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摘要：本文以北京地铁十号线（含奥运支线）十一标段盾构法区间隧道作为工程背景，研究了城市地铁隧道盾构法施工成本的主要影响因素。全文从盾构选型、土的工程地质性质两个方面对地铁工程造价的影响进行了分析研究，了解到应该在哪些方面如何进行成本缩减，对正确认识和确定区间隧道盾构法的成本，有一定的借鉴意义。
关键词：地铁隧道，盾构法施工，成本
1 工程与地质概况
1.1 工程概况
北京地铁十号线（含奥运支线）十一标段，包括麦子店西路站~亮马河站和亮马河站～农展馆两个区间，使用两台盾构同向推进。先后从麦子店西路盾构始发井，分别掘进左、右线至亮马河站北端头井，然后转至农展馆；再从农展馆出发，掘进至亮马河南端头井结束，前后依次掘进长度为2121.6m和697m，施工流程如图1。
区间隧道为单圆隧道，圆形区间隧道的内径为5400mm，外径为6000mm。采用有一定接头刚度的单层衬砌。衬砌环全环由三块标准块、两块邻接块及一块封顶块构成。衬砌环环宽为1200mm，采用错缝拼装。
1.2 地质概况
北京地铁十号线（含奥运支线）十一标段隧道穿越粉质粘土③1层、粉质粘土④层、粘土④1层、粉土④2层、粉细砂④3层、卵石圆砾⑤层、中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层、粉质粘土⑥层、粘土⑥1层、粉土⑥2层、细中砂⑥3层、中粗砂⑦1层等土层，地层交错混杂。
隧道沿线地下水包括：上层滞水（水位埋深为2.30～7.70m）、潜水层、承压水，地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土中的钢筋具弱腐蚀性，在长期浸水条件下对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性。
2 地铁隧道盾构法施工成本的主要影响因素
2.1 盾构的选型
盾构选型主要包括：盾构类型的选择，如泥水式还是土压式；盾构具体结构的选择，如刀盘形式、刀头配置、开口位置及开口率、推进千斤顶的推进行程等。盾构选型不仅直接关系到设备的购置费，更与造价的合理性有关。不合理的选型，一方面会因为设备的预留储备过多，设备的利用率低，从而造成设备购置费用占整个工程造价的比重过高，形成不必要的浪费；另一方面，如果所选盾构不具有很好的地层适应性，不仅会造成高能耗低产出，而且会造成工期的延误，从而最终导致工程造价的剧增[2]。
因此，合理而科学的盾构选型应结合拟建隧道的功能、总长度、埋深、地质条件、沿线地面建筑物、地下构筑物和管线等环境条件，以及对地表变形的控制要求等做综合的分析后决定，从而使得所选盾构产生最大的费效比。
土压平衡盾构能够适应从砂、粘土到卵石的各种地层。对于地层中有较大粒径的卵石，在盾构刀盘的设计上应采用合适的刀盘开口率及开口口径；为保证开挖下来的卵石、土的流动性、可排性，有效地稳定开挖面，可在密封仓内加入添加材料（如泥浆，专用泡沫等），螺旋输送器也应保证大粒径卵石的排出；针对施工中的承压水，为防止在出碴过程中出现喷涌现象，盾构机的出土装置应能应付较大的地下水压力。另外，进一步对泥水式平衡盾构和加泥式土压平衡盾构的主要特性进行了比较，其内容与结果详见表1.
