盾构法隧道施工的成本缩减探讨

盾构法施工作为一种新型隧道工法,因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取得了巨大的成功,并被越来越多地应用于城市地铁、越江通道以及地下管线等隧道工程的建设中。与此同时,由于其高昂的造价,使得这种工法的进一步推广受到限制。文章在分析了国内外众多工程实例的基础上,研究了盾构法隧道的成本构成,并结合现有的技术水平,从管片和衬砌、盾构机器设备、竖井建造和高速化施工等四个主要方面论述了如何进行成本缩减,从而达到降低工程造价、更好地指导设计与施工的目的。

1引言

在现代城市建设中,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。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。目前,这一研究工作已取得阶段性成果,如日本建设省制定了“降低土木工程造价的指导方针”[1],要求从设计阶段开始就采取缩小结构物断面、结构物形状单纯化、构件预制化、材料规格化和标准化以及施工技术标准化等5大措施。关宝树[1]总结了影响地下铁道造价的主要因素,并指出降低建设费主要应从以下三个方面入手:降低车辆等设备购置费、降低运营管理费,以及降低作为基础设施的土建工程的费用。张凤祥[2]等人基于当前我国盾构技术发展的现状和特点,提出了今后我国盾构技术开发的方向:降低成本、提高质量、施工高速化、使用寿命长等,即通过机械化、智能化、信息化、设计规范化、新材料和新工艺的采用等几个方面来实现。Y.TAYAGAKI[3]等人提出了增加盾构隧道管片宽度,提高经济效益,从而降低成本的措施。最近,日本和中国[4][5]都在开展预应力高强管片的应用研究,由于这种管片省去了接头螺栓和二次衬砌,使得盾构隧道的外径缩小,从而降低总的建设费用。本文在分析了盾构法隧道成本构成的基础上,总结了国内外众多的施工业绩,并结合现有的技术水平,从设计和施工技术的角度论述了如何进行成本缩减,从而达到降低工程造价的目的。

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[7],从中我们可以看出各主要项目在整个隧道建设成本中所占的比例。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。因此,本文对成本缩减研究的重点也在于此。

3盾构隧道的成本缩减研究

3.1管片和衬砌的成本缩减

3.1.1合理的设计方法

盾构隧道的设计主要是针对管片和衬砌的设计,而目前应用较多的就是惯用设计法。惯用设计法是一种不考虑管片接头刚度降低而将其视作刚度均匀的圆环的设计方法,计算时假定土体随管片环的变形而产生地基反力。这种设计法由于没有考虑管片接头刚度的降低,因而计算出的结果相对来说要偏高。而梁—弹簧模型法[6]则是将管片环模拟为梁的构架(直梁或曲梁),用旋转弹簧和剪切弹簧分别模拟管片接头和环间接头,将其弹性性能用有限元法进行构架分析,计算截面力。据认为,这种计算法是一种解释管片环承载机理的有效方法。

在某高速公路隧道的设计中,应用梁—弹簧模型法计算出的管片厚度为40～45cm,而采用惯用设计法计算出的则为50～65cm。可见,使用前者可以提高计算的精度,降低的管片厚度,一方面使得隧道断面缩小,另一方面则降低了制造费用。

3.1.2二次衬砌的省略

盾构施工法中施作二次衬砌的作用在于:防腐、放水、防火、隧道内表面光滑、管片拼装蛇行修正以及隧道衬砌的补强作用。在确保衬砌强度和结构安全性的条件下,二次衬砌的省略,其优点主要有以下几点:

(1)由于二次衬砌的省略,直接导致成本的降低;

(2)由于二次衬砌的省略,工期得以缩短;

(3)由于掘削断面的缩小,排出的弃土将会减少,从而使得机器设备、始发及到达竖井等的规模缩小。

3.1.3增加管片宽度

通过增加管片的宽度,则沿隧道纵向管片接头的数目可以减少,从而管片的生产费用就会降低;在隧道长度不变的情况下,增加管片宽度,组装次数减少,日推进量增加,工期可以缩短;增加管片宽度,相应减少了隧道的环缝数量,不仅改善隧道的防水状况,而且还减少了接缝止水材料以及连接件的投资。但是,管片宽度的增加可能会出现这样的问题:由于管片环接头螺栓处产生的剪切力的作用,导致管片弯曲应力增加,并且主要集中于管片断面的边缘部位。对此,Y.TAYAGAKI[3]提出将加宽后的管片按错缝拼装使其具有很高的强度,以此来保证隧道的结构安全;另外,采取高强连接接头、管片边缘部位钢筋加密以及等分布置管片等措施,能很好的消除接头部位的应力集中。

3.1.4预应力高强管片的使用

这是一种新型的盾构隧道用管片,其作法是将在工厂制作的混凝土管片在盾构机后方组装成一个环,并将预应力钢绞线插入预先埋设在管片内的套管中进行张拉和锚固,从而形成一个预应力管片环,并具有无裂缝,以及真圆性、止水性、耐久性等均好的特点。

