海底超大直径盾构隧道造价分析研究

肖时辉

(珠海大横琴股份有限公司， 广东 珠海　519000)

0　引言

海峡像一道天堑将大陆与大陆、大陆与海岛、海岛与海岛之间隔开,给人们的生活、旅行带来许多不便。海底隧道不占地、不妨碍航行、不影响生态环境,是一种非常安全的全天候海峡通道[1]。目前世界上最长的海底隧道是日本的青函隧道，修建海底隧道最多的国家是挪威。海底隧道在我国尚处于起步阶段，福建厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道、广东狮子洋海底铁路隧道和广东珠海横琴马骝洲隧道已经建成，更多的海底隧道也在修建或规划中[2]。福建厦门翔安海底隧道[3-4]和青岛胶州湾海底隧道[5]主要采用钻爆法； 广东狮子洋海底铁路隧道(外径10.8 m)[6-7]和珠海横琴马骝洲隧道(外径14.5 m)采用盾构法。

国内对海底隧道的造价研究文献还较少。珠海横琴马骝洲隧道作为国内第1条海底超大直径盾构隧道，对其进行造价分析研究具有重要价值。尽管住房和城乡建设部于2015年发布的ZYA 1-31-2015《市政工程消耗量定额》(简称《市政定额》)中包含了直径15.5 m超大直径盾构隧道的子目，但该定额主要是针对陆域隧道或越江隧道，海域隧道因基岩突出、海水腐蚀、复杂地层、潮汐影响和大风环境等因素，不仅施工方面面临挑战，而且造价控制和管理方面也具有特殊性。

本文对珠海横琴马骝洲隧道的盾构造价进行分析研究，通过3年现场跟踪，对现场盾构工艺的实际工、料、机消耗量进行测定、整理、分析，研究海域条件如基岩凸起、海水腐蚀、复杂地层、潮汐影响和大风环境等因素对盾构隧道造价的影响，分析盾构安拆、盾构掘进、同步注浆和管片拼装等工艺的工、料、机消耗量，形成海底超大直径盾构隧道成套企业定额。研究结果可为企业概算、结算精细化管理提供可靠支撑。

1　项目概况

横琴岛位于珠海市南部，珠江出海口西侧，东隔十字门水道与澳门相邻，南濒南海，西邻磨刀门水道，北与珠海南湾城区隔马骝洲水道相望，如图1所示。

图1　横琴岛位置图

马骝洲隧道工程连接珠海市南湾城区和横琴新区，如图2所示。隧道段全长约2 834.6 m，其中隧道盾构段长1 082 m，为双向6车道，隧道外径14.5 m。采用1台海瑞克φ14.93 m泥水加压平衡盾构施工，盾构由南岸工作井始发，完成西线隧道推进后在北岸工作井调头，然后完成东线隧道盾构推进施工。盾构所穿越的马骝洲水道是珠江口西侧一条重要航道，也是澳门通往珠江三角洲和粤西沿海及海南岛的出入口。隧道段地层分布极不均匀，有②1淤泥、②2黏土、②3中粗砂夹黏土、②4淤泥质黏土、③1粉质黏土夹砂、④中粗砂、⑤砾质黏性土、⑥1全风化花岗岩、⑥2强风化花岗岩，局部涉及⑥3中风化花岗岩。受海水潮汐影响，水位差约1.5 m，在暴雨季节可达3 m,台风季节最大潮时，最高洪水位标高约3.7 m。

该工程概算建安费为20.47亿元，其中隧道盾构工程建安费6.86亿元。隧道段于2015年8月开工，计划于2017年3月完成贯通，实际于2017年11月完成贯通。实际完成日期较计划日期延后主要是由于进行凸起基岩预处理、江中保压试验、带压进舱换刀、台风季节影响及海上施工相关证件的办理等引起的。

图2　马骝洲隧道地理位置图

2　影响海底隧道造价的特殊因素

2.1　基岩凸起

越江隧道一般位于江河的冲积平原，以穿越软土地层为主。而我国沿海海岸基岩广为分布，多由花岗岩、玄武岩、石英岩和石灰岩等各种不同山岩组成[8]。马骝洲隧道东线、西线推进范围内均有基岩凸起。

以西线为例，基岩凸起位于水道中间，长约104 m。在盾构进洞段进行刀具检查时发现： 104把滚刀中有75把滚刀出现偏磨现象，分布在刀盘外周3 m范围内，偏磨量最大约40 mm；有7把滚刀出现刀圈掉落现象，分布在刀盘圆弧段与正面交界处。施工现场进行了刀具更换，外周滚刀全部更换为60 cm(18寸)重型滚刀，其余更换为56.67 cm(17寸)滚刀并加装30把贝壳刀，西线全线换刀时间约37个工作日。