根据表1[1]的两种机型技术特性的比较结果可以看出，对于北京市地铁十号线十一标隧道盾构法施工，加泥式土压平衡盾构的技术经济比较合理，建议为首选机型，概略图如图2。
2.2 土的工程地质性质
北京地铁十号线（含奥运支线）十一标段沿线多种地层并存，交错混杂。根据隧道穿越的不同地层，沿线可划分为3个地质段，分别为粉质粘土、粘土、粉土地质段；粉质粘土、粉细砂、中粗砂、细中砂、粉土地质段；粉细砂、卵石圆砾地质段。
2.2.1 粉质粘土、粘土、粉土地质段
该地质段的地层土体密实度高，土中粘粒成分较多，而隧道下部已进入承压水中，土体遇水粘度大，因此土体有很好的自稳能力。开挖面平衡以及有效的地表沉降控制均较易实现，沿线同步注浆压力及注浆量较恒定。刀具磨损小。但粘性土较易附着于刀盘表面及靠近中心区域的刀盘开口，有时泥土层会越积越厚，形成大“泥饼”，阻碍施工的正常进行，造成切削效率降低，刀盘扭矩增大；切削土体进入土仓后也易附着于仓板表面，常发生螺旋输送机的粘附堵塞，盾构不能正常掘进，导致工期延长，施工费用增加。
因此，有必要进行土体改良，采用泡沫、膨润土等外加剂来改善土体的流塑性和渗透性，在增加土体流动性的同时降低其附着性，防止土体附着于刀盘或土仓内壁，效果十分显著。并根据出土的情况、盾构掘进速度、刀盘扭矩等参数合理调整泡沫在注入管路分配和注入位置，使刀盘前方、土仓内和螺旋输送机内都能够有适量的泡沫注入，使土体改良效果达到最佳，从而提高盾构掘进效率，降低工程造价。
由于泡沫、油脂等材料消耗较少、同步注浆压力及注浆量较恒定、刀具磨损小等因素，相对来说，施工成本较低。
2.2.2 粉质粘土、粉细砂、中粗砂、细中砂、粉土地质段
在该地质段隧道已进入潜水位。隧道中部为粉细砂、中粗砂，土层较厚；顶板为粉质粘土，土层较薄；底板为粉质粘土、粉土，局部为中粗砂。粉细砂、中粗砂为潜水含水层，易发生涌砂。
该地质段隧道侧壁围岩土体自稳能力差，同时受地下水的影响，一旦被扰动极易发生坍塌、地下水突涌等现象。地层较难在长时间内维持稳定的土仓压力，地表沉降控制难度大，操作不当会产生开挖面上方的局部坍塌。砂性土中含个别砾石，石英含量较大，刀具磨损较严重。沿线同步注浆压力及注浆量比粉质粘土、粘土层有所增加。这些加大了施工难度，影响工程造价。
针对以上问题，在施工中的土体改良添加材料，采用泡沫与泥浆配合使用，改善了土体的和易性、流动性和止水性。隧道上部为粉质粘土，下部为粉细砂、中粗砂、细中砂，属于上软下硬地层，为防止盾构“抬头”，要保持下俯姿态（即倾角为负）。
由于泡沫、泥浆、同步注浆量、油脂等材料消耗增加，刀盘扭矩增大，刀具磨损较严重等因素，导致施工成本比粉质粘土、粘土层要高。
2.2.3 粉细砂、卵石圆砾地质段
隧道断面经过的地层以粉细砂、卵石圆砾层为主，上覆地层为主要为粉细砂，部分为粉质粘土。隧道已进入潜水位，粉细砂、卵石圆砾层为潜水含水层，施工中易发生流砂、涌水等工程问题，是施工中控制难度最大的地段。
根据地质勘察报告，卵石圆砾层属低压缩性土，最大粒径105mm，一般粒径10～30mm，粒径大于2mm颗粒含量约为总质量的55％，土体自稳能力差。切削下来的土体较易堆积在土仓下部而难以充满整个土仓，维持土压平衡的难度增加；大粒径卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的渣土经螺旋输送机向外排出也十分困难；刀盘和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾構掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大；刀盘扭矩明显增大，掘进速度慢，刀具磨损快；停止掘进时土压力消散快，再启动困难；砂、卵石圆砾层的渗透性较大，土仓内压力消散较快，维持开挖面稳定有一定困难。
