降低盾构隧道施工成本的探讨？
1简介
在现代城市建设中，地下空间的开发利用已经成为一个重要的组成部分。盾构隧道由于其先进的施工技术和不断改进的施工工艺，在城市地下空间的开发中取得了巨大的成功，越来越多地应用于城市地铁、下水道和地下隧道的建设中。在中国的主要城市，如上海、北京、深圳、广州和南京，已经建成和正在建设的地铁隧道大多采用盾构法施工。然而，一方面，各大城市为解决制约城市经济发展的交通瓶颈问题，对地下轨道交通的发展需求很大。另一方面，盾构法施工的隧道在工程造价上非常昂贵，在一定程度上制约了城市地下空间的开发利用。
因此，如何合理控制盾构隧道的建设成本，降低工程造价，成为地下空间开发中必须认真研究的课题。目前，这项研究工作已经取得了阶段性成果。例如，日本建设省制定了《降低土木工程成本指导原则》[1]，要求从设计阶段就采取减小结构截面、简化结构形状、预制构件、材料标准化和规范化、施工工艺标准化等五项措施。关[1]总结了影响地铁造价的主要因素，指出降低建设成本主要应从以下三个方面入手:降低车辆等设备的购置成本，降低运营管理费，降低作为基础设施的土建工程成本。张凤祥[2]等人根据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的发展方向:降低成本、提高质量、加快施工、延长使用寿命，即通过机械化、智能化、信息化、设计标准化、采用新材料和新技术。Y tayagaki [3]等人提出了增加盾构隧道管片宽度，提高经济效益，降低成本的措施。最近，日本和中国[4]和[5]都在开展预应力高强节段的应用研究。由于该段省去了接头螺栓和二次衬砌，盾构隧道外径减小，从而降低了总造价。在分析盾构隧道成本构成的基础上，总结了国内外的诸多施工成果，并结合现有技术水平，从设计和施工技术的角度探讨了如何降低成本，从而达到降低工程成本的目的。
2盾构隧道的成本构成
表1是中日盾构隧道工程造价的构成分析[7]，从中可以看出各主要项目在整个隧道工程造价中所占的比重。而且可以发现，费用的主要构成主要包括这几项:管片衬砌、机械设备、弃土运输及处理、竖井施工保护费用。因此，本文降低成本的重点也在这里。
降低盾构隧道成本的研究
3.1节段和衬砌的成本降低
3.1.1合理设计法
盾构隧道的设计主要是针对管片和衬砌的设计，但目前普遍采用的是通常的设计方法。常规设计方法是将管片接头视为一个刚度均匀的圆环，不考虑刚度折减的一种设计方法。计算时假定土体会随着管片环的变形而产生地基反力。这种设计方法没有考虑管片接头刚度的降低，所以计算结果比较高。梁-弹簧模型法[6]将管片环模拟为梁框架(直梁或曲梁)，分别用旋转弹簧和剪切弹簧模拟管片接头和环的间接头，用有限元法分析管片环的弹性性能，计算截面力。认为这种计算方法是解释管片环承载机理的有效方法。
在某高速公路隧道设计中，梁-弹簧模型法计算的管片厚度为40 ~ 45 cm，而常规设计方法计算的管片厚度为50 ~ 65 cm。可以看出，使用前者可以提高计算精度，减少管片厚度，一方面减少隧道断面，另一方面降低制造成本。
3.1.2省略二次衬砌
盾构法二次衬砌的作用有:防腐、排水、防火、隧道内表面光滑、管片拼装蛇形修正、隧道衬砌加固。在保证衬砌强度和结构安全的情况下，省略二次衬砌的优点主要有以下几点:
(1)由于省略了二次衬砌，直接降低了成本；
(2)由于省略二次衬砌，工期缩短；
(3)由于开挖断面的减少，排出的弃土将减少，从而减少机械设备、始发和到达竖井等的规模。
3.1.3增加线段宽度
通过增加管片的宽度，可以减少沿隧道纵向的管片接头数量，从而降低管片的生产成本；在隧道长度不变的情况下，增加管片宽度会减少拼装次数，增加日推进量，缩短工期；增加管片宽度减少了隧道环缝的数量，既改善了隧道的防水条件，又减少了接缝防水材料和连接件的投入。但是，管片宽度的增加可能导致管片弯曲应力由于管片环连接螺栓处产生的剪切力而增加的问题，并且主要集中在管片表面的边缘。对此，Y.TAYAGAKI[3]提出采用错缝拼装加宽管片，使其具有较高的强度，以保证隧道的结构安全；此外，通过采取高强度接头、在管片边缘加固钢筋、均匀布置管片等措施，可以很好地消除接头处的应力集中。
3.1.4预应力高强度管片的使用
这是一种新型盾构管片。其方法是将工厂化制作的混凝土管片在盾构机后方组装成环，将预应力钢绞线插入管片预埋的套筒中进行张拉锚固，形成预应力管片环，具有无裂缝、圆度好、不漏水、经久耐用的特点。
使用这种结构的优点是:
(1)由于省略了二次衬砌，构件厚度减小，盾构隧道外径减小，可降低总造价。