马骝洲隧道由于基岩凸起引起更换滚刀118把、刮刀192把。换刀期间每天工作人员为15～35人，换刀人工费用每天约3 300元/人，工期影响约3个月，基岩凸起引起刀具更换的造价增加约1 200万元，盾构掘进段单项造价约提高15%，具体如表1所示。

表1　基岩凸起引起刀具更换的造价

2.2　复合地层

越江隧道一般位于江河的冲积平原，土层较为单一，而海域由于入海口受江河水流、洋流、潮汐的影响，水底水流更为复杂，常存在复合地层。最典型的复合地层是“上软下硬”地层，马骝洲隧道即处于此种复合地层中。在盾构掘进过程中，需经常变换盾构施工模式、不断调整盾构姿态并对盾构配置进行适当调整[9]，最直接的影响是施工降效。以正常段掘进盾构台班消耗量为例，不同地质条件下盾构台班消耗量对比如表2所示。其中： A1段主要地层为淤泥； D4段为中粗砂、淤泥质黏土、淤泥、黏土； F5段为中粗砂夹淤泥、中粗砂、淤泥质黏土、淤泥、黏土； L8段为淤泥质黏土、中粗砂、中粗砂夹淤泥、砾质黏性土、粉质黏土夹砂、中粗砂夹黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩等。

表2不同地质条件下盾构台班消耗量对比

Table 2Comparison of consumption of shield machines under different geological conditions

地质段A1段D4段F5段L8段单位消耗量/(台班/m)0.3130.3560.4080.46

经分析发现： 随着地层岩土类别增加以及上软下硬情况的突出，开挖机械的单位台班量相应增加，“上软下硬”复合地层机械台班消耗量增加约20%。

2.3　海水腐蚀

同时，衬砌后的压浆也需掺入粉煤灰、膨润土和微沫剂等外加剂。马骝洲隧道衬砌后压浆量约26 000 m3，添加外加剂引起造价增加约120万元，衬砌后压浆造价指标增加约4%。

此外，海洋水域对泥水质量影响较大，马骝洲隧道现场对多种材料、多种水质、多种配合比进行试验，加入海带粉、海藻酸钠和HS-1 3种外加剂。海水是典型的电解质溶液，含盐量、温度、溶氧量、pH值、流速与波浪、海生物等对施工机械的使用寿命产生一定的影响。尽管暂时无法对海水腐蚀引起的盾构损耗进行量化，但这个影响是确定存在的，海水腐蚀会加快盾构的损耗，加大折旧率，增加盾构台班费用。

2.4　潮汐影响

内陆地区的江河水位在一定时间内一般都保持相对稳定，因此，水压力一般情况下相对稳定。马骝洲水道受海水潮汐影响，水位差一般为1.5 m，在暴雨季节可达3 m。水位差导致水压力频繁变化，在此条件下，盾构掘进需更加谨慎，进而引起施工降效，增加盾构施工的造价，但其不是影响造价的主要因素。

通过对潮汐时间进行统计，采用有无对比法对工程费用进行分析研究，潮汐影响引起施工降效约0.5%。

2.5　大风环境

由于海洋和陆地比热容的差异，陆地升温快，降温也快，海洋则比较迟缓，升温慢，降温也慢，引起海陆间热力性质差异，气压差明显，容易形成海陆风[11]。由于海面是平坦的，没有什么阻碍物，风所受的阻力较小，容易形成大风环境。在此条件下，受影响较明显的是盾构吊装(拆)造价，对起重机械的选型及耗材如钢丝绳的消耗量均产生一定影响，即使有时无风，也需按起风储备考虑相应的施工工艺。根据现场测定，盾构吊装(拆)的钢丝绳实际消耗量约为《市政定额》钢丝绳消耗量的1.15倍。

3　海底盾构隧道企业定额测定与分析

3.1　盾构安拆企业定额测定与分析

3.1.1盾构安拆主要工作内容

盾构吊装的主要工作内容为起吊机械设备和盾构载运车就位、盾构吊入井底基座和盾构安装等； 盾构吊拆的主要工作内容为拆除盾构与车架连杆、起吊机械及附属设备就位、盾构整体吊出井口和上托架装车等。