主要措施：①研究土体改良外加材料的选用以及地层处理效果的改善，除泡沫、膨润土以外增加了压缩空气、泥浆配合使用，有利于实现土压平衡，加强了刀具的润滑、冷却，改善了工作状态，提高了切削效率，大大降低了刀具磨损速度，同时改善了土体的和易性、流动性、止水性和可排性；②向土仓内注入泥浆并充分搅拌，改善土仓内土体的性质，防止土压力的快速消散，保持开挖面的稳定；③为克服刀盘再次启动的困难，用泡沫注入开挖面以利于刀具切削，泥浆注入仓内以降低仓内土体的摩阻力，为刀盘转动提供有利条件；④在掘进操作本身，在保持土压平衡的前提下，通过合理调节排土机构与推进千斤顶，使刀盘顺利启动；⑤由于砂、卵石圆砾层的渗透性较好，卵石粒径较大，土体与管片圆环间的“建筑空隙”加大，注浆压力增大，实际同步注浆量应大于理论计算量，以确保填满全部建筑空隙。必要时，调整砂浆的配合比，增加水泥用量，缩短砂浆的初凝时间，加快管片周围土体的固结，避免地面沉降超限。根据实际情况，为弥补同步注浆的不足，可以考虑采用管片背后二次注浆作为补充，必须保证管片背后空隙充填密实。在本地质段，每环注浆量在“建筑空隙”的160％~180％；⑥砂、卵石圆砾层的渗透性较好，富含地下水，加强盾尾油脂的压注工作，加大盾构的密封功能。
由于刀盘扭矩增大、刀具磨损严重、掘进速度降低、切削效率降低、泡沫、泥浆、膨润土、压缩空气等外加剂使用量和油脂、注浆量增加、设备折旧费和掘进费用增加以及施工监测费用增加等因素影响，致使该地质段成为工程造价最高的地质段。
3 结语
文章主要从盾构的选型和土的工程地质性质两个方面论述了对地铁隧道盾构法施工成本的影响。尤其是通过对土的工程地质性质的分析，得出盾构在粉质粘土、粘土、粉土层中施工成本较低，在砂土、卵石圆砾层中施工控制难度最大，施工成本最高。
通过对盾构施工成本主要影响因素研究，了解到应该在哪些方面如何进行成本缩减，希望达到降低地铁隧道工程造价、优化设计的目的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：地铁隧道，盾构法施工，成本
1 工程与地质概况
1.1 工程概况
北京地铁十号线（含奥运支线）十一标段，包括麦子店西路站~亮马河站和亮马河站～农展馆两个区间，使用两台盾构同向推进。先后从麦子店西路盾构始发井，分别掘进左、右线至亮马河站北端头井，然后转至农展馆；再从农展馆出发，掘进至亮马河南端头井结束，前后依次掘进长度为2121.6m和697m，施工流程如图1。
区间隧道为单圆隧道，圆形区间隧道的内径为5400mm，外径为6000mm。采用有一定接头刚度的单层衬砌。衬砌环全环由三块标准块、两块邻接块及一块封顶块构成。衬砌环环宽为1200mm，采用错缝拼装。
1.2 地质概况
北京地铁十号线（含奥运支线）十一标段隧道穿越粉质粘土③1层、粉质粘土④层、粘土④1层、粉土④2层、粉细砂④3层、卵石圆砾⑤层、中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层、粉质粘土⑥层、粘土⑥1层、粉土⑥2层、细中砂⑥3层、中粗砂⑦1层等土层，地层交错混杂。
隧道沿线地下水包括：上层滞水（水位埋深为2.30～7.70m）、潜水层、承压水，地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土中的钢筋具弱腐蚀性，在长期浸水条件下对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性。
2 地铁隧道盾构法施工成本的主要影响因素
2.1 盾构的选型
盾构选型主要包括：盾构类型的选择，如泥水式还是土压式；盾构具体结构的选择，如刀盘形式、刀头配置、开口位置及开口率、推进千斤顶的推进行程等。盾构选型不仅直接关系到设备的购置费，更与造价的合理性有关。不合理的选型，一方面会因为设备的预留储备过多，设备的利用率低，从而造成设备购置费用占整个工程造价的比重过高，形成不必要的浪费；另一方面，如果所选盾构不具有很好的地层适应性，不仅会造成高能耗低产出，而且会造成工期的延误，从而最终导致工程造价的剧增[2]。
因此，合理而科学的盾构选型应结合拟建隧道的功能、总长度、埋深、地质条件、沿线地面建筑物、地下构筑物和管线等环境条件，以及对地表变形的控制要求等做综合的分析后决定，从而使得所选盾构产生最大的费效比。
土压平衡盾构能够适应从砂、粘土到卵石的各种地层。对于地层中有较大粒径的卵石，在盾构刀盘的设计上应采用合适的刀盘开口率及开口口径；为保证开挖下来的卵石、土的流动性、可排性，有效地稳定开挖面，可在密封仓内加入添加材料（如泥浆，专用泡沫等），螺旋输送器也应保证大粒径卵石的排出；针对施工中的承压水，为防止在出碴过程中出现喷涌现象，盾构机的出土装置应能应付较大的地下水压力。另外，进一步对泥水式平衡盾构和加泥式土压平衡盾构的主要特性进行了比较，其内容与结果详见表1.
