風(fēng)險(xiǎn)源密集區(qū)泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)方案可行性研究

摘要：在城市軌道交通建設(shè)中，工程項(xiàng)目受地表建筑物的影響越來越多。本文章結(jié)合北京地鐵8號(hào)線王府井站～前門站區(qū)間盾構(gòu)方案變更的實(shí)例，詳細(xì)闡述了在風(fēng)險(xiǎn)源密集區(qū)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)險(xiǎn)控制、制約條件、安全性、工期、費(fèi)用等方面的優(yōu)劣勢(shì)，具體分析了方案變更前后兩者工程造價(jià)的變化，對(duì)于后續(xù)類似工程具有非常重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險(xiǎn)源密集區(qū);泥水平衡盾構(gòu);可行性

1.工程概況

1.1工程設(shè)計(jì)概況

本工程為北京地鐵8號(hào)線王府井站～前門站區(qū)間盾構(gòu)施工，區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)單線單洞隧道，共計(jì)長(zhǎng)3284.00米，線路出8號(hào)線王府井站后，以礦山法隧道下穿1號(hào)線王府井站后，再以盾構(gòu)法區(qū)間沿臺(tái)基廠大街南行，至東交民巷路口向西折向前門東大街，下穿北京市密碼管理局一棟3層房屋及首都大酒店B棟一角后，沿前門東大街，于地鐵2號(hào)線區(qū)間及國鐵直徑線的北側(cè)并行敷設(shè)向西行進(jìn)，再由前門東大街轉(zhuǎn)入前門大街時(shí)，依次斜下穿2號(hào)線區(qū)間及國鐵直徑線，接著下穿規(guī)劃展覽館及蓋板河后進(jìn)入前門站，與地鐵2號(hào)線前門站換乘。

區(qū)間上方多為繁忙的現(xiàn)狀道路，地下市政管線密集，沿線建、構(gòu)筑物及古文物較多，如圖1.1-1所示。

1.1-1王前區(qū)間平面圖

1.2 工程水文地質(zhì)條件

1.2.1工程地質(zhì)條件

本工程涉及的控制性勘探孔最大深度為69.00m。按照地層沉積年代、成因類型、地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)地層進(jìn)行劃分，根據(jù)本區(qū)間擬建場(chǎng)地地層分布情況，共劃分為11個(gè)大層。由于勘察未揭露到新近沉積層，報(bào)告中的第二大層新近沉積層缺失，在報(bào)告中的地層序號(hào)不連續(xù)，體各土層巖性及分布特征簡(jiǎn)述如下：（1）人工堆積層：受管道滲漏等形成上層滯水的影響，該層土極易坍塌;（2）新近沉積層：勘察未揭露到新近沉積土層，本報(bào)告中的第二大層新近沉積層缺失;（3）第四紀(jì)沉積層：包含黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、卵石、圓礫、砂質(zhì)粉土粉質(zhì)黏土等。隧道區(qū)間主要為卵石、卵石和砂土復(fù)合地層，不同地層所占區(qū)間長(zhǎng)度百分比如圖1.2-1所示。

1.2-1 隧道區(qū)間不同地層所占區(qū)間長(zhǎng)度百分比

1.2.2工程水文條件

區(qū)間共勘測(cè)到4層含水層，包含上層滯水、層間水、潛水、承壓水。各層地下水水位情況及類型參見表1。

2.工程重難點(diǎn)

2.1區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)與接受是本工程的重難點(diǎn)

盾構(gòu)施工過程中的始發(fā)與接收涉及盾構(gòu)機(jī)刀盤的進(jìn)洞與出洞，容易引起地表沉降和涌水、突泥，如果加固效果不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可能會(huì)造成始發(fā)和接收的失敗，因此端頭加固是本工程的重點(diǎn)。應(yīng)根據(jù)各始發(fā)端頭和接收端頭的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地面建構(gòu)筑物及管線狀況和端頭結(jié)構(gòu)等綜合分析與評(píng)價(jià)，對(duì)洞門端頭地層采用深孔注漿方式進(jìn)行加固處理。

2.2下穿多處區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源是本工程的重難點(diǎn)

本區(qū)間存在特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源2處，一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源9處，二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源10處，三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源7處。盾構(gòu)區(qū)間在下穿區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源是本工程的重難點(diǎn)。

針對(duì)區(qū)間特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源編制下穿區(qū)間特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)安全施工方案及應(yīng)急預(yù)案，并通過專家論證。盾構(gòu)施工時(shí)按照下穿區(qū)間特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)安全方案施工，并結(jié)合區(qū)間試驗(yàn)段優(yōu)化施工參數(shù)，保證順利通過區(qū)間特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)編制區(qū)間下穿區(qū)間按一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)安全施工方案指導(dǎo)盾構(gòu)施工。

2.3刀具磨損檢修更換是本工程的重難點(diǎn)

根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)判斷刀具磨損情況，必要時(shí)采取帶壓進(jìn)倉檢修、更換刀具。編制帶壓進(jìn)倉檢修、換刀專項(xiàng)安全施工方案。

