地铁盾构区间过硬岩段造价分析

石 刘，李广涛

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

我国城市轨道交通正在快速发展，建设力度正在不断加大。轨道交通的区间工程造价占工程总投资第一部分工程费用的25%左右。因此，区间造价的合理编制对于有效控制地铁工程总投资有着较深远的影响。对于地下区间，大多采用盾构掘进法施工，盾构区间不仅需要穿越常见的软弱地层，有时还要穿越部分硬岩地段［1］。

在地铁盾构区间造价编制及相关定额方面:蒋洪军［2］分析了各城市地铁盾构区间造价控制情况，并对南京、广州、西安、天津、武汉等城市及全统市政定额中关于盾构掘进的单价进行分析对比;龚彬［3］以广州轨道交通二、八号线盾构4标为例，详细分析了盾构穿越硬岩段时刀盘的配置及换刀情况。

目前，各城市编制并推出的地铁定额，或者当地现行的市政定额，包括建设部发布的GCG 103—2008《城市轨道交通工程预算定额》［4］都没有专门的盾构过硬岩段的掘进条目。本文结合各地硬岩段掘进的工程经验及相关数据，对盾构过硬岩的造价编制进行分析探讨，为以后更好地编制盾构隧道工程造价提供参考。

1 在硬岩段掘进施工的重难点

目前，国内地铁工程地下区间掘进大都采用土压平衡式盾构，对于软土及单轴抗压强度小于80 MPa的岩石地层施工是完全适应的。但是，对于单轴抗压强度大于100 MPa的硬岩地层(洞身断面主要是微风化和中风化岩石，岩石强度高，有很好的自稳能力)，施工难度却很大［5］。施工的重难点主要表现在以下几个方面:1)刀具刀盘磨损严重;2)盾构卡壳;3)推进速度缓慢。

1.1 刀具刀盘磨损严重

盾构掘进硬岩段造成盾构刀具刀盘磨损的主要原因有:

1)围岩强度高，刀具的抗冲击、耐磨性无法满足要求。

2)刀具配置不合理，刀具布置数量较少，刀间距太大。

3)更换刀具后没有及时清理残留在土仓内掉落的刮刀，对刀具造成严重损伤。

4)刮刀作为辅助刀具，在滚刀没有及时更换的情况下全部失效。

5)更换滚刀后，在刮刀没有更换的情况下继续推进，使得滚刀磨损严重。

6)刀箱变形导致滚刀高度变化，造成异常损坏。

7)在掘进过程中，没有及时检查更换刀具［3］。往往是由于一个或多个滚刀磨损超限而没有及时更换，其破岩能力相对减小，并导致其余滚刀的破岩压力相对增加，而产生较严重的磨损直至破坏，最终导致整盘滚刀甚至刀盘的磨损。

因此，在条件允许的情况下，在盾构掘进硬岩段时，需要定期或者在掘进过程中发现异常情况时，不定期地开仓检查刀具、刀箱等。尽量采用适合施工地段地层情况的刀具，比如:重型滚刀、镶高强度合金的滚刀、齿轮刀等。

1.2 盾构卡壳

掘进过程中，当边缘滚刀及扩挖刀磨损严重且更换不及时，导致盾构开挖直径缩小，无法满足盾体通过要求时，引起盾构被围岩卡死，发生卡壳事故，从而限制了盾构的推进，严重影响工程进度，并且停机处理将增加工程投资。

1.3 推进速度缓慢

导致施工进度缓慢的主要原因有:1)开挖面岩层硬度太高，刀具破岩能力低，盾构掘进缓慢;2)频繁地开仓检查刀具，停机检查时需要根据周边情况采取加固等措施;3)盾构卡壳时需要采用钻爆法清除盾体周边围岩使其脱困;4)施工过程中也常常会遇到管片错台、管片渗漏水、管片上浮、管片破损等情况，需要针对具体问题进行处理。

2 盾构过硬岩段施工方法

盾构在过硬岩段区间时，通常采用的施工方法有: 1)盾构直接掘进通过;2)对岩层进行爆破+盾构掘进;3)矿山法开挖初期支护+盾构空推拼装管片;4)矿山法开挖初期支护并二次衬砌+盾构空推。

2.1 盾构直接掘进通过

盾构穿越硬岩地段，刀具磨损严重，换刀频率大，施工难度大。盾构施工过程中通常采用敞开式掘进模式，设定合理的掘进参数和同步注浆参数，配置适应于硬岩掘进的刀具和使用泡沫剂改良渣土等措施，以解决长距离硬岩掘进遇到的问题。如深圳地铁5号线布百区间，硬岩地层单轴抗压强度超过100 MPa的地层达1 600 m多。盾构区间施工时，采用压重车的辅助方案减少了管片上浮;在曲线段，通过调整掘进参数，减少隧道轴线偏移量，从而减少管片错台现象的发生，及时进行二次注浆，进一步减少地层沉降等一系列辅助措施，使得盾构安全顺利地通过了硬岩段。

