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.doc
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2006年度优秀科技论文（技术总结）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。
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
34~38
管片
30~40
二次衬砌
12~15
二次衬砌
5~10
盾构机
17~19
盾构机
20~30
工程设备
5~8
工程设备
10~15
掘进设备
9~15
掘进设备
5~10
废土处理
7~16
废土处理
10左右
掘进劳务费
5~11
掘进劳务费
5左右
竖井建造
7~18
竖井建造
5~10
进出洞防护
4~10
进出洞防护
3~5
其它
4~8
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+664.400～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+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
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12.53～27.4m/d，平均值为16.32m/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
1
主轴承直径
3000mm
2600mm
卵石土层的主轴承扭矩大，大扭矩可以提高盾构机的掘进速度
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的大刮刀（如图2），可以提高刀盘及
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
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MEYCOFixSLF30、聚合物MEYCOFixSLFP2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MEYCOFixSLF30 0.6L/m3,聚合物MEYCOFixSLFP20.28L/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、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
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