盾構(gòu)法隧道施工成本縮減

1、盾構(gòu)法隧道施工成本縮減    摘要:盾構(gòu)法施工作為一種新型隧道工法,因其先進(jìn)的施工工藝和不斷完善的施工技術(shù),使得其在城市地下空間的開(kāi)發(fā)中取得了巨大的成功,并被越來(lái)越多地應(yīng)用于城市地鐵、越江通道以及地下管線等隧道工程的建設(shè)中。與此同時(shí),由于其高昂的造價(jià),使得這種工法的進(jìn)一步推廣受到限制。文章在分析了國(guó)內(nèi)外眾多工程實(shí)例的基礎(chǔ)上,研究了盾構(gòu)法隧道的成本構(gòu)成,并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)水平,從管片和襯砌、盾構(gòu)機(jī)器設(shè)備、豎井建造和高速化施工等四個(gè)主要方面論述了如何進(jìn)行成本縮減,從而達(dá)到降低工程造價(jià)、更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的目的。 關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;管片和襯砌;成本縮減;地下空

2、間 1 引言      在現(xiàn)代城市建設(shè)中,地下空間的開(kāi)發(fā)利用已成為一個(gè)重要的組成部分。而盾構(gòu)法隧道,由于其先進(jìn)的施工工藝和不斷完善的施工技術(shù),使得其在城市地下空間的開(kāi)發(fā)中取得了巨大的成功,并被越來(lái)越多地應(yīng)用于城市地鐵、上下水道以及地下共同溝等隧道工程建設(shè)中。在我國(guó)的各大主要城市,如上海、北京、深圳、廣州和南京等地,已建和在建的地鐵隧道大都采用盾構(gòu)法施工。但是,一方面伴隨著各主要城市為解決制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的交通瓶頸問(wèn)題,對(duì)發(fā)展地下軌道交通有著較大的需求,另一方面,采用盾構(gòu)法施工的隧道,從工程造價(jià)上來(lái)看是非常昂貴的,這在一定程度上制約了城

3、市地下空間的開(kāi)發(fā)和利用。      因此,如何合理地控制盾構(gòu)隧道的建設(shè)成本、降低工程造價(jià),已成為當(dāng)前地下空間開(kāi)發(fā)必須認(rèn)真研究的課題。目前,這一研究工作已取得階段性成果,如日本建設(shè)省制定了“降低土木工程造價(jià)的指導(dǎo)方針”1,要求從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就采取縮小結(jié)構(gòu)物斷面、結(jié)構(gòu)物形狀單純化、構(gòu)件預(yù)制化、材料規(guī)格化和標(biāo)準(zhǔn)化以及施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化等5大措施。關(guān)寶樹(shù)1總結(jié)了影響地下鐵道造價(jià)的主要因素,并指出降低建設(shè)費(fèi)主要應(yīng)從以下三個(gè)方面入手:降低車輛等設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、降低運(yùn)營(yíng)管理費(fèi),以及降低作為基礎(chǔ)設(shè)施的土建工程的費(fèi)用。張鳳祥2等人基于當(dāng)前我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和特點(diǎn),提

4、出了今后我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)開(kāi)發(fā)的方向:降低成本、提高質(zhì)量、施工高速化、使用壽命長(zhǎng)等,即通過(guò)機(jī)械化、智能化、信息化、設(shè)計(jì)規(guī)范化、新材料和新工藝的采用等幾個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。.3等人提出了增加盾構(gòu)隧道管片寬度,提高經(jīng)濟(jì)效益,從而降低成本的措施。最近,日本和中國(guó)45都在開(kāi)展預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管片的應(yīng)用研究,由于這種管片省去了接頭螺栓和二次襯砌,使得盾構(gòu)隧道的外徑縮小,從而降低總的建設(shè)費(fèi)用。本文在分析了盾構(gòu)法隧道成本構(gòu)成的基礎(chǔ)上,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外眾多的施工業(yè)績(jī),并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)水平,從設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的角度論述了如何進(jìn)行成本縮減,從而達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。2 盾構(gòu)隧道的成本構(gòu)成    

