 控制盾构施工成本，2、盾构隧道的成本构成表1是对中、日两国盾构隧道建设成本的构成分析，从中我们可以看出各主要项目 在整个隧道建设中所占的比例，并且，还可发现构成费用的主体主要有这几大项：管片 衬砌、机器设备、废土运输处理及竖井建造的防护费用等。针对成都地铁卵石含量高、高富水等困难条件，主要从盾构机的选型、刀具、渣土 改良以及盾构机的掘进技术、盾构始发阶段的试验等方面来

4、讲述如何控制盾构施工成 本，以达到降低成本，提高效益之目的。3、成都地铁1号线一期工程盾构施工2标(人民北路站至天府广场站盾构区间) 成本控制3. 1成都地铁二标基本情况3. 1. 1工程概况表1中日两国盾构隧道各项成本费用构成中国日本项目比例(%项目比例(%管片3438管片3040二次衬砌1215二次衬砌510盾构机1719盾构机2030工程设备58工程设备1015掘进设备915掘进设备510废土处理716废土处理10左右掘进劳务费511掘进劳务费5左右竖井建造718竖井建造510进出洞防护410进出洞防护35其它48其它10以内2标段区间段地铁线路处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 民中路敷设，线路全长左线 2390.316m,右线2407.774m。共三个区间，即人民北路 站文武路站区间里程范围为Y(Z)CK5+664.400Y(Z) CK6+796.600 ,左线长约1137m右线长约1132m文武路站骡马市站区间里程范围为 Y(Z)CK7+254.900 Y(Z) CK7+704.640,左线长约442m右线长约450m;骡马市站天府广场站区间里 程范围为丫(Z)CK7+887.390丫(Z) CK8+696.224,左线约长811m 右线长约826m 另区 间内还包含有盾构始发井和附属工程。3个联络通道(2个含泵房)，14个洞门见施工 概况图1Ev j

6、. 1麹广尉U-冷耗Mt1尸施工概况图13. 1. 2地质分析本标段隧道主要穿越卵石土层，卵、砾石成分以灰岩、砂岩、石英岩等为主，呈圆形亚圆形，粒径大小不一，分选性差。卵石含量约68%粒径以30100mm为主，初探揭示最大粒径180mm根据试验段探井和天府广场基坑揭示最大粒径达530550mm圆砾含量约10%，兼夹漂石，漂石最大粒径270mm卵石硬，最大强度可达200MP卵、 砾石以中等风化为主。充填物主要为中细砂及少量粘性土。卵石土层顶板埋深8.222.0m。下图为成都砂卵地层资料照片。盾构机掘进地层照片13. 1. 3水文条件地下水主要有两种类型：一是松散土层孔隙水，二是基岩裂隙水。第四系

7、孔隙水： 主要赋存于全新统（Q4、上更新统（Q3）和中更新统（Q2的砂、卵石土中，三层砂 卵石层含水极其丰富，形成一个整体含水层，含水层总厚度约26.331.7m，为孔隙潜水，局部由于地形和上覆粘性土层控制，具微承压性。为强透水层，隧道基本位于该层 砂、卵石土中，受地下水影响较大。上部的粘性土层为弱透水层，地下水含量甚微，对 工程影响较小。根据试验资料可知，卵石土综合含水层渗透系数K为12.5327.4 m/d，平均值为16.32 m/d，为强透水层。地下车站主体结构和地下区间隧道基本位于该层砂、卵石土 中，受地下水影响较大。3. 1. 4盾构施工困难分析（1、大漂石、孤石难以破碎，需开仓处理

8、；（2、遇到富含水地层，易形成喷涌；第3页共10页成都地铁1号线一期工程盾构施工2标盾构施工成本分析与控制(3) 地层极具透水性，同步注浆浆液易流失，易造成地表塌陷；(4) 掌子面不稳定，换刀作业困难。成都这种卵石含量高、高富水条件用于土压平衡盾构机在世界范围内还是首次，盾 构施工的成本控制难度要大得多，无论在盾构机选型上、渣土改良方面、地表沉降控制、 换刀作业方面都提出了一个新的课题， 这就需要我们想出一切好办法即要降低盾构机的 各种消耗材料，又要提高盾构机的掘进速度，从而降低盾构施工成本。3. 2合理的盾构机选型盾构机的选型主要包括：盾构类型的选择，如泥水式还是土压式；盾构机具体结构 的选