根据表1[1]的两种机型技术特性的比较结果可以看出，对于北京市地铁十号线十一标隧道盾构法施工，加泥式土压平衡盾构的技术经济比较合理，建议为首选机型，概略图如图2。
2.2 土的工程地质性质
北京地铁十号线（含奥运支线）十一标段沿线多种地层并存，交错混杂。根据隧道穿越的不同地层，沿线可划分为3个地质段，分别为粉质粘土、粘土、粉土地质段；粉质粘土、粉细砂、中粗砂、细中砂、粉土地质段；粉细砂、卵石圆砾地质段。
2.2.1 粉质粘土、粘土、粉土地质段
该地质段的地层土体密实度高，土中粘粒成分较多，而隧道下部已进入承压水中，土体遇水粘度大，因此土体有很好的自稳能力。开挖面平衡以及有效的地表沉降控制均较易实现，沿线同步注浆压力及注浆量较恒定。刀具磨损小。但粘性土较易附着于刀盘表面及靠近中心区域的刀盘开口，有时泥土层会越积越厚，形成大“泥饼”，阻碍施工的正常进行，造成切削效率降低，刀盘扭矩增大；切削土体进入土仓后也易附着于仓板表面，常发生螺旋输送机的粘附堵塞，盾构不能正常掘进，导致工期延长，施工费用增加。
因此，有必要进行土体改良，采用泡沫、膨润土等外加剂来改善土体的流塑性和渗透性，在增加土体流动性的同时降低其附着性，防止土体附着于刀盘或土仓内壁，效果十分显著。并根据出土的情况、盾构掘进速度、刀盘扭矩等参数合理调整泡沫在注入管路分配和注入位置，使刀盘前方、土仓内和螺旋输送机内都能够有适量的泡沫注入，使土体改良效果达到最佳，从而提高盾构掘进效率，降低工程造价。
由于泡沫、油脂等材料消耗较少、同步注浆压力及注浆量较恒定、刀具磨损小等因素，相对来说，施工成本较低。
2.2.2 粉质粘土、粉细砂、中粗砂、细中砂、粉土地质段
在该地质段隧道已进入潜水位。隧道中部为粉细砂、中粗砂，土层较厚；顶板为粉质粘土，土层较薄；底板为粉质粘土、粉土，局部为中粗砂。粉细砂、中粗砂为潜水含水层，易发生涌砂。
该地质段隧道侧壁围岩土体自稳能力差，同时受地下水的影响，一旦被扰动极易发生坍塌、地下水突涌等现象。地层较难在长时间内维持稳定的土仓压力，地表沉降控制难度大，操作不当会产生开挖面上方的局部坍塌。砂性土中含个别砾石，石英含量较大，刀具磨损较严重。沿线同步注浆压力及注浆量比粉质粘土、粘土层有所增加。这些加大了施工难度，影响工程造价。
针对以上问题，在施工中的土体改良添加材料，采用泡沫与泥浆配合使用，改善了土体的和易性、流动性和止水性。隧道上部为粉质粘土，下部为粉细砂、中粗砂、细中砂，属于上软下硬地层，为防止盾构“抬头”，要保持下俯姿态（即倾角为负）。
由于泡沫、泥浆、同步注浆量、油脂等材料消耗增加，刀盘扭矩增大，刀具磨损较严重等因素，导致施工成本比粉质粘土、粘土层要高。
2.2.3 粉细砂、卵石圆砾地质段