2.2 对岩层进行爆破+盾构掘进

盾构在硬岩突起的上软下硬地层或者全断面硬岩中掘进时，面临换刀及带压进仓的风险，且不能或无条件采用暗挖法施工，工程也不具备明挖条件，或者工期不允许等情况。若采用爆破法预处理硬岩，不但可保证盾构掘进要求，而且对周边建筑物及管线影响较小，具有施工工期短、处理效果好、费用相对较低等特点。如深圳地铁1号线续建工程西固区间，局部位置硬岩单轴抗压强度达140 MPa，区间上部地层为砂层及填石层，下部为硬岩，为典型的上软下硬地层。经方案比选后，采用预爆破法对硬岩进行处理。主要施工工艺为:根据勘察资料确定钻孔范围;根据爆破设计布置钻孔φ110，并装药实施爆破;通过监测控制爆破震速，适当调整爆破参数;爆破范围进行注浆加固;最后进行地面硬化、封闭清理。硬岩段预爆破后，盾构掘进速度明显提高，对周边建筑物基本无影响。

2.3 矿山法开挖初期支护+盾构空推拼装管片

当硬岩段达到一定长度、工期要求比较紧张时，通常在盾构到达硬岩插入段前，先采取矿山法开挖并进行初期支护，隧道底部施作弧形钢筋混凝土导向平台，盾构空载推进拼装管片通过，管片背后与初期支护间的空隙利用吹米石与注浆结合进行回填［5］。该工法在凿除硬岩时，为防止盾构被卡，一般爆破硬岩时超挖较大。同时，在空推拼管片条件下，盾构依靠盾体与导台的摩擦力压紧管片，刀盘不具备土压平衡的条件。当摩擦力有限时，管片环缝挤得不紧、形状不圆，管片自身的防水效果差，所喷射的豆砾石无法填满管片与初期支护之间的空隙，同步注浆和后期管片壁后注浆很难完全填实所留下的空隙，不能在初期支护与管片之间形成有效的隔水层，导致空推后经常出现漏水。此工法应用实例较多，如广州三号线北延段广燕区间、深圳地铁2号线东延线侨香区间等。由于空推长度较大，施工完成漏水情况较为严重，均采用注浆堵漏，因此多次反复处理费用高。

2.4 矿山法开挖初期支护并二次衬砌+盾构空推

当区间长度较大需要设置中间风井，由于通风需要设置加宽段，并且该位置地质情况较好、地面施工中间风井困难时，可考虑采用矿山法开挖初期支护并二次衬砌+盾构空推的方式施工。风机房处区间隧道结构断面按通风要求需要加大，其断面净空面积为正常盾构区间断面的1.8倍。一般中间风机房明挖围护结构施作完成后，再对硬岩段进行矿山法施工，盾构空载通过、二次始发掘进，最后进行风机房主体结构施工，风机房扩大段断面的净空要满足盾构通过的要求，该工法仅适用于短距离断面增大范围的隧道。由于该种隧道初期支护开挖面积大，还需要施工二次衬砌结构，因此造价较高，对于长距离隧道并不适用。广州地铁三号线大汉区间及四号线大学城专线小新区间通过中间风井段均采用该工法。

3 行业及各省市盾构掘进定额现状

目前，全国各省市已陆续编制颁发了专门的地铁定额。如广州地铁盾构隧道造价编制采用穗建筑［2001］444号文颁发的《2001年广州地铁工程主要项目综合成本指导价》［6］(以下简称《广州地铁定额》;深圳采用深建字［2012］31号文发布的《深圳市城市轨道交通工程消耗量定额(2011)》［7］(以下简称《深圳地铁定额》);南京采用苏建价［2005］114号文颁发的《南京地铁工程计价表》，以及杭州、长沙、武汉等城市均采用当地的市政定额隧道分册作为编制盾构法地铁隧道造价的依据［2］。个别没有颁发专门地铁定额的省市如四川、广西、福建、河北、重庆与天津等地，在编制地铁区间工程概预算时，一般采用当地市政定额或建标［2008］193号文发布的《城市轨道交通工程预算定额》(以下简称《全国地铁定额》)。

以上介绍的各现行定额中，关于土压平衡式盾构掘进的条目，都没有对岩土类别进行区别考虑。广州、深圳等地盾构掘进时常遇到硬岩段，以广州、深圳地区为例，对盾构隧道掘进定额现状进行介绍。

