风险源密集区泥水平衡盾构掘进方案可行性研究

摘要：在城市轨道交通建设中，工程项目受地表建筑物的影响越来越多。本文章结合北京地铁8号线王府井站～前门站区间盾构方案变更的实例，详细阐述了在风险源密集区土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机在风险控制、制约条件、安全性、工期、费用等方面的优劣势，具体分析了方案变更前后两者工程造价的变化，对于后续类似工程具有非常重要的参考价值。

关键词：风险源密集区;泥水平衡盾构;可行性

1.工程概况

1.1工程设计概况

本工程为北京地铁8号线王府井站～前门站区间盾构施工，区间为标准单线单洞隧道，共计长3284.00米，线路出8号线王府井站后，以矿山法隧道下穿1号线王府井站后，再以盾构法区间沿台基厂大街南行，至东交民巷路口向西折向前门东大街，下穿北京市密码管理局一栋3层房屋及首都大酒店B栋一角后，沿前门东大街，于地铁2号线区间及国铁直径线的北侧并行敷设向西行进，再由前门东大街转入前门大街时，依次斜下穿2号线区间及国铁直径线，接着下穿规划展览馆及盖板河后进入前门站，与地铁2号线前门站换乘。

区间上方多为繁忙的现状道路，地下市政管线密集，沿线建、构筑物及古文物较多，如图1.1-1所示。

1.1-1王前区间平面图

1.2 工程水文地质条件

1.2.1工程地质条件

本工程涉及的控制性勘探孔最大深度为69.00m。按照地层沉积年代、成因类型、地层岩性及其物理力学性质对地层进行划分，根据本区间拟建场地地层分布情况，共划分为11个大层。由于勘察未揭露到新近沉积层，报告中的第二大层新近沉积层缺失，在报告中的地层序号不连续，体各土层岩性及分布特征简述如下：（1）人工堆积层：受管道渗漏等形成上层滞水的影响，该层土极易坍塌;（2）新近沉积层：勘察未揭露到新近沉积土层，本报告中的第二大层新近沉积层缺失;（3）第四纪沉积层：包含黏质粉土、砂质粉土、卵石、圆砾、砂质粉土粉质黏土等。隧道区间主要为卵石、卵石和砂土复合地层，不同地层所占区间长度百分比如图1.2-1所示。

1.2-1 隧道区间不同地层所占区间长度百分比

1.2.2工程水文条件

区间共勘测到4层含水层，包含上层滞水、层间水、潜水、承压水。各层地下水水位情况及类型参见表1。

2.工程重难点

2.1区间盾构始发与接受是本工程的重难点

盾构施工过程中的始发与接收涉及盾构机刀盘的进洞与出洞，容易引起地表沉降和涌水、突泥，如果加固效果不能达到设计要求，可能会造成始发和接收的失败，因此端头加固是本工程的重点。应根据各始发端头和接收端头的工程地质、水文地质、地面建构筑物及管线状况和端头结构等综合分析与评价，对洞门端头地层采用深孔注浆方式进行加固处理。

2.2下穿多处区间风险源是本工程的重难点

本区间存在特级风险源2处，一级风险源9处，二级风险源10处，三级风险源7处。盾构区间在下穿区间风险源是本工程的重难点。

针对区间特级风险源编制下穿区间特级风险源专项安全施工方案及应急预案，并通过专家论证。盾构施工时按照下穿区间特级风险源专项安全方案施工，并结合区间试验段优化施工参数，保证顺利通过区间特级风险。同时编制区间下穿区间按一级风险源专项安全施工方案指导盾构施工。

