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

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。

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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 项目 管片 二次衬砌 盾构机 工程设备 掘进设备 废土处理 掘进劳务费 竖井建造 进出洞防护 其它 比例(％） 34~38 12～15 17~19 5～8 9~15 7~16 5～11 7~18 4~10 4~8 项目 管片 二次衬砌 盾构机 工程设备 掘进设备 废土处理 掘进劳务费 竖井建造 进出洞防护 其它 日本 比例(％） 30~40 5～10 20~30 10~15 5~10 10左右 5左右 5～10 3~5 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+6。400～Y（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+2.900~Y(Z） CK7+704.0，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Y(Z)CK7+887.390～Y（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1

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施工概况图1

3．1．2

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30～100mm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530～550mm，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8.2～22.0m。下图为成都砂卵地层资料照片。

盾构机掘进地层照片1

3．1．3

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。3～31。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12.53～27。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； (2）遇到富含水地层,易形成喷涌；

（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

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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 卵石土层的主轴承扭矩大，大扭矩可以提高盾构1 主轴承直径 3000mm 2600mm 机的掘进速度 成都虽然是卵石土层，但卵石的强度高，需硬岩2 刀具 硬岩刀具配置 硬岩刀具配置 刀具预以破碎 双螺旋输送机，直径3 螺旋输送机 700mm 泡沫、聚合物、膨润4 渣土改良设备 土设备 刀盘、螺旋输送机部5 耐磨性 分焊耐磨钢板 6 超前钻机设备 输送渣土皮带7 机角度 5° 12° 理渣土的时间 配备 部焊耐磨钢板 未配备 刀盘及螺旋输送机的寿命 对于需要开仓换刀时用于盾体前端的地层加固 皮带机角度变小，减少渣土掉落的可能性,减少清刀盘、螺旋输送机表面全泡沫、聚合物设备 一个合适的渣土改良方案 卵石土层对机具的磨损较大，增加耐磨性，提高900mm 形成栓塞 将所有能够进行渣土改良设备都配备,力求找到单螺旋输送机，直径对控制渣土喷涌,有一定的控制作用,直径小容易表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的大刮刀(如图2）,可以提高刀盘及

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图2 S365盾构机刀盘

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，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，降低由于盾构机上方土体沉降导致的成本增加。

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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。49×10-4m/S降低到8。99×10—4m/S，水渗透性极低，可以有效地控制螺

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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TFA34 1.5L/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 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MEYCO Fix SLF 30 0。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。

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、 2、 3、 4、

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； 盾构机掘进时注入泡沫、膨润土的数量和质量； 盾构机司机的操作水平; 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,在成都地质条件下应该将刀盘的旋转速度

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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、 2、 3、 4、

要尽可能在始发井、到达站内刀具全部更新; 考虑在预定位置降水条件下常压进行换刀；

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；

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,又能减少消耗,主要体现在以下几个方面：

⑴ 、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;

⑵ 、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；

⑶ 、各种消耗产品要使用干净，如盾尾脂、HBW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;

⑷ 、盾构施工人员要爱护盾构机上各个部件,不能随意踩踏,在换刀时要将易碰撞部件保护起来，减少人为损坏；

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3．6 盾构施工风险成本控制

众所周知,盾构机施工是高风险的施工。主要是因为盾构施工中不可预测的风险很多.如盾构机掘进过程中超挖引起的隧道上方建筑物的沉降，盾构机刀具的超磨损造成的盾构机被困等风险造成的盾构施工成本极剧增加。这是盾构施工中管理人员最难控制的成本。

为了控制盾构施工风险成本，需要盾构机司机具有良好的心理素质,高的掘进技术，在工作中具有高度的责任心,掘进中精神高度集中，才能有效控制隧道上方建筑物的沉降.同时刀具工程师根据掘进情况分析盾构机刀盘刀具的磨损情况，提出最佳的换刀位置和换刀时间，使盾构机的掘进速度一直在快速、连续、均衡的状态下掘进。

4、总结

影响盾构施工成本的因素很多。因此控制盾构施工成本要从多方面入手。本文主要针对成都地铁二标介绍从合理的盾构机选型、渣土改良方面、刀具的消耗、其它消耗性材料、盾构施工风险性成本等方面控制盾构施工成本.当然，盾构施工成本由于不同的盾构施工项目、不同的地质条件也会有不同的盾构施工成本控制重点。

【参考文献】

1． 张凤祥、杨宏燕、顾德昆等，对我国发展盾构技术的一点看法。岩石力学与工程学报，1999,18（5)：611~614 2． 尹旅超，朱振宏，李玉珍等，日本盾构隧道新技术.武汉：华中理工大学出版社，1999.76~78 3． 海瑞克盾构机S365技术文件

4． 成都地铁1号线一期工程盾构施工2标岩土勘查报告

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