海域条件下对盾构吊装和吊拆造价产生影响的主要为吊装(拆)机械及吊装(拆)耗材的消耗量。海岸线地层的不稳定以及海岸的大风环境，会影响起重设备的选型，增加耗材的消耗量，增加吊装(拆)设备的工作时间。因此，重点分析海域条件对盾构吊装(拆)机械及吊装(拆)耗材消耗量的影响。

3.1.2盾构安拆定额消耗量对比

根据马骝洲隧道盾构吊装与吊拆工料机的消耗量，与《市政定额》消耗量进行对比，将消耗量差异较大的工料机对比结果汇总，如表3和表4所示。

表3　盾构吊装定额主要差异对比

表4　盾构吊拆定额主要差异对比

3.1.3盾构安拆定额差异性主要原因分析

经对比可知，马骝洲隧道盾构吊装(拆)起重设备(如起重机)以及耗材(如钢板、钢丝绳)消耗量均高于《市政定额》消耗量，人工消耗量低于《市政定额》消耗量。

通过对马骝洲隧道实测消耗量进行分析发现，海域条件对盾构吊装(拆)起重机械消耗量确实存在影响。以盾构吊装的300 t履带式起重机消耗量为例，马骝洲隧道实际消耗量为65.396台班/台，而《市政定额》消耗量仅为39.808台班/台。海域条件同样对吊装(拆)耗材消耗量也有影响，如马骝洲隧道吊装的钢丝绳消耗量为2 111.980 kg/台，而《市政定额》消耗量仅为1 834.118 kg/台。虽然海域条件增加了吊装(拆)设备的机械台班消耗量，但在分析过程中发现人工消耗量却比《市政定额》消耗量低很多。以盾构吊装的人工消耗量为例，马骝洲隧道消耗量为1 744.500工日/台，《市政定额》消耗量为6 085.350工日/台。这主要是因为社会生产力水平的提高、盾构隧道工艺的普及、施工相关操作人员技术的提高以及施工机械化的发展，导致人工消耗量减少。

3.2　盾构掘进定额研究

3.2.1盾构掘进主要工作内容

包含操作盾构掘进机、水力出土、管片拼装、螺栓紧固、施工管路铺设、照明、运输、供气通风、贯通测量、通信和排泥水输出井口等。海域条件下对盾构掘进造价产生影响的主要为盾构消耗量，因此，重点分析海域条件对盾构消耗量的影响。

3.2.2盾构掘进定额消耗量对比

根据马骝洲隧道盾构掘进工、料、机消耗量，与《市政定额》消耗量进行对比，将消耗量差异较大的工料机对比结果汇总,如表5—8所示。

表5　负环段掘进定额主要差异对比

表6　入洞段掘进定额主要差异对比

表7　正常段掘进定额主要差异对比

表8　出洞段掘进定额主要差异对比

3.2.3盾构掘进定额差异性主要原因分析

经对比可知，马骝洲隧道盾构掘进大部分工、料、机消耗量均低于《市政定额》消耗量。

在对马骝洲隧道盾构掘进工、料、机消耗量进行分析后发现，马骝洲隧道消耗的工、料、机消耗量大部分少于《市政定额》中对应的消耗量，尤其是人工和盾构消耗量。以正常段掘进为例，马骝洲隧道人工消耗量为20.616 工日/m、挖掘机消耗量为0.277 台班/m，而《市政定额》消耗量分别是64.667 工日/m和0.750 台班/m，差异非常大，主要原因一方面是工人操作熟练、技术水平提高，另一方面是盾构工艺成熟、盾构能效高。

在海域条件下进行盾构掘进，盾构的使用成本比陆域隧道或越江隧道高，尤其是盾构的折旧费、大修理费和经常修理费。为体现盾构掘进的真实造价，在盾构台班费中不考虑盾构折旧费和大修理费，仅考虑经常修理费。对于经常修理费，查阅现行相关机械台班定额可知，盾构经常修理费在1 800 元/台班左右，但海域条件下的基岩凸起和复合地层增加了盾构经常修理费，刀具的更换也应按经常修理费纳入盾构台班费中。经分析可知，本工程中企业定额盾构台班费为 19 008.01 元/台班。