2.3刀具磨损检修更换是本工程的重难点

根据掘进参数判断刀具磨损情况，必要时采取带压进仓检修、更换刀具。编制带压进仓检修、换刀专项安全施工方案。

3.工程施工方案变更必要性

3.1原招标文件中土压平衡盾构机施工难度大

根据本工程的招标文件要求，盾构区间采用土压平衡盾构机施工，盾构机自东侧明挖场地始发，至王府井处盾构接收井接收。由于本区间隧道基本在有水卵石地层中穿过，对盾构机刀盘磨损较严重，招标设计中考虑在区间两处联络通道采用地面降水、土体加固措施，进行刀具检修。但是，根据已有的土压平衡盾构机施工经验，本区间土压平衡盾构机施工需要解决的困难有几点：一方面，本区间风险源多且非常重要，风险源沉降控制难度大;二方面，砂卵石地层中盾构机刀具磨损严重，需频繁换刀，且隧道区间可供换刀的场地少，施工风险大等技术性难点。

3.1.1穿越风险源风险大，沉降控制难度大

根据掘进经验，土压平衡盾构机在渣土改良较好的情况下，沉降可以控制在10mm～15mm之间，但难度较大。本区间地处敏感地带且连续下穿、侧穿多处特、一级风险源，共计特级风险源2处，一级风险源9处，二级风险源10处，三级风险源7处，沉降要求特别严格。

本隧道区间从地下国铁直径线斜下穿，两隧道竖向净距3.64m，从法国兵营西侧墙正下方穿过，从法国使馆的东侧围墙和南侧围墙正下方穿过，距意大利使馆的东侧围墙仅有10.90m。国铁直径线及2号线地铁等特级风险源允许沉降控制值为3mm，允许差异沉降控制值为3mm，注浆上浮1mm。东交民巷圣米厄尔天主教堂、法国兵营旧址建筑群、法国使馆旧址建筑群、意大利使馆旧址建筑群等风险源允许沉降控制值为10mm，允许差异沉降控制值为5mm。北京市规划展览馆、首都大酒店B座等风险源允许沉降控制值为15mm，允许差异沉降控制值为5mm。本段区间仅提供了建筑物控制指标及保护措施，但未明确围墙的控制指标及保护措施，围墙年代较为久远，盾构下穿或侧穿施工，风险更大。

3.1.2区间换刀风险大

原设计在2号联络通道和3号联络通道处换刀。联络通道通过地面打设降水井和地面加固，保证换刀在无水条件下进行，同时保证地层的稳定，所以采取常压进仓換刀的方式。

然而，经现场实际调查，2号联络通道所处交叉路口，涉及管线包括上水、电力、通信等多家产权单位的管线。3号联络通道所处交叉路口，管网也很密集，包括热力、电力、污水、雨水、通信等多家产权单位的管线。原设计方案中的两处换刀场地，即2号联络通道和3号联络通道，经过现场调查后，场地地面条件较差，道路窄，重要管线密集，根本不具备布置全部降水井及注浆管的条件，降水和土体加固效果难以保证，因此，换刀过程中存在很大风险。其余路段或者位于建构筑下方，或者穿越风险源，不具备施工条件。

3.2方案变更后泥水平衡盾构机施工的可行性

本区间地处敏感地带且连续下穿、侧穿特、一级风险源，沉降要求严格，土压平衡盾构机在本工程不适应，需进行方案变更。经专家论证后，泥水平衡盾构机在全断面卵石层中沉降可控制在5～9mm以内，且在全断面卵石地层中，泥水平衡盾构机施工刀具磨损较小，洞内开倉检修刀具风险较小，地面不需采取措施。目前，场区内已满足泥水平衡盾构施工的要求，全封闭厂棚可以有效解决泥水分离设备的噪声污染。

3.2.1刀具磨损小，降低施工成本

因设备在液体环流系统中的摩擦较低，泥水平衡盾构机与地层接触的设备磨损较小。膨润土泥浆提供了很好的润滑效果，更有利于长距离掘进，可减少刀盘各部分以及开挖仓中的磨损，不仅降低了施工风险，更节省了成本，加快了施工进度。经磨损模拟验算，掘进平均约600m更换一次刀具。