9、择，如刀盘型式、刀具配置、开口位置及开口率、推进千斤顶行程等。盾构机的选 型不仅直接关系到设备的购置费，更与造价的合理性有关。不合理的选型，一方面会因 为设备的预留储备过多，设备的利用率低，从而造成设备购置费用占整个工程造价的比 重过高，形成不必要的浪费；另一方面，如果所选盾构不具有很好的地层适应性，不仅 会造成高能耗低产出，而且会造成工期的延迟，从而最终导致工程造价的剧增。因此， 合理而科学的盾构选型应结合拟建隧道的功能、总长度、埋深、地质条件，沿线地面建 筑物、地下构筑物和管线等环境条件，以及对地表变形的控制要求等做综合的分析后决 定，从而使得所选盾构产生最大的费效比。针对成都特殊的地质条

10、件，中铁十三局选用是德国海瑞克公司的加泥复合式土压平 衡盾构机S365 S366,此盾构机比广州所用的海瑞克公司土压平衡盾构机有了很大的改 变，主要区别见表2序号名称成都盾构机(S365)广州盾构机(S266)S365适应性1主轴承直径3000mm2600mm卵石土层的主轴承扭矩大，大 扭矩可以提咼盾构机的掘进速 度2刀具硬岩刀具配置硬岩刀具配置成都虽然是卵石土层，但卵石 的强度高，需硬岩刀具预以破 碎3螺旋输送机双螺旋输送 机，直径700mm单螺旋输送机，直径900mm对控制渣土喷涌，有一定的控 制作用，直径小容易形成栓塞4渣土改良设备泡沫、聚合 物、膨润土设 备泡沫、聚合物设备将所有能够进

11、行渣土改良设备都配备，力求找到一个合适的渣土改良方案5耐磨性刀盘、螺旋输 送机部分焊 耐磨钢板刀盘、螺旋输送机表面全部焊 耐磨钢板卵石土层对机具的磨损较大， 增加耐磨性，提高刀盘及螺旋 输送机的寿命6超前钻机设备配备未配备对于需要开仓换刀时用于盾体前端的地层加固7输送渣土皮带机角度5°12°皮带机角度变小，减少渣土掉落的可能性，减少清理渣土的时间表2 S365和S266的区别总之，S365针对成都地质条件比以往的海瑞克盾构机有了较大的改变，尤其在刀盘上采取硬岩刀具配置，并全部位置加焊耐磨钢板，刮刀采用宽250mm勺大刮刀（如图2），可以提高刀盘及图2 S365盾构机刀盘第9

12、页共10页刀具的耐磨性，减少开仓换刀的次数。螺旋输送机采用双螺旋输送机（如图 3）,并全部 加焊耐磨钢板，在第二节螺旋输送下部可以排水，有效防止喷涌的发生，并提高耐磨性。 此种螺旋输送机型式在新加坡的盾构施工中得到了很好的验证。此种盾构机的选型对成都地质条件下大卵石的破碎、刀盘和螺旋输送机的耐磨性以及防止喷涌等方面都有很好的作用。当然由于盾构机成本的限制，盾构机上有些有利于 成都地质的设备未全部购置。如超声波超前探测设备，可以有效地探测到掌子面前方大 卵石的数量与直径。现正在科隆施图3双螺旋输送机工的海瑞克生产的盾构机刀盘在掘进时始终是前盾的里面（如图4），可以有效地控制上方土体的沉降，降低由

13、于盾构机上方土体沉降导致的成本增加。图4科隆盾构机图3. 3渣土改良试验成都卵石含量高、高富水的地质条件要求盾构机的渣土改良方案必须可行，同时添加剂的成本要控制为最合理状态。这就需要在盾构始发阶段进行大量的渣土改良试验， 以达到盾构机的渣土具有比较好的流动性、塑性和极低的水渗透性，才能保证螺旋输送 机出渣的顺畅，有效控制地表的沉降，提高盾构机的掘进速度，从而降低盾构施工成本。我们取得成都盾构掘进的渣土请三家有实力的公司（法国康达特公司、德国麦斯特 公司进行了渣土改良试验，渣土改良理论上是可行的，渣土改良主要针对 S365盾构机 配备的渣土改良设备进行。主要试验结果如下：法国康达特公司将渣土中的

14、卵石去除后加入饱合水（如图 5）做的试验，根据经验 所加的添加剂是该公司的特殊泡沫剂 CLB F4/TM和聚合物TFA34（如图6），加入适量 搅拌后渣土的流动性、塑性都很好，水渗透性从7.49 x 10-4m/S降低到8.99 x 10-4m/S， 水渗透性极低，可以有效地控制螺图5原始土样图6渣土改良后旋输送机的喷涌，经过试验添加剂需用量为泡沫剂CLB F4/TM 0.6L/m3和TFA341.5L/m3。德国麦斯特公司在瑞士针对成都渣土进行了试验，由于搅拌器的原因将大于32mm的卵石去除后，加入饱合水（如图 7）添加该公司生产的泡沫剂 MEYCO Fix SLF 30聚 合物MEYCO