5、  表1是對(duì)中、日兩國(guó)盾構(gòu)隧道建設(shè)成本的構(gòu)成分析7,從中我們可以看出各主要項(xiàng)目在整個(gè)隧道建設(shè)成本中所占的比例。并且,還可發(fā)現(xiàn)構(gòu)成費(fèi)用的主體主要有這幾大項(xiàng):管片襯砌、機(jī)器設(shè)備、廢土運(yùn)輸處理及豎井建造的防護(hù)費(fèi)用。因此,本文對(duì)成本縮減研究的重點(diǎn)也在于此。    3 盾構(gòu)隧道的成本縮減研究3.1 管片和襯砌的成本縮減3.1.1 合理的設(shè)計(jì)方法      盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)管片和襯砌的設(shè)計(jì),而目前應(yīng)用較多的就是慣用設(shè)計(jì)法。慣用設(shè)計(jì)法是一種不考慮管片接頭剛度降低而將其視作剛度均勻的圓環(huán)的設(shè)計(jì)方法,計(jì)算

6、時(shí)假定土體隨管片環(huán)的變形而產(chǎn)生地基反力。這種設(shè)計(jì)法由于沒(méi)有考慮管片接頭剛度的降低,因而計(jì)算出的結(jié)果相對(duì)來(lái)說(shuō)要偏高。而梁彈簧模型法6則是將管片環(huán)模擬為梁的構(gòu)架(直梁或曲梁),用旋轉(zhuǎn)彈簧和剪切彈簧分別模擬管片接頭和環(huán)間接頭,將其彈性性能用有限元法進(jìn)行構(gòu)架分析,計(jì)算截面力。據(jù)認(rèn)為,這種計(jì)算法是一種解釋管片環(huán)承載機(jī)理的有效方法。      在某高速公路隧道的設(shè)計(jì)中,應(yīng)用梁彈簧模型法計(jì)算出的管片厚度為4045,而采用慣用設(shè)計(jì)法計(jì)算出的則為5065。可見(jiàn),使用前者可以提高計(jì)算的精度,降低的管片厚度,一方面使得隧道斷面縮小,另一方面則降低了制造費(fèi)用。

7、0;   3.1.2  二次襯砌的省略      盾構(gòu)施工法中施作二次襯砌的作用在于:防腐、放水、防火、隧道內(nèi)表面光滑、管片拼裝蛇行修正以及隧道襯砌的補(bǔ)強(qiáng)作用。在確保襯砌強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)安全性的條件下,二次襯砌的省略,其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):(1) 由于二次襯砌的省略,直接導(dǎo)致成本的降低;(2) 由于二次襯砌的省略,工期得以縮短;(3) 由于掘削斷面的縮小,排出的棄土將會(huì)減少,從而使得機(jī)器設(shè)備、始發(fā)及到達(dá)豎井等的規(guī)模縮小。3.1.3  增加管片寬度    

8、0; 通過(guò)增加管片的寬度,則沿隧道縱向管片接頭的數(shù)目可以減少,從而管片的生產(chǎn)費(fèi)用就會(huì)降低;在隧道長(zhǎng)度不變的情況下,增加管片寬度,組裝次數(shù)減少,日推進(jìn)量增加,工期可以縮短;增加管片寬度,相應(yīng)減少了隧道的環(huán)縫數(shù)量,不僅改善隧道的防水狀況,而且還減少了接縫止水材料以及連接件的投資。但是,管片寬度的增加可能會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題:由于管片環(huán)接頭螺栓處產(chǎn)生的剪切力的作用,導(dǎo)致管片彎曲應(yīng)力增加,并且主要集中于管片斷面的邊緣部位。對(duì)此,.3提出將加寬后的管片按錯(cuò)縫拼裝使其具有很高的強(qiáng)度,以此來(lái)保證隧道的結(jié)構(gòu)安全;另外,采取高強(qiáng)連接接頭、管片邊緣部位鋼筋加密以及等分布置管片等措施,能很好的消除接頭部位的應(yīng)力集中。