3.2.2开仓条件改善，施工风险减低

泥水仓更好的密闭性和保护压力平衡性，确保了施工掌子面的稳定性，大大降低了风险。因泥水平衡盾构掘进过程中一直在泥膜的保护下运转，而且做泥膜护壁时只需走一个大泥水循环即可，泥水平衡盾构机带压进仓方便，无需地面加固处理，随时满足带压进仓条件，大大缩短了换刀时间。泥水平衡盾构机在长时间停机的时候，泥水环流也不断进行，始终确保了开挖仓压力恒定，掌子面稳定，复推时不会出现刀盘卡死，更不会出现喷涌现象。

3.2.3施工沉降小，对沿途风险源控制更具可靠性

泥水盾构机在控制沉降方面，对开挖面土层支护更为稳定，对地表沉降控制更为方便，在全断面卵石层中沉降可控制在5～9mm以内。

3.3土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机方案比选

3.3.1 土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机综合因素对比

施工方案变更经过专家论证后，从风险控制、施工制约条件、安全性、工期及费用等方面最终选定泥水平衡盾构机的方案，论证的结果如下表2所示：

3.3.2 泥水平衡盾构机直径选择

目前，市场上直径6m泥水平衡盾构机很少，根据调查，市面上仅有7台直径6m的泥水平衡盾构机在施工，且都有后续项目等待施工。如果新购直径6m泥水平衡盾构机费用高，而且购置工期长，后续暂无项目等待施工，对企业长远发展不利。然而，企业已有2台直径6.2m泥水平衡盾构机分别于2018年2月初、3月初从外地项目退场，本标段盾构机计划2018年4月进场，均可满足工期要求，因此本标段采用6.2m直径泥水盾构机。

由于设计方案为直径6m的土压平衡盾构机，对于直径6m的泥水平衡盾构机即可满足施工要求，因企业考虑设备购置费、后期保养及后期利用率等因素决定采用现有直径6.2m泥水平衡盾构机，故建设单位只同意按照直径6m泥水平衡盾构机的费用进行审核结算。

3.3.3 土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机变更前后费用对比

正如上述原因，实际施工采用直径6.2m泥水平衡盾构机，建设单位按照计价原则只按照直径6m泥水平衡盾构机的费用结算。因泥浆处理清单费用尚未确定，预估工程造价对比如下表3所示：

通过土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机技术和经济方面比较，两者在盾构掘进方面费用相差不大，后者较前者主要是在泥浆处理费用上较高，泥浆处理包含泥浆制作、泥水分离、泥浆外运、泥水分离设备基础、泥浆站建设及拆除、洞内泥浆池建设等项。本区段共计3284.00米，泥浆制作预计需247328.80m3，泥水分离预计101669.83m3，泥浆外运预计101669.83m3。风险源费用不因盾构机机型变化而重新进行核算，执行原合同费用。虽然后者在工程造价方面费用要高30.67%，但是区间风险源非常特殊及重要，施工过程如发生地面沉降不可控，将会造成无法挽回的局面，届时补救费用远超工程造价的费用，从工程安全性方面考虑，采用泥水平衡盾构机是必要的。

结束语

泥水平衡盾构机在北京城市轨道交通建设中应用并不多，除了考虑方案的安全性、工期、质量等因素外，工程造价也是必须考虑的。我们可以通过北京8号线地铁项目盾构方案变更的案例分析，了解到风险源密集区泥水平衡盾构机的适应性更强。工程安全、工期、质量是工程的核心保证，这些因素直接影响工程造价高低，而在对这些控制因素的选择时，工程造价又将作为经济指标进行可行性比选。土压平衡盾构机与泥水平衡盾构机的分析研究，对于后续类似工程造价分析具有参考价值。

参考文献：

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[2]陈馈.北京铁路地下直径线盾构选型[J].建筑机械，2007（06）：36-38.

[3]琚时轩.土压平衡盾构和泥水平衡盾构的特点及适应性分析[J].工程机械，2007（38）：21-22.

作者简介【秦晓帅、1989年9月18日、女、山东省栖霞市人、中级经济师、现在主要从事成本管理工作。】

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