3.工程施工方案變更必要性

3.1原招標(biāo)文件中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工難度大

根據(jù)本工程的招標(biāo)文件要求，盾構(gòu)區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)自東側(cè)明挖場(chǎng)地始發(fā)，至王府井處盾構(gòu)接收井接收。由于本區(qū)間隧道基本在有水卵石地層中穿過，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤磨損較嚴(yán)重，招標(biāo)設(shè)計(jì)中考慮在區(qū)間兩處聯(lián)絡(luò)通道采用地面降水、土體加固措施，進(jìn)行刀具檢修。但是，根據(jù)已有的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工需要解決的困難有幾點(diǎn)：一方面，本區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源多且非常重要，風(fēng)險(xiǎn)源沉降控制難度大;二方面，砂卵石地層中盾構(gòu)機(jī)刀具磨損嚴(yán)重，需頻繁換刀，且隧道區(qū)間可供換刀的場(chǎng)地少，施工風(fēng)險(xiǎn)大等技術(shù)性難點(diǎn)。

3.1.1穿越風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)大，沉降控制難度大

根據(jù)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在渣土改良較好的情況下，沉降可以控制在10mm～15mm之間，但難度較大。本區(qū)間地處敏感地帶且連續(xù)下穿、側(cè)穿多處特、一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，共計(jì)特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源2處，一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源9處，二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源10處，三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源7處，沉降要求特別嚴(yán)格。

本隧道區(qū)間從地下國鐵直徑線斜下穿，兩隧道豎向凈距3.64m，從法國兵營西側(cè)墻正下方穿過，從法國使館的東側(cè)圍墻和南側(cè)圍墻正下方穿過，距意大利使館的東側(cè)圍墻僅有10.90m。國鐵直徑線及2號(hào)線地鐵等特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源允許沉降控制值為3mm，允許差異沉降控制值為3mm，注漿上浮1mm。東交民巷圣米厄爾天主教堂、法國兵營舊址建筑群、法國使館舊址建筑群、意大利使館舊址建筑群等風(fēng)險(xiǎn)源允許沉降控制值為10mm，允許差異沉降控制值為5mm。北京市規(guī)劃展覽館、首都大酒店B座等風(fēng)險(xiǎn)源允許沉降控制值為15mm，允許差異沉降控制值為5mm。本段區(qū)間僅提供了建筑物控制指標(biāo)及保護(hù)措施，但未明確圍墻的控制指標(biāo)及保護(hù)措施，圍墻年代較為久遠(yuǎn)，盾構(gòu)下穿或側(cè)穿施工，風(fēng)險(xiǎn)更大。

3.1.2區(qū)間換刀風(fēng)險(xiǎn)大

原設(shè)計(jì)在2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道和3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道處換刀。聯(lián)絡(luò)通道通過地面打設(shè)降水井和地面加固，保證換刀在無水條件下進(jìn)行，同時(shí)保證地層的穩(wěn)定，所以采取常壓進(jìn)倉換刀的方式。

然而，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道所處交叉路口，涉及管線包括上水、電力、通信等多家產(chǎn)權(quán)單位的管線。3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道所處交叉路口，管網(wǎng)也很密集，包括熱力、電力、污水、雨水、通信等多家產(chǎn)權(quán)單位的管線。原設(shè)計(jì)方案中的兩處換刀場(chǎng)地，即2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道和3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，場(chǎng)地地面條件較差，道路窄，重要管線密集，根本不具備布置全部降水井及注漿管的條件，降水和土體加固效果難以保證，因此，換刀過程中存在很大風(fēng)險(xiǎn)。其余路段或者位于建構(gòu)筑下方，或者穿越風(fēng)險(xiǎn)源，不具備施工條件。

3.2方案變更后泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工的可行性

本區(qū)間地處敏感地帶且連續(xù)下穿、側(cè)穿特、一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，沉降要求嚴(yán)格，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在本工程不適應(yīng)，需進(jìn)行方案變更。經(jīng)專家論證后，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在全斷面卵石層中沉降可控制在5～9mm以內(nèi)，且在全斷面卵石地層中，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工刀具磨損較小，洞內(nèi)開倉檢修刀具風(fēng)險(xiǎn)較小，地面不需采取措施。目前，場(chǎng)區(qū)內(nèi)已滿足泥水平衡盾構(gòu)施工的要求，全封閉廠棚可以有效解決泥水分離設(shè)備的噪聲污染。

3.2.1刀具磨損小，降低施工成本

因設(shè)備在液體環(huán)流系統(tǒng)中的摩擦較低，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)與地層接觸的設(shè)備磨損較小。膨潤土泥漿提供了很好的潤滑效果，更有利于長(zhǎng)距離掘進(jìn)，可減少刀盤各部分以及開挖倉中的磨損，不僅降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，更節(jié)省了成本，加快了施工進(jìn)度。經(jīng)磨損模擬驗(yàn)算，掘進(jìn)平均約600m更換一次刀具。