9、3.1.4 預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管片的使用      這是一種新型的盾構(gòu)隧道用管片,其作法是將在工廠制作的混凝土管片在盾構(gòu)機(jī)后方組裝成一個(gè)環(huán),并將預(yù)應(yīng)力鋼絞線插入預(yù)先埋設(shè)在管片內(nèi)的套管中進(jìn)行張拉和錨固,從而形成一個(gè)預(yù)應(yīng)力管片環(huán),并具有無(wú)裂縫,以及真圓性、止水性、耐久性等均好的特點(diǎn)。使用這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于:(1) 由于省去了二次襯砌和減小了構(gòu)件厚度,使盾構(gòu)隧道的外徑縮小,這樣可以降低總的建設(shè)費(fèi)用。(2) 由于省去了管片之間、環(huán)之間的接頭螺栓類,提高了施工性,有利于縮短工期。此外,由于接頭部分省去了螺栓等金屬物件,使得管片鋼筋配置簡(jiǎn)單化。(3) 不使金屬物件

10、露在表面,不僅提高了止水性也使內(nèi)表面相對(duì)平滑,這對(duì)省去二次襯砌也具有很好的適應(yīng)性。3.2  機(jī)器設(shè)備的成本縮減3.2.1  合理的盾構(gòu)機(jī)選型      盾構(gòu)機(jī)選型主要包括:盾構(gòu)類型的選擇,如泥水式還是土壓式;盾構(gòu)機(jī)具體結(jié)構(gòu)的選擇,如刀盤形式、刀頭配置、開(kāi)口位置及開(kāi)口率、推進(jìn)千斤頂?shù)耐七M(jìn)行程等。盾構(gòu)機(jī)選型不僅直接關(guān)系到設(shè)備的購(gòu)置費(fèi),更與造價(jià)的合理性有關(guān)。不合理的選型,一方面會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的預(yù)留儲(chǔ)備過(guò)多,設(shè)備的利用率低,從而造成設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用占整個(gè)工程造價(jià)的比重過(guò)高,形成不必要的浪費(fèi);另一方面,如果所選盾構(gòu)不具有很好的地層適應(yīng)性,不僅

11、會(huì)造成高能耗低產(chǎn)出,而且會(huì)造成工期的延誤,從而最終導(dǎo)致工程造價(jià)的劇增。因此,合理而科學(xué)的盾構(gòu)選型應(yīng)結(jié)合擬建隧道的功能、總長(zhǎng)度、埋深、地質(zhì)條件、沿線地面建筑物、地下構(gòu)筑物和管線等環(huán)境條件,以及對(duì)地表變形的控制要求等做綜合的分析后決定,從而使得所選盾構(gòu)產(chǎn)生最大的費(fèi)效比。3.2.2 特種盾構(gòu)機(jī)的使用7(1) 適應(yīng)長(zhǎng)距離掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)      盾構(gòu)掘進(jìn)的長(zhǎng)距離化,一方面有助于減少同時(shí)施工的盾構(gòu)機(jī)臺(tái)數(shù),另一方面也有利于減少中間連接豎井的數(shù)量和進(jìn)出洞時(shí)的地層改良次數(shù),從而達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。(2) 適應(yīng)斷面形狀變化的盾構(gòu)機(jī)  

12、60;   地鐵隧道大多是圓形的,在地鐵建設(shè)過(guò)程中,往往會(huì)遇到兩種不同斷面形狀的隧道在地中結(jié)合的情況(如地鐵車站等處)。通常,都是在斷面變化處建造豎井,并分別采用不同斷面形狀的盾構(gòu)機(jī)來(lái)施工。無(wú)論是不同斷面形狀的盾構(gòu)機(jī)的使用,還是中間連接豎井的建造,都勢(shì)必造成整個(gè)施工成本的高漲。因此,應(yīng)對(duì)的措施是采用斷面形狀可伸縮變化的特種盾構(gòu)機(jī)。舉例來(lái)說(shuō),就是當(dāng)遇到地鐵隧道與車站相連的情況時(shí),在相鄰車站間的隧道采用圓形盾構(gòu),而到達(dá)車站時(shí),則兩翼展開(kāi)成三圓盾構(gòu)進(jìn)行車站的掘進(jìn);當(dāng)遇到斷面直徑由大突變至小的情況,宜采用母子盾構(gòu)機(jī),并在變徑處實(shí)現(xiàn)母、子盾構(gòu)機(jī)分離。所有這些情況均只采用一臺(tái)盾構(gòu)來(lái)施工