《广州地铁定额》指导价已综合考虑了盾构掘进在穿越不同岩土层时的情况;《深圳地铁定额》对于盾构掘进时穿越的岩土层情况没有进行详细说明。但是，《深圳地铁定额》中掘进的消耗量与《全国地铁定额》基本一致，可以参考《全国地铁定额》中的说明。盾构通过复杂地层，如抗压强度＞80 MPa的硬岩地层、球状风化体的花岗岩地层与溶洞地层等，推进耗电量及盾构台班消耗量可调整［4］。由此可推断《深圳地铁定额》中盾构掘进定额只是考虑了通过普通软土地层时的情况。

按照广州、深圳地铁定额的消耗量及当地目前价格计算，正常段掘进的工料机综合单价大约为:广州 17 600元/m，深圳 15 200元/m，相差大约2 400元/m。

通过以上分析，盾构掘进通过普通软土层时，定额消耗量参照《深圳地铁定额》比较合适;而通过硬岩段时，建议在此基础上进行调整。

4 盾构掘进硬岩段造价分析

以上介绍了关于盾构掘进硬岩段时经常遇到的施工难点及采用的应对措施，还有目前盾构掘进定额现状。可以看出，《广州地铁定额》综合考虑了各种岩土层情况，而《深圳地铁定额》却没有确切的文字说明。那么，造价编制人员对于较长距离的硬岩段掘进的单价就不好把握。现笔者对目前遇到的硬岩段掘进的造价编制进行分析，以供同行参考。

4.1 盾构直接掘进通过

盾构直接掘进通过硬岩段时，编制概预算需考虑的主要因素是刀具的更换情况。以广州轨道交通二、八号线盾构4标为例，在掘进左线第476—565环，共135 m硬岩段时，共更换了7把双刃滚刀、76把单刃滚刀。由于在掘进左线后总结了一些施工经验，所以在掘进右线第455—588环，共201 m硬岩段时，换刀频率明显减小，总共更换了4把双刃滚刀、82把单刃滚刀。根据调查一些国产及进口刀具的价格，对广州轨道交通二、八号线盾构4标掘进336 m硬岩段更换刀具的费用进行统计，如表1所示。

表1 盾构直接掘进时刀具费用分析表Table 1 Analysis on cost of cutting tools of shield machine when boring directly across hard rock

由表1可看出，硬岩段掘进时平均换刀费用约为3.27万元/m。目前，深圳地区普通盾构区间(包含盾构出渣、同步二次压浆、管片拼装等全部费用)技术经济指标在4.8万元/m左右，在此基础上加上硬岩段换刀费用，则盾构直接掘进通过硬岩段的经济指标大约为8.07万元/单线延米。

4.2 对岩层进行爆破+盾构掘进

当预先对岩层进行爆破再掘进时，需要另行考虑钻孔爆破、爆破范围注浆加固及换刀的费用。广州地铁智慧城—神舟路盾构区间，全长约2.94 km，其中有1 500单延米左右的硬岩段，大部分采用矿山法开挖初期支护+盾构空推拼装管片的方案，有340 m硬岩段采用先爆破后掘进的工法，爆破钻孔间距按1.0 m×1.0 m布设。该硬岩段爆破主要工程量如表2所示。

表2 广州某地下区间硬岩段爆破主要工程量Table 2 Quantity of main blasting works of a shield-bored hard rock tunnel section in Guangzhou

对于钻孔费用，根据《广州地铁定额》，钻孔φ80无法满足钻孔φ110的价格水平。由于《广州地铁定额》无钻孔φ110的定额调整说明，参考深建价［2011］50号文《关于发布调整锚杆土钉子目的通知》，当钻孔直径在100～130 mm时，按子目综合价格乘系数1.2计算，并根据设计的每米水泥浆封孔数量调整定额里水泥、中砂、碎石及水的消耗量。对于爆破费用，则可参考《广东市政定额》D1—1—86。因前面已单独计列了钻孔费用，故将该定额里关于钻孔的消耗调为零，并根据设计调整乳化炸药、非电雷管等含量。

按照以上工程数量及相关定额，经测算，该硬岩段爆破费用约480万元，除以硬岩长度340 m，每米爆破费用约为1.41万元，盾构换刀费用如表3所示。

由表3可知，对硬岩进行爆破+盾构掘进时，每米的换刀费用平均大约1.44万元。爆破及换刀费用加上普通盾构区间的技术经济指标4.8万元/m，硬岩段采用爆破+盾构掘进的经济指标大约为7.65万元/单线延米。

表3 爆破后盾构机再掘进时刀具费用分析表Table 3 Analysis on cost of cutting tools of shield machine when boring in blasted hard rock