3.2.2開倉條件改善，施工風(fēng)險(xiǎn)減低

泥水倉更好的密閉性和保護(hù)壓力平衡性，確保了施工掌子面的穩(wěn)定性，大大降低了風(fēng)險(xiǎn)。因泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中一直在泥膜的保護(hù)下運(yùn)轉(zhuǎn)，而且做泥膜護(hù)壁時(shí)只需走一個(gè)大泥水循環(huán)即可，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)帶壓進(jìn)倉方便，無需地面加固處理，隨時(shí)滿足帶壓進(jìn)倉條件，大大縮短了換刀時(shí)間。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的時(shí)候，泥水環(huán)流也不斷進(jìn)行，始終確保了開挖倉壓力恒定，掌子面穩(wěn)定，復(fù)推時(shí)不會(huì)出現(xiàn)刀盤卡死，更不會(huì)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。

3.2.3施工沉降小，對(duì)沿途風(fēng)險(xiǎn)源控制更具可靠性

泥水盾構(gòu)機(jī)在控制沉降方面，對(duì)開挖面土層支護(hù)更為穩(wěn)定，對(duì)地表沉降控制更為方便，在全斷面卵石層中沉降可控制在5～9mm以內(nèi)。

3.3土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)方案比選

3.3.1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)綜合因素對(duì)比

施工方案變更經(jīng)過專家論證后，從風(fēng)險(xiǎn)控制、施工制約條件、安全性、工期及費(fèi)用等方面最終選定泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的方案，論證的結(jié)果如下表2所示：

3.3.2 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)直徑選擇

目前，市場(chǎng)上直徑6m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)很少，根據(jù)調(diào)查，市面上僅有7臺(tái)直徑6m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在施工，且都有后續(xù)項(xiàng)目等待施工。如果新購直徑6m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)費(fèi)用高，而且購置工期長(zhǎng)，后續(xù)暫無項(xiàng)目等待施工，對(duì)企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展不利。然而，企業(yè)已有2臺(tái)直徑6.2m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)分別于2018年2月初、3月初從外地項(xiàng)目退場(chǎng)，本標(biāo)段盾構(gòu)機(jī)計(jì)劃2018年4月進(jìn)場(chǎng)，均可滿足工期要求，因此本標(biāo)段采用6.2m直徑泥水盾構(gòu)機(jī)。

由于設(shè)計(jì)方案為直徑6m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，對(duì)于直徑6m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)即可滿足施工要求，因企業(yè)考慮設(shè)備購置費(fèi)、后期保養(yǎng)及后期利用率等因素決定采用現(xiàn)有直徑6.2m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，故建設(shè)單位只同意按照直徑6m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的費(fèi)用進(jìn)行審核結(jié)算。

3.3.3 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)變更前后費(fèi)用對(duì)比

正如上述原因，實(shí)際施工采用直徑6.2m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，建設(shè)單位按照計(jì)價(jià)原則只按照直徑6m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的費(fèi)用結(jié)算。因泥漿處理清單費(fèi)用尚未確定，預(yù)估工程造價(jià)對(duì)比如下表3所示：

通過土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面比較，兩者在盾構(gòu)掘進(jìn)方面費(fèi)用相差不大，后者較前者主要是在泥漿處理費(fèi)用上較高，泥漿處理包含泥漿制作、泥水分離、泥漿外運(yùn)、泥水分離設(shè)備基礎(chǔ)、泥漿站建設(shè)及拆除、洞內(nèi)泥漿池建設(shè)等項(xiàng)。本區(qū)段共計(jì)3284.00米，泥漿制作預(yù)計(jì)需247328.80m3，泥水分離預(yù)計(jì)101669.83m3，泥漿外運(yùn)預(yù)計(jì)101669.83m3。風(fēng)險(xiǎn)源費(fèi)用不因盾構(gòu)機(jī)機(jī)型變化而重新進(jìn)行核算，執(zhí)行原合同費(fèi)用。雖然后者在工程造價(jià)方面費(fèi)用要高30.67%，但是區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源非常特殊及重要，施工過程如發(fā)生地面沉降不可控，將會(huì)造成無法挽回的局面，屆時(shí)補(bǔ)救費(fèi)用遠(yuǎn)超工程造價(jià)的費(fèi)用，從工程安全性方面考慮，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)是必要的。

結(jié)束語

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在北京城市軌道交通建設(shè)中應(yīng)用并不多，除了考慮方案的安全性、工期、質(zhì)量等因素外，工程造價(jià)也是必須考慮的。我們可以通過北京8號(hào)線地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)方案變更的案例分析，了解到風(fēng)險(xiǎn)源密集區(qū)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性更強(qiáng)。工程安全、工期、質(zhì)量是工程的核心保證，這些因素直接影響工程造價(jià)高低，而在對(duì)這些控制因素的選擇時(shí)，工程造價(jià)又將作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行可行性比選。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的分析研究，對(duì)于后續(xù)類似工程造價(jià)分析具有參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介【秦曉帥、1989年9月18日、女、山東省棲霞市人、中級(jí)經(jīng)濟(jì)師、現(xiàn)在主要從事成本管理工作?！?/p>

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