13、,而將中間的連接豎井省略掉,從而達(dá)到降低造價(jià)的目的。    3.2.3 高效高能切削刀具的使用      為了適應(yīng)長(zhǎng)距離化掘進(jìn),對(duì)于所選盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)備有如下的要求:(1) 盡量減少損耗材料的更換次數(shù)      這里主要指的是切削刀具和密封材料的更換,減少它們的更換次數(shù),就避免了更多的停工延誤時(shí)間。同時(shí),為了解決長(zhǎng)距離推進(jìn)過(guò)程中刀具的更換問(wèn)題,一些制造廠商開(kāi)始研制可在常壓下能夠隨時(shí)安全、快速進(jìn)行刀具更換的盾構(gòu)機(jī)。最近,日本三菱重工與石川島播磨重工已聯(lián)合研

14、制成功了一種新型盾構(gòu)機(jī),其刀盤采用“球體”技術(shù),可旋轉(zhuǎn)180°后,在大氣壓下更換刀具。(2) 切削刀具耐久性的提高      耐久性的提高,主要有賴于刀盤、刀具材質(zhì)的提高(如在刀具上鑲嵌超硬合金刀頭,對(duì)刀頭磨損有明顯的減輕);刀盤和刀具形狀的合理選擇;以及各種切削刀頭的合理布置。此外,刀頭的大型化也是提高耐磨性的必要手段之一。(3) 施工材料和掘削土砂運(yùn)輸?shù)母咝Щ?#160;     長(zhǎng)距離掘進(jìn),由于減少了中間豎井?dāng)?shù),則運(yùn)輸距離相對(duì)延長(zhǎng)。因此,對(duì)材料輸送設(shè)備提出了新的要求,如設(shè)備的大容量化,以及

15、運(yùn)輸?shù)母咝Щ?.3 豎井建造的成本縮減      一般來(lái)說(shuō),地鐵隧道的總長(zhǎng)度越長(zhǎng),則所需的地中結(jié)合豎井也越多。為此,豎井建造費(fèi)和盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞處的地層改良費(fèi)也就越高。因此,合理地選擇豎井?dāng)?shù)量及其結(jié)構(gòu)形式,將直接關(guān)系到成本總量。為了盡量減少豎井建造的成本,可采取的有效措施包括:盾構(gòu)掘進(jìn)的長(zhǎng)距離化,減少中間豎井的數(shù)量;采用特種盾構(gòu),使地中分叉、地中變徑處的豎井得以省略;在操作空間得以保證的前提下,盡量減少豎井的建造面積。此外,選擇合理的施工工法(地下連續(xù)墻、工法、沉箱法)和豎井結(jié)構(gòu)形式的選擇(矩形、圓形)等也很重要,對(duì)此須做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。3.

16、4 施工高速化      高速化施工,可明顯縮短工期,有助于降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)和人工費(fèi)用,從而有利于總建設(shè)成本的降低。為達(dá)到高速施工的目的,可采取的措施有:(1) 掘進(jìn)速度的提高:即采取大功率、大容量的設(shè)備;(2) 管片拼裝的高效化:增加管片寬度,減少接頭數(shù)量;簡(jiǎn)化接頭形式,如改變螺栓式接頭為插入式接頭;(3) 管片拼裝和盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行;(4) 運(yùn)輸高速化:包括運(yùn)輸設(shè)備大容量化和運(yùn)輸速度的提高。4 結(jié)語(yǔ)      影響盾構(gòu)隧道建造成本的因素有很多,如隧道長(zhǎng)度、隧道埋深、隧道斷面形狀、隧道線性條件、盾構(gòu)穿越地層的地質(zhì)條件、隧道沿線的環(huán)境條件以及障礙物情況等。因此,盾構(gòu)隧道的成本縮減研究要從多方面著手。本文則是在分析國(guó)內(nèi)外眾多工程實(shí)例的基礎(chǔ)上,研究了盾構(gòu)法隧道的成本構(gòu)成,并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)水平,從管片和襯砌、盾構(gòu)機(jī)器設(shè)備、豎井建造和高速化施工等四個(gè)主要方面論述了如何進(jìn)行成本縮減,從而達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。此外,新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、新材料和新工藝的應(yīng)用,正越來(lái)越成為降低建設(shè)成本的主要對(duì)策。 參考文獻(xiàn):1關(guān)寶樹(shù).再談降低地下鐵道工程造價(jià)問(wèn)題,地下鐵道