使用这种结构的优点在于:

(1)由于省去了二次衬砌和减小了构件厚度,使盾构隧道的外径缩小,这样可以降低总的建设费用。

(2)由于省去了管片之间、环之间的接头螺栓类,提高了施工性,有利于缩短工期。此外,由于接头部分省去了螺栓等金属物件,使得管片钢筋配置简单化。

(3)不使金属物件露在表面,不仅提高了止水性也使内表面相对平滑,这对省去二次衬砌也具有很好的适应性。

3.2机器设备的成本缩减

3.2.1合理的盾构机选型

盾构机选型主要包括: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,如刀盘形式、刀头配置、开口位置及开口率、推进千斤顶的推进行程等。盾构机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误,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。

3.2.2特种盾构机的使用[7]

(1)适应长距离掘进的盾构机

盾构掘进的长距离化,一方面有助于减少同时施工的盾构机台数,另一方面也有利于减少中间连接竖井的数量和进出洞时的地层改良次数,从而达到降低工程造价的目的。

(2)适应断面形状变化的盾构机

地铁隧道大多是圆形的,在地铁建设过程中,往往会遇到两种不同断面形状的隧道在地中结合的情况(如地铁车站等处)。通常,都是在断面变化处建造竖井,并分别采用不同断面形状的盾构机来施工。无论是不同断面形状的盾构机的使用,还是中间连接竖井的建造,都势必造成整个施工成本的高涨。因此,应对的措施是采用断面形状可伸缩变化的特种盾构机。举例来说,就是当遇到地铁隧道与车站相连的情况时,在相邻车站间的隧道采用圆形盾构,而到达车站时,则两翼展开成三圆盾构进行车站的掘进;当遇到断面直径由大突变至小的情况,宜采用母子盾构机,并在变径处实现母、子盾构机分离。所有这些情况均只采用一台盾构来施工,而将中间的连接竖井省略掉,从而达到降低造价的目的。

3.2.3高效高能切削刀具的使用

为了适应长距离化掘进,对于所选盾构机及其配套设备有如下的要求:

(1)尽量减少损耗材料的更换次数

这里主要指的是切削刀具和密封材料的更换,减少它们的更换次数,就避免了更多的停工延误时间。同时,为了解决长距离推进过程中刀具的更换问题,一些制造厂商开始研制可在常压下能够随时安全、快速进行刀具更换的盾构机。最近,日本三菱重工与石川岛播磨重工已联合研制成功了一种新型盾构机,其刀盘采用“球体”技术,可旋转180°后,在大气压下更换刀具。

(2)切削刀具耐久性的提高

耐久性的提高,主要有赖于刀盘、刀具材质的提高(如在刀具上镶嵌超硬合金刀头,对刀头磨损有明显的减轻);刀盘和刀具形状的合理选择;以及各种切削刀头的合理布置。此外,刀头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运输的高效化

长距离掘进,由于减少了中间竖井数,则运输距离相对延长。因此,对材料输送设备提出了新的要求,如设备的大容量化,以及运输的高效化。

3.3竖井建造的成本缩减

一般来说,地铁隧道的总长度越长,则所需的地中结合竖井也越多。为此,竖井建造费和盾构机进出洞处的地层改良费也就越高。因此,合理地选择竖井数量及其结构形式,将直接关系到成本总量。为了尽量减少竖井建造的成本,可采取的有效措施包括:盾构掘进的长距离化,减少中间竖井的数量;采用特种盾构,使地中分叉、地中变径处的竖井得以省略;在操作空间得以保证的前提下,尽量减少竖井的建造面积。此外,选择合理的施工工法(地下连续墙、SMW工法、沉箱法)和竖井结构形式的选择(矩形、圆形)等也很重要,对此须做详细的技术经济比较。

3.4施工高速化

高速化施工,可明显缩短工期,有助于降低设备维护费和人工费用,从而有利于总建设成本的降低。为达到高速施工的目的,可采取的措施有:

(1)掘进速度的提高:即采取大功率、大容量的设备;

(2)管片拼装的高效化:增加管片宽度,减少接头数量;简化接头形式,如改变螺栓式接头为插入式接头;

(3)管片拼装和盾构掘进的同时进行;

(4)运输高速化:包括运输设备大容量化和运输速度的提高。

4结语

影响盾构隧道建造成本的因素有很多,如隧道长度、隧道埋深、隧道断面形状、隧道线性条件、盾构穿越地层的地质条件、隧道沿线的环境条件以及障碍物情况等。因此,盾构隧道的成本缩减研究要从多方面着手。本文则是在分析国内外众多工程实例的基础上,研究了盾构法隧道的成本构成,并结合现有的技术水平,从管片和衬砌、盾构机器设备、竖井建造和高速化施工等四个主要方面论述了如何进行成本缩减,从而达到降低工程造价的目的。此外,新技术的开发、新材料和新工艺的应用,正越来越成为降低建设成本的主要对策。