3.3　同步注浆定额分析

3.3.1同步注浆主要工作内容

包括制浆、运浆、盾尾同步压浆、补压浆、封堵和清洗等。

海域条件下对同步注浆的影响主要为浆水需掺入粉煤灰、膨润土和微沫剂等外加剂，且对掺入量要求较高。分析重点为海域条件对外加剂消耗量的影响。

3.3.2同步注浆定额消耗量对比

根据马骝洲隧道盾构同步注浆工、料、机的消耗量，将其与《市政定额》消耗量进行对比，得到消耗量差异较大的同步注浆定额对比结果，如表9所示。

表9　同步注浆定额主要差异对比

3.3.3同步注浆定额差异性主要原因分析

经对比，马骝洲隧道同步注浆的外加剂消耗量均高于《市政定额》消耗量。

海域条件对同步注浆定额消耗量的影响主要为粉煤灰消耗量较大，外加剂消耗量增加。马骝洲隧道粉煤灰实际消耗量为11.124 t/10 m3，而《市政定额》消耗量仅为9.270 t/10 m3。

3.4　预制钢筋混凝土管片定额分析

3.4.1预制钢筋混凝土管片主要工作内容

包括钢模安装、拆卸清理、刷油、测量检验、吊运混凝土、浇捣、入养护池蒸养、出槽堆放和抗渗质检等。

海域条件虽然对定额的各工、料、机消耗量影响不大，但对混凝土材料价格影响非常大。分析重点为海域条件对混凝土材料价格和外加剂消耗量的影响。

3.4.2预制钢筋混凝土管片定额消耗量对比

根据马骝洲隧道盾构预制钢筋混凝土管片工、料、机的消耗量，将其与《市政定额》消耗量进行对比，消耗量差异较大的工、料、机对比结果如表10所示。

表10　预制钢筋混凝土管片定额主要差异对比

3.4.3预制钢筋混凝土管片定额差异性主要原因分析

经对比可知，马骝洲隧道预制钢筋混凝土的外加剂消耗量高于《市政定额》消耗量，且混凝土材料价格高于《市政定额》材料基价。

海底隧道管片不能使用普通混凝土，因此，马骝洲隧道采用P·II型硅酸盐水泥、抗渗等级为P12的C55水下混凝土，材料价格约增加65 元/m3。另外，外加剂采用优质粉煤灰，《市政定额》仅给出混凝土外加剂的消耗子目，本次研究在进行预制混凝土管片基价组价时，在外加剂中将粉煤灰材料计入了定额费用，定额单价提高约10 元/m3。

4　工程造价对比分析

4.1　定额基价对比分析

经过以上研究，最终形成8条盾构隧道的企业定额。以概算编制日期2014年2月工、料、机价格作为基期价格，将套用本研究的定额消耗量形成的企业定额基价与套用《市政定额》消耗量形成的《市政定额》基价进行对比，结果如表11所示。

表11　基本价格

马骝洲隧道虽然受海域条件影响，盾构吊装(拆)机械费较高，但人工费却比《市政定额》计价低，企业盾构吊装(拆)定额基价相对《市政定额》基价较低。由于《市政定额》没有盾构摊销费和台班费相关数据，且基于相同的盾构台班费用进行对比分析，因此，马骝洲隧道盾构掘进大部分工、料、机消耗量低于《市政定额》消耗量，企业定额计价相对《市政定额》计价较低。同步注浆和预制钢筋混凝土管片的定额基价组成主要是材料费用，马骝洲隧道盾构材料消耗量和材料价格较高，企业定额造价相对《市政定额》造价较高。

4.2　工程造价对比分析

针对本研究中的8条定额，以基期价格为基础，采用本研究形成的企业定额编制概算建安工程费与《市政定额》编制概算建安工程费和马骝洲隧道概算建安工程费进行对比，结果如表12所示。

表12概算建安工程费对比

Table 12Comparison of budgetary estimate of construction and installation costs 万元

　　名称《市政定额》造价企业定额造价概算造价盾构吊装吊拆2982681 272盾构掘进10 5959 4149 838同步注浆1 6321 7132 681预制管片7 8598 4978 598　　合计20 38419 89222 389

马骝洲隧道工程隧道盾构段建安费为68 626 万元，对应本研究8条定额的概算建安工程费为22 389 万元，而本研究的企业定额编制概算建安工程费为19 892 万元。

5　结论与讨论

通过分析海域条件对马骝洲隧道盾构施工造价的特殊影响，确定海域条件的特殊性对盾构隧道造价产生的影响。通过研究分析马骝洲隧道盾构安拆、盾构掘进、同步注浆和管片拼装等工艺的工、料、机消耗量，形成企业定额，与《市政定额》进行对比分析。本次研究形成的企业定额可为企业概算、结算精细化管理提供可靠支撑，为国家出台相关盾构隧道施工定额、提高生产效益提供依据，填补海底超大盾构企业定额的国内空白，推进社会生产力的发展。下一步可对更多的海底盾构隧道进行造价研究，为预算定额的编制提供依据。