陳天宇

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 430063, 武漢∥高級工程師)

我國越江交通工程建設(shè)中，超大直徑盾構(gòu)隧道工程以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，上海、南京、武漢等城市多座過江大直徑隧道已貫通，且在建或即將建設(shè)的越江市政、鐵路、公路大直徑盾構(gòu)隧道越來越多。盾構(gòu)機直徑已逐步從5.92 m發(fā)展至15.43 m，甚至更大。如：香港屯門—赤鱲角公路隧道直徑達到17.60 m；西雅圖SR99隧道直徑達到17.45 m，深圳荷坳隧道直徑達到18.10 m。超大直徑盾構(gòu)法施工技術(shù)已日漸成熟，但在施工造價估算、概預(yù)算、工程決算等工程造價方面的理論卻滯后于工程實踐[3]。根據(jù)CJJ 221—2015《城市地下道路工程設(shè)計規(guī)范》[4]，城市地下隧道工程大多為單洞三車道的隧道，其斷面尺寸接近15 m左右。可是，目前國家定額體系落后于施工技術(shù)發(fā)展的步伐，超大直徑盾構(gòu)機掘進定額發(fā)布不完善。在市政定額體系中，僅有部分省市先后發(fā)布了φ11.0 m級和φ15.5 m級的盾構(gòu)隧道施工定額；在鐵路施工定額體系中，《鐵路工程預(yù)算定額》[5]僅有φ12 m級和φ13 m級盾構(gòu)隧道的補充定額；在公路施工定額體系中[6]，無相關(guān)盾構(gòu)機定額。可見，現(xiàn)有規(guī)范定額難以適應(yīng)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道工程實際造價，不利于盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展。

已有大量學者對盾構(gòu)法隧道掘進的工程造價問題進行了相關(guān)研究，但主要是針對某個工程簡單分析其工程消耗量，而且盾構(gòu)直徑大多為11 m級和15 m級。目前并未有超大直徑盾構(gòu)機掘進定額的相關(guān)研究成果。對于盾構(gòu)機的折舊計算方法，現(xiàn)階段通常仍采用平均工作量法，但該理論計算結(jié)果與實際往往相差較大。此外，通過實際施工發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有泥水平衡盾構(gòu)機的泥漿處理定額存在一定缺陷，亟需修正。

因此，為解決上述存在的工程問題和現(xiàn)階段研究的不足，結(jié)合目前最新的φ11.0 m級和φ15.5 m級盾構(gòu)機掘進定額水平和施工技術(shù)水平，開展超大直徑盾構(gòu)機掘進費用研究，提出φ18 m級超大直徑盾構(gòu)機掘進定額消耗量的計算方法，并且分析了超大直徑盾構(gòu)機在不同地層(軟質(zhì)巖、硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖)中掘進的損耗量。考慮盾構(gòu)機折舊的主要影響因素，通過確定影響因子的定量指標，采用雙倍余額遞減數(shù)學計算模型，提出一種適用于φ18 m級超大直徑盾構(gòu)機加速折舊的計算方法，改進了φ11.0 m級和φ15.5 m級盾構(gòu)機常用的平均工作量計算方法。同時，考慮到泥水處理費用定額的缺陷，根據(jù)實際泥水處理消耗量對泥水處理定額水平進行了修正。針對大型泥水平衡盾構(gòu)機的掘進費用、盾構(gòu)折舊費用、泥漿處理費用，提出φ18 m級超大直徑盾構(gòu)機施工造價的合理測算方式，可為工程投資提供準確的造價測算，從而有效控制了工程成本，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，推動了超大直徑盾構(gòu)隧道施工定額的發(fā)展水平，具有重要的理論意義和工程實踐價值。

1 盾構(gòu)機掘進施工工序及費用組成

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，具有掘進速度快、安全性和全自動化程度高、不受氣候條件影響的優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。其施工工序為刀盤驅(qū)動、建立泥漿循環(huán)、啟動推進油缸、刀盤開挖、縮回頂進油缸、管片安裝等，如圖1所示。