15、Fix SLF P2和中国的钠基膨润土浆液（如图 8），渣土的流动性、塑性都很 好，水渗透性降低，可以达到顺利出渣的目的。经过试验添加剂需用量为泡沫剂MEYCOFix SLF 300.6L/m3,聚合物 MEYCO Fix SLF P2 0.28L/m3,膨润土 4kg/m3。图7原始土样图8渣土改良后根据渣土改良试验结果可以看出，成都地质条件下聚合物是必不可少的一种添加 剂，它不仅可以降低水的渗透性，还可以提高渣土的塑性。盾构施工中保证盾构机正常 掘进的条件下，可以适量减少添加剂的数量，以降低成本。在泡沫剂、聚合物和膨润土 之间找出一个好的添加方案，即能保证盾构机的掘进，又能降低添加剂成本。

16、3. 4 刀具的成本控制在盾构施工中，刀具的消耗始终是一个最大的成本消耗，也是一个不确定的成本消 耗。有许多难以预测的成本消耗如盾构机被困、必须带压换刀等都是由于刀具的不及时 更换造成的。刀具的消耗与以下几方面有关：1、盾构机的刀盘的型式和刀具的布置是否与掘进的地质相适应；2、盾构机掘进时注入泡沫、膨润土的数量和质量；3、盾构机司机的操作水平；4、刀具是否能够及时更换。在成都地质条件下盾构机刀盘的型式已经确定，无法进行更改，主要要找出一个 比较理想的刀具布置方案，才能将大卵石破碎。根据掘进情况考虑是否将周边单刃滚刀 布置成双刃滚刀。同时盾构机司机的操作技术对刀具的磨损也起着决定性的作用，在成

17、都地质条件下应该将刀盘的旋转速度控制为 0.5-1转/分钟，推进速度控制为 30-50mm/min,时刻观察刀盘前方的声音，以判断在刀盘前方是否有难以破碎的大卵石 存在。当有大卵石长时间存在时要开仓进行人工破碎。单刃和中心双刃滚刀的及时更换，可以只更换刀圈，刀毂可再次利用，降低刀具 的成本。另一降低刀具消耗成本的方法是要将宽刮刀和周边刮刀修理后再次使用盾构施工中刀具的及时更换是非常必要的。如果在掘进过程中由于某种原因刀具 未能及时更换，会造成刀具的深度磨损，刀毂无法再次利用。由于刀具的超磨损造成盾 构机掘进速度降低，添加剂相应会有所增加，同时电能的消耗也会相应增加。如果在无 法推进时还不能常压

18、换刀的地质条件下不得不采用带压换刀或地层加固等措施，会加大盾构的施工成本，降低效益，有可能会造成无法掘进的后果。因此，在成都地质盾构机掘进中，要预选考虑盾构机的换刀位置和换刀的方法。1、要尽可能在始发井、到达站内刀具全部更新；2、考虑在预定位置降水条件下常压进行换刀；3、尽量减少换刀的次数，同时提高换刀的效率，以减少换刀中的危险；4、在常压换刀无法进行情况下，带压换刀要有充足的准备，以降低换刀时的 风险。3. 5其它消耗性材料成本控制盾构机掘进中有许多消耗及损耗性的材料，需要管理人员对材料的多余损耗进行控 制，降低损耗，同时将消耗性产品找出最适合于盾构机掘进施工的量，做到盾构机即能 顺利掘进，

19、又能减少消耗，主要体现在以下几个方面：、扣板、螺栓、钢枕拉杆等材料采取逐级点验，从物资部出库开始，经地面工 班长、始发井下随车员、隧道内施工人员、隧道内两工班交接人员都要进行材料名称和 数量的交接，以达到损耗最小之目的；、盾尾脂、HBW脂、润滑脂根据盾构机的掘进技术和不同的厂家材料性能决定 不同的注入数量和速率，如麦斯的盾尾脂注脂压力控制在20bar，康达特的盾尾脂注脂压力控制在25bar等，并且要控制好盾构机的掘进姿态、选择好管片类型、各系统出现 故障及时处理，防止盾尾间隙不好漏浆等，以减少非正常的材料消耗；、各种消耗产品要使用干净，如盾尾脂、HBV脂、润滑脂等气动泵难以泵出部分要清理干净，移到另一待泵桶中，以减少损耗