隧道断面经过的地层以粉细砂、卵石圆砾层为主，上覆地层为主要为粉细砂，部分为粉质粘土。隧道已进入潜水位，粉细砂、卵石圆砾层为潜水含水层，施工中易发生流砂、涌水等工程问题，是施工中控制难度最大的地段。
根据地质勘察报告，卵石圆砾层属低压缩性土，最大粒径105mm，一般粒径10～30mm，粒径大于2mm颗粒含量约为总质量的55％，土体自稳能力差。切削下来的土体较易堆积在土仓下部而难以充满整个土仓，维持土压平衡的难度增加；大粒径卵石不但切削或破碎困难，而且切削下来的渣土经螺旋输送机向外排出也十分困难；刀盘和螺旋输送机以及密封舱内壁磨损严重，而且盾構掘进过程中产生的震动和噪音对周边环境影响较大；刀盘扭矩明显增大，掘进速度慢，刀具磨损快；停止掘进时土压力消散快，再启动困难；砂、卵石圆砾层的渗透性较大，土仓内压力消散较快，维持开挖面稳定有一定困难。
主要措施：①研究土体改良外加材料的选用以及地层处理效果的改善，除泡沫、膨润土以外增加了压缩空气、泥浆配合使用，有利于实现土压平衡，加强了刀具的润滑、冷却，改善了工作状态，提高了切削效率，大大降低了刀具磨损速度，同时改善了土体的和易性、流动性、止水性和可排性；②向土仓内注入泥浆并充分搅拌，改善土仓内土体的性质，防止土压力的快速消散，保持开挖面的稳定；③为克服刀盘再次启动的困难，用泡沫注入开挖面以利于刀具切削，泥浆注入仓内以降低仓内土体的摩阻力，为刀盘转动提供有利条件；④在掘进操作本身，在保持土压平衡的前提下，通过合理调节排土机构与推进千斤顶，使刀盘顺利启动；⑤由于砂、卵石圆砾层的渗透性较好，卵石粒径较大，土体与管片圆环间的“建筑空隙”加大，注浆压力增大，实际同步注浆量应大于理论计算量，以确保填满全部建筑空隙。必要时，调整砂浆的配合比，增加水泥用量，缩短砂浆的初凝时间，加快管片周围土体的固结，避免地面沉降超限。根据实际情况，为弥补同步注浆的不足，可以考虑采用管片背后二次注浆作为补充，必须保证管片背后空隙充填密实。在本地质段，每环注浆量在“建筑空隙”的160％~180％；⑥砂、卵石圆砾层的渗透性较好，富含地下水，加强盾尾油脂的压注工作，加大盾构的密封功能。
由于刀盘扭矩增大、刀具磨损严重、掘进速度降低、切削效率降低、泡沫、泥浆、膨润土、压缩空气等外加剂使用量和油脂、注浆量增加、设备折旧费和掘进费用增加以及施工监测费用增加等因素影响，致使该地质段成为工程造价最高的地质段。
3 结语
文章主要从盾构的选型和土的工程地质性质两个方面论述了对地铁隧道盾构法施工成本的影响。尤其是通过对土的工程地质性质的分析，得出盾构在粉质粘土、粘土、粉土层中施工成本较低，在砂土、卵石圆砾层中施工控制难度最大，施工成本最高。
通过对盾构施工成本主要影响因素研究，了解到应该在哪些方面如何进行成本缩减，希望达到降低地铁隧道工程造价、优化设计的目的。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。