根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)機掘進的施工工序，可以將其主要費用構(gòu)成分為：掘進出渣、泥漿處理、始發(fā)加固、管片襯砌及安裝和壁后注漿5個部分，其中始發(fā)加固、管片襯砌及安裝等費用的定額水平已很成熟。但是，掘進出渣、泥漿處理等工序的定額有待進一步研究。分別對南京長江隧道、杭州錢江隧道、揚州瘦西湖隧道、上海虹梅南路隧道、南京緯三路過江隧道和上海長江路隧道等6個超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道掘進工程設(shè)計投資與實際投資取平均值，然后將該費用分成上述5個部分進行誤差頻數(shù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)掘進、出渣和泥漿處理的投資誤差分別占投資總誤差的43.94%和32.88%，見表1。

表1 6個超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道工程的投資誤差統(tǒng)計

造成盾構(gòu)機投資誤差較大的主要原因，一方面，是由于盾構(gòu)機掘進定額與實際的誤差較大：

1) 目前，盾構(gòu)機掘進采用的主要定額為φ11.0 m級和φ15.5 m級盾構(gòu)機定額，如《山東省市政工程消耗量定額(SDA-1-31—2016)》[7]《湖北省市政工程消耗量定額及全費用基價表》[8]《市政工程消耗量定額(ZYA1-31—2015)》[9]等。全國市政定額中φ15 m級左右盾構(gòu)機的定額因編制時樣本過少，使得掘進定額的消耗量過大而偏離實際成本。盡管各省份的φ11.0 m級和φ15.5 m級盾構(gòu)機定額水平很高，且廣泛應(yīng)用于目前建設(shè)中的隧道工程，但并不適用于更大斷面的φ18 m級公路市政盾構(gòu)隧道工程。

2) 盾構(gòu)機穿越不同巖層下的掘進費用差異較大?，F(xiàn)階段發(fā)布的盾構(gòu)機掘進定額未區(qū)分軟巖、軟硬不均巖石、硬巖等不同巖層。實際上盾構(gòu)機在不同巖層中的掘進速度和刀具損耗亦存在較大差異。

3) 盾構(gòu)機折舊費用誤差大。對于超大型盾構(gòu)機，目前并無統(tǒng)一折舊的計算方法。若按小型盾構(gòu)機以折舊費形式計人工單價，則存在初期投入費用高、后期項目不明確、日常維護成本高等問題。

另一方面，主要由于泥漿處理費用與實際存在一定偏差，影響該費用的主要原因是未合理考慮泥漿處理消耗量及單價問題。

2 盾構(gòu)機掘進定額的理論分析

2.1 超大直徑盾構(gòu)機穿越軟質(zhì)巖層

大直徑盾構(gòu)機穿越均勻軟質(zhì)巖層時，據(jù)盾構(gòu)機的工作原理，盾構(gòu)機驅(qū)動的扭矩大小同其直徑的關(guān)系類似于三次方關(guān)系，盾構(gòu)機的泥水管路隨其直徑增大呈線性增加。根據(jù)目前已批復(fù)工程的定額組價情況，如武漢長江公鐵隧道、和燕路過江通道、上海長江路隧道等盾構(gòu)工程在均勻巖層中，φ15.5 m級盾構(gòu)機定額下的掘進消耗量與φ11.0 m級盾構(gòu)機定額下的掘進消耗量的比值，是兩者直徑比與面積比之和的平均值。據(jù)此，可推導(dǎo)出φ18 m級超大直徑盾構(gòu)機定額的掘進消耗量：

C18=K1C15.5

(1)

(2)

式中：

C18——φ18 m級盾構(gòu)機定額的掘進消耗量;

C15.5——φ15.5 m級盾構(gòu)機定額的掘進消耗量;

D1——φ18 m級盾構(gòu)機的外徑；

D2——φ15.5 m級盾構(gòu)機的外徑;

K1——相關(guān)系數(shù)。

本文統(tǒng)計了多個盾構(gòu)工程的掘進單價，如表2所示。由表2可見，對比φ11.0 m級盾構(gòu)機與φ15.5 m級盾構(gòu)機的綜合掘進單價，兩者比值與式(1)中的K1基本一致，表明式(1)可以準確反映超大直徑盾構(gòu)機的掘進消耗量。

