1引言
在現代城市建設中,地下空間的開發利用已成為壹個重要的組成部分。而盾構法隧道,由於其先進的施工工藝和不斷完善的施工技術,使得其在城市地下空間的開發中取得了巨大的成功,並被越來越多地應用於城市地鐵、上下水道以及地下***同溝等隧道工程建設中。在我國的各大主要城市,如上海、北京、深圳、廣州和南京等地,已建和在建的地鐵隧道大都采用盾構法施工。但是,壹方面伴隨著各主要城市為解決制約城市經濟發展的交通瓶頸問題,對發展地下軌道交通有著較大的需求,另壹方面,采用盾構法施工的隧道,從工程造價上來看是非常昂貴的,這在壹定程度上制約了城市地下空間的開發和利用。
因此,如何合理地控制盾構隧道的建設成本、降低工程造價,已成為當前地下空間開發必須認真研究的課題。目前,這壹研究工作已取得階段性成果,如日本建設省制定了“降低土木工程造價的指導方針”[1],要求從設計階段開始就采取縮小結構物斷面、結構物形狀單純化、構件預制化、材料規格化和標準化以及施工技術標準化等5大措施。關寶樹[1]總結了影響地下鐵道造價的主要因素,並指出降低建設費主要應從以下三個方面入手:降低車輛等設備購置費、降低運營管理費,以及降低作為基礎設施的土建工程的費用。張鳳祥[2]等人基於當前我國盾構技術發展的現狀和特點,提出了今後我國盾構技術開發的方向:降低成本、提高質量、施工高速化、使用壽命長等,即通過機械化、智能化、信息化、設計規範化、新材料和新工藝的采用等幾個方面來實現。Y.TAYAGAKI[3]等人提出了增加盾構隧道管片寬度,提高經濟效益,從而降低成本的措施。最近,日本和中國[4][5]都在開展預應力高強管片的應用研究,由於這種管片省去了接頭螺栓和二次襯砌,使得盾構隧道的外徑縮小,從而降低總的建設費用。本文在分析了盾構法隧道成本構成的基礎上,總結了國內外眾多的施工業績,並結合現有的技術水平,從設計和施工技術的角度論述了如何進行成本縮減,從而達到降低工程造價的目的。
2盾構隧道的成本構成
表1是對中、日兩國盾構隧道建設成本的構成分析[7],從中我們可以看出各主要項目在整個隧道建設成本中所占的比例。並且,還可發現構成費用的主體主要有這幾大項:管片襯砌、機器設備、廢土運輸處理及豎井建造的防護費用。因此,本文對成本縮減研究的重點也在於此。
3盾構隧道的成本縮減研究
3.1管片和襯砌的成本縮減
3.1.1合理的設計方法
盾構隧道的設計主要是針對管片和襯砌的設計,而目前應用較多的就是慣用設計法。慣用設計法是壹種不考慮管片接頭剛度降低而將其視作剛度均勻的圓環的設計方法,計算時假定土體隨管片環的變形而產生地基反力。這種設計法由於沒有考慮管片接頭剛度的降低,因而計算出的結果相對來說要偏高。而梁—彈簧模型法[6]則是將管片環模擬為梁的構架(直梁或曲梁),用旋轉彈簧和剪切彈簧分別模擬管片接頭和環間接頭,將其彈性性能用有限元法進行構架分析,計算截面力。據認為,這種計算法是壹種解釋管片環承載機理的有效方法。
在某高速公路隧道的設計中,應用梁—彈簧模型法計算出的管片厚度為40～45cm,而采用慣用設計法計算出的則為50～65cm。可見,使用前者可以提高計算的精度,降低的管片厚度,壹方面使得隧道斷面縮小,另壹方面則降低了制造費用。
3.1.2二次襯砌的省略
盾構施工法中施作二次襯砌的作用在於:防腐、放水、防火、隧道內表面光滑、管片拼裝蛇行修正以及隧道襯砌的補強作用。在確保襯砌強度和結構安全性的條件下,二次襯砌的省略,其優點主要有以下幾點:
(1)由於二次襯砌的省略,直接導致成本的降低;
(2)由於二次襯砌的省略,工期得以縮短;
(3)由於掘削斷面的縮小,排出的棄土將會減少,從而使得機器設備、始發及到達豎井等的規模縮小。
3.1.3增加管片寬度
通過增加管片的寬度,則沿隧道縱向管片接頭的數目可以減少,從而管片的生產費用就會降低;在隧道長度不變的情況下,增加管片寬度,組裝次數減少,日推進量增加,工期可以縮短;增加管片寬度,相應減少了隧道的環縫數量,不僅改善隧道的防水狀況,而且還減少了接縫止水材料以及連接件的投資。但是,管片寬度的增加可能會出現這樣的問題:由於管片環接頭螺栓處產生的剪切力的作用,導致管片彎曲應力增加,並且主要集中於管片斷面的邊緣部位。對此,Y.TAYAGAKI[3]提出將加寬後的管片按錯縫拼裝使其具有很高的強度,以此來保證隧道的結構安全;另外,采取高強連接接頭、管片邊緣部位鋼筋加密以及等分布置管片等措施,能很好的消除接頭部位的應力集中。
3.1.4預應力高強管片的使用
這是壹種新型的盾構隧道用管片,其作法是將在工廠制作的混凝土管片在盾構機後方組裝成壹個環,並將預應力鋼絞線插入預先埋設在管片內的套管中進行張拉和錨固,從而形成壹個預應力管片環,並具有無裂縫,以及真圓性、止水性、耐久性等均好的特點。
使用這種結構的優點在於:
(1)由於省去了二次襯砌和減小了構件厚度,使盾構隧道的外徑縮小,這樣可以降低總的建設費用。