4.3 矿山法开挖初期支护+盾构空推拼装管片

当采用矿山法开挖初期支护+盾构管片拼装时，广州及深圳地铁定额都有可套用的相应定额条目，需要注意的是盾构空推的单价。《广州地铁定额》对于盾构空推无相关说明，而《深圳地铁定额》明确:盾构机空推管片、人工工日、推进耗电量及盾构机台班消耗量按正常段的消耗量乘系数0.65进行调整。经调整测算，盾构空推费用在1.1万元/单线延米左右。

广州等盾构区间硬岩段长687 m［8］。经测算，矿山法开挖初期支护(含混凝土导向平台)每米单价约4.33万元，管片制作及拼装(含同步注浆及管片背后豆砾石回填)每米单价约2.0万元［9］，另外还需要加上临时施工竖井及施工横通道费用，大约为460万元，分摊到每米的指标约0.67万元。则盾构过硬岩段采用矿山法开挖初期支护+盾构空推拼装管片的经济指标大约为8.1万元/单线延米。

4.4 矿山法开挖初期支护并二次衬砌+盾构空推

暗挖施工的中间风井在遇到硬岩的情况下，一般采用矿山法开挖初期支护并二次衬砌施工隧道扩大断面，再由盾构空推通过。该工法需对竖井先进行矿山法施工，再由竖井内通过横通道到达扩大断面位置后，施工矿山法段。经测算，该种扩大断面的矿山法开挖初期支护并二次衬砌的每米单价约11万元。另外，同样还需要加上临时施工竖井、施工横通道(大约为460万元，扩大段长度按风井长度，一般为30 m左右，则竖井及横通道分摊到每米的指标约15万元)及盾构空推的费用，则盾构过硬岩段的经济指标大约为27.1万元/单线延米。

4种施工方案的技术经济对比如表4所示。

表4 盾构过硬岩段的施工方案技术经济对比表Table 4 Technical and economical comparison and contrast among different shield tunneling methods in hard rock section

5 结论

通过对4种工法的技术经济对比分析，从工程单线延米指标看，盾构过硬岩段采用岩层进行爆破+盾构掘进的方案费用较低。但是施工工法选取是否合理，与地质条件、工期、施工机械及地面建筑物等情况有关，需要结合工程实际具体分析。

当工期不紧张、硬岩段长度较短，且岩石强度又不是很高时，采用盾构直接掘进，不用频繁换刀，可以降低造价;当硬岩段长度较长、工期要求紧张且地面情况允许时，采用矿山法开挖初期支护+盾构空推拼装管片的方案较为合理，施工竖井及施工横通道分摊到每延米的费用相对较低。

［1］ 彭勇.某工程盾构滚刀在硬岩地层中的使用情况分析［J］.广州建筑，2011，39(3):12－15.(PENG Yong.Shield hob’s service condition analyzes in hard rocky ground level of some project［J］.Guangzhou Architecture，2011，39 (3):12－15.(in Chinese))

［2］ 蒋洪军.各城市地铁盾构造价编制及定额浅析［J］.隧道建设，2007，27(6):105－107.(JIANG Hongjun.Cost budgeting and quota analysis for shield tunneling works in different cities in China［J］.Tunnel Construction，2007，27 (6):105－107.(in Chinese))

［3］ 龚彬.盾构穿越硬岩的刀盘配置与换刀技术［R］.长沙:中铁五局城通分公司，2011.

［4］ 住房和城乡建设部标准定额研究所.GCG 103—2008城市轨道交通工程预算定额［S］.北京:中国计划出版社，2008.

［5］ 杨书江.硬岩地铁隧道钻爆法开挖结合盾构法衬砌的施工技术［J］.城市轨道交通研究，2006，9(2):42－46.(YANG Shujiang.Drill and blast method of tunnel excavation on hard rock［J］.Urban Mass Transit，2006，9(2):42－46.(in Chinese))

［6］ 广州市建设委员会.穗建筑［2001］444号广州地铁工程主要项目综合成本指导价［S］.广州:广州市建设工程造价管理站，2001.

［7］ 深圳市住房和建设局.深建字［2012］31号深圳市城市轨道交通工程消耗量定额［S］.深圳，2012.

［8］ 章新华.地铁盾构过硬岩施工技术［J］.铁道建筑，2011，51(8):61－63.

［9］ 李锦富，罗忠.盾构空推拼管片过矿山法隧道渗漏水控制［J］.现代隧道技术，2012，49(2):71－75.(LI Jinfu，LUO Zhong.Water leakage control of segment lining in a mined tunnel section［J］.Modern Tunnelling Technology，2012，49(2):71－75.(in Chinese))