(2)由于省去了环与环之间的连接螺栓，提高了可施工性，缩短了施工周期。此外，接头部分省略了螺栓等金属物体，简化了节段钢筋的配置。
(3)金属物体不露在表面，既提高了水密封性能又使内表面比较光滑，对省去二次衬砌也很适应。
3.2降低机械设备成本
3.2.1合理选择盾构机
盾构机的选型主要包括:盾构类型的选择，如泥水式或土压式；盾构机具体结构的选择，如刀盘形式、刀盘配置、开口位置和开口率、推进千斤顶推进行程等。盾构机的选型不仅直接关系到设备的购置成本，还关系到成本的合理性。选择不合理，一方面会导致设备储备过多，利用率低，导致设备购置费在整个项目成本中所占比例过高，造成不必要的浪费；另一方面，如果选用的盾构不具备良好的地层适应性，不仅会造成高能耗、低产量，还会延误工期，最终导致工程造价急剧上升。因此，合理科学的盾构选型应在综合分析功能、总长、埋深、地质条件、沿线地面建筑物、地下构筑物、管线等环境条件以及地表变形控制要求后确定，使所选盾构产生最大的效费比。
3.2.2专用盾构机的使用[7]
(1)适合长距离开挖的盾构机
长距离盾构掘进一方面有助于减少同时施工的盾构机数量，另一方面也有助于减少进出隧道时的中间联络井数量和地层改善次数，从而达到降低工程造价的目的。
(2)盾构机适应断面形状的变化
地铁隧道多为圆形，在地铁建设过程中，常常会在地下(如地铁站等地)将两条截面形状不同的隧道合二为一。通常竖井修建在断面变化的地方，采用不同断面形状的盾构机进行施工。无论是使用不同断面形状的盾构机，还是中间连接轴的施工，整个施工成本必然上升。因此，对策是采用伸缩式断面形状的专用盾构机。比如地铁隧道连接车站时，相邻车站之间的隧道采用圆形盾构，到达车站时两翼展开成三圈盾构进行车站开挖；当断面直径突然由大变小时，宜采用母子盾构机，在变径处实现母子盾构机分离。在所有这些情况下，只使用一个盾构进行施工，省略了中间的连接轴，以降低成本。
3.2.3高效高能刀具的使用
为适应长距离开挖，对选用的盾构机及其配套设备要求如下:
(1)尽量减少磨损材料的更换次数。
这里主要指刀具和密封材料的更换，减少它们的更换次数会避免更多的停机延误。与此同时，为了解决长距离推进过程中的工具更换问题，一些制造商开始开发能够在常压下随时安全快速更换工具的盾构机。近日，日本三菱重工与石川岛播磨重工合作研发了一种新型盾构机，其刀盘采用“球体”技术，可旋转180，然后在大气压下更换刀具。
(2)提高刀具的耐用性
耐用度的提高主要依靠刀盘和刀具材料的改进(如在刀具上镶嵌超硬合金刀盘，刀盘磨损明显降低)；合理选择刀头和刀具形状；以及各种切削刀尖的合理排列。另外，加大刀盘也是提高耐磨性的必要手段之一。
(3)建筑材料和挖掘的土壤和沙子的有效运输。
长距离开挖，因为中间轴数量减少，运输距离相对延长。因此，对物料输送设备提出了新的要求，如设备容量大、运输效率高。
3.3竖井施工成本降低
一般来说，地铁隧道的总长度越长，需要的地下组合竖井就越多。所以盾构机出入口的竖井施工和地层改良费用会更高。因此，轴的数量及其结构形式的合理选择将直接影响总成本。为尽可能降低竖井施工成本，可采取有效措施，包括:长距离盾构掘进，减少中间竖井数量；使用特殊的盾构，在分叉和变径处的竖井在地面可以省略；在保证操作空间的前提下，应尽可能减少竖井的建筑面积。此外，选择合理的施工方法(地下连续墙、SMW法、沉箱法)和竖井结构的选择(矩形和圆形)也很重要，需要进行详细的技术经济比较。
3.4高速施工
高速施工可以明显缩短工期，有助于降低设备维护费用和人工费用，从而有助于降低总施工成本。为了达到高速施工的目的，可以采取的措施有:
(1)行车速度的提高:采用大功率大容量设备；
(2)高效的管片组装:增加管片宽度，减少接头数量；简化接头形式，如将螺栓接头改为插入式接头；
(3)管片拼装与盾构掘进同时进行；
(4)高速运输:包括大容量运输设备和运输速度的提高。
4结论
影响盾构隧道施工成本的因素很多，如隧道长度、隧道埋深、隧道断面形状、隧道线形条件、盾构穿越地层的地质条件、隧道沿线的环境条件、障碍物等。因此，降低盾构隧道成本的研究应从多方面入手。在分析国内外众多工程实例的基础上，研究了盾构隧道的成本构成，并从管片及衬砌、盾构机械设备、竖井施工、高速施工四个主要方面探讨了如何降低成本，从而达到降低工程成本的目的。此外，开发新技术、应用新材料和新工艺正日益成为降低建筑成本的主要对策。
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