(2)由於省去了管片之間、環之間的接頭螺栓類,提高了施工性,有利於縮短工期。此外,由於接頭部分省去了螺栓等金屬物件,使得管片鋼筋配置簡單化。
(3)不使金屬物件露在表面,不僅提高了止水性也使內表面相對平滑,這對省去二次襯砌也具有很好的適應性。
3.2機器設備的成本縮減
3.2.1合理的盾構機選型
盾構機選型主要包括:盾構類型的選擇,如泥水式還是土壓式;盾構機具體結構的選擇,如刀盤形式、刀頭配置、開口位置及開口率、推進千斤頂的推進行程等。盾構機選型不僅直接關系到設備的購置費,更與造價的合理性有關。不合理的選型,壹方面會因為設備的預留儲備過多,設備的利用率低,從而造成設備購置費用占整個工程造價的比重過高,形成不必要的浪費;另壹方面,如果所選盾構不具有很好的地層適應性,不僅會造成高能耗低產出,而且會造成工期的延誤,從而最終導致工程造價的劇增。因此,合理而科學的盾構選型應結合擬建隧道的功能、總長度、埋深、地質條件、沿線地面建築物、地下構築物和管線等環境條件,以及對地表變形的控制要求等做綜合的分析後決定,從而使得所選盾構產生最大的費效比。
3.2.2特種盾構機的使用[7]
(1)適應長距離掘進的盾構機
盾構掘進的長距離化,壹方面有助於減少同時施工的盾構機臺數,另壹方面也有利於減少中間連接豎井的數量和進出洞時的地層改良次數,從而達到降低工程造價的目的。
(2)適應斷面形狀變化的盾構機
地鐵隧道大多是圓形的,在地鐵建設過程中,往往會遇到兩種不同斷面形狀的隧道在地中結合的情況(如地鐵車站等處)。通常,都是在斷面變化處建造豎井,並分別采用不同斷面形狀的盾構機來施工。無論是不同斷面形狀的盾構機的使用,還是中間連接豎井的建造,都勢必造成整個施工成本的高漲。因此,應對的措施是采用斷面形狀可伸縮變化的特種盾構機。舉例來說,就是當遇到地鐵隧道與車站相連的情況時,在相鄰車站間的隧道采用圓形盾構,而到達車站時,則兩翼展開成三圓盾構進行車站的掘進;當遇到斷面直徑由大突變至小的情況,宜采用母子盾構機,並在變徑處實現母、子盾構機分離。所有這些情況均只采用壹臺盾構來施工,而將中間的連接豎井省略掉,從而達到降低造價的目的。
3.2.3高效高能切削刀具的使用
為了適應長距離化掘進,對於所選盾構機及其配套設備有如下的要求:
(1)盡量減少損耗材料的更換次數
這裏主要指的是切削刀具和密封材料的更換,減少它們的更換次數,就避免了更多的停工延誤時間。同時,為了解決長距離推進過程中刀具的更換問題,壹些制造廠商開始研制可在常壓下能夠隨時安全、快速進行刀具更換的盾構機。最近,日本三菱重工與石川島播磨重工已聯合研制成功了壹種新型盾構機,其刀盤采用“球體”技術,可旋轉180°後,在大氣壓下更換刀具。
(2)切削刀具耐久性的提高
耐久性的提高,主要有賴於刀盤、刀具材質的提高(如在刀具上鑲嵌超硬合金刀頭,對刀頭磨損有明顯的減輕);刀盤和刀具形狀的合理選擇;以及各種切削刀頭的合理布置。此外,刀頭的大型化也是提高耐磨性的必要手段之壹。
(3)施工材料和掘削土砂運輸的高效化
長距離掘進,由於減少了中間豎井數,則運輸距離相對延長。因此,對材料輸送設備提出了新的要求,如設備的大容量化,以及運輸的高效化。
3.3豎井建造的成本縮減
壹般來說,地鐵隧道的總長度越長,則所需的地中結合豎井也越多。為此,豎井建造費和盾構機進出洞處的地層改良費也就越高。因此,合理地選擇豎井數量及其結構形式,將直接關系到成本總量。為了盡量減少豎井建造的成本,可采取的有效措施包括:盾構掘進的長距離化,減少中間豎井的數量;采用特種盾構,使地中分叉、地中變徑處的豎井得以省略;在操作空間得以保證的前提下,盡量減少豎井的建造面積。此外,選擇合理的施工工法(地下連續墻、SMW工法、沈箱法)和豎井結構形式的選擇(矩形、圓形)等也很重要,對此須做詳細的技術經濟比較。
3.4施工高速化
高速化施工,可明顯縮短工期,有助於降低設備維護費和人工費用,從而有利於總建設成本的降低。為達到高速施工的目的,可采取的措施有:
(1)掘進速度的提高:即采取大功率、大容量的設備;
(2)管片拼裝的高效化:增加管片寬度,減少接頭數量;簡化接頭形式,如改變螺栓式接頭為插入式接頭;
(3)管片拼裝和盾構掘進的同時進行;
(4)運輸高速化:包括運輸設備大容量化和運輸速度的提高。
4結語
影響盾構隧道建造成本的因素有很多,如隧道長度、隧道埋深、隧道斷面形狀、隧道線性條件、盾構穿越地層的地質條件、隧道沿線的環境條件以及障礙物情況等。因此,盾構隧道的成本縮減研究要從多方面著手。本文則是在分析國內外眾多工程實例的基礎上,研究了盾構法隧道的成本構成,並結合現有的技術水平,從管片和襯砌、盾構機器設備、豎井建造和高速化施工等四個主要方面論述了如何進行成本縮減,從而達到降低工程造價的目的。此外,新技術的開發、新材料和新工藝的應用,正越來越成為降低建設成本的主要對策。
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