表2 各盾構(gòu)工程掘進單價統(tǒng)計表

2.2 超大直徑盾構(gòu)機穿越硬質(zhì)巖層和軟硬不均質(zhì)巖層

為更準確地計算超大直徑盾構(gòu)掘進定額，還需要考慮盾構(gòu)掘進時穿越的地層，在不同圍巖下的盾構(gòu)掘進定額消耗量差別較大。超大直徑盾構(gòu)機掘進硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖時，為維護盾構(gòu)機各個系統(tǒng)的正常工作，盾構(gòu)刀具更換頻繁，滾刀刀圈及刀體、齒刀的消耗量較大，增加了刀具的損耗和機械工作量，導(dǎo)致掘進速度降低。以南京長江隧道、廣深港高速鐵路獅子洋隧道和武漢長江公鐵隧道為工程案例，其超大直徑盾構(gòu)機在不同巖層中的掘進速度和刀具損耗對比，見表3。

表3 超大直徑盾構(gòu)機在不同圍巖中的掘進速度和刀具損耗對比

為合理計算盾構(gòu)機的掘進費用，穿越硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖時，在擴大消耗量定額后，根據(jù)掘進的平均速度，增加盾構(gòu)機工作量。

3 盾構(gòu)機折舊費用

大型盾構(gòu)機采購費用龐大，其使用壽命均超出一項工程的建設(shè)周期，從而形成了在一個工程中盾構(gòu)機的分攤費用及其計列問題。盾構(gòu)機費用無論由業(yè)主還是施工方獨自承擔，其都將面臨極大的資金壓力以及續(xù)接項目的風險。因此，開展大型盾構(gòu)機折舊費用的研究，合理分攤費用，有利于市場競爭的公平性，從而形成良好市場環(huán)境，亦為更好地控制工程投資起到積極作用。φ15 m級超大直徑盾構(gòu)機的采購費用如表4所示。

表4 典型項目φ 15 m級盾構(gòu)機購置價格匯總

目前，水下盾構(gòu)隧道工程數(shù)量呈爆發(fā)型增長，結(jié)合近期竣工項目及即將建設(shè)的水下盾構(gòu)隧道，φ11 m級和φ15 m級的盾構(gòu)隧道均采用平均工作量法進行折舊：

QW=Pa(1-r)/Qs

(3)

式中：

QW——每項工作量的折舊額；

Qs——預(yù)計總工作量；

Pa——固定資產(chǎn)原價；

r——殘值率。

實際工程中，盾構(gòu)機掘進單位步距下的平均折舊費、平均維護費及其兩者總費用與掘進長度呈非線性關(guān)系(見圖2)。因此，現(xiàn)階段常用的平均工作量法顯然與實際不符，該問題對于超大直徑盾構(gòu)隧道工程尤為突出。為解決上述問題，考慮盾構(gòu)設(shè)備折舊的主要影響因子，通過確定其定量指標，基于雙倍余額遞減形式的加速折舊法數(shù)學計算模型，提出一種盾構(gòu)機加速折舊的計算方法。

根據(jù)以上影響因子，基于雙倍余額遞減原理，確定折舊模型。根據(jù)已竣工隧道項目的調(diào)查數(shù)據(jù)進行測算，以0.5 km為單位步距確定折舊率，計算得出單位步距理論折舊率和不同掘進長度下應(yīng)計提的折舊額。如圖3所示，單位步距折舊額和折舊率是遞減的，滿足雙倍余額遞減要求。

F0=FRM

(4)

R=(Prc-Nrc)/Nrc

(5)

式中：

F0——調(diào)整后的單位長度折舊率；

F——折舊率，F(xiàn)=2×0.5/L，L為掘進長度(以0.5 km為步距)；

R——機械功能性貶值系數(shù)；

M——機械利用系數(shù);

Prc——復(fù)原重置成本；

Nrc——更新重置成本，根據(jù)經(jīng)驗取0.6～0.7，且隨工作量的減小而減小。

則Dj的計算公式為：

(6)

式中：

Dj——第j步距的折舊額(以0.5 km為步距)；

F0,j——第j步距的調(diào)整折舊率；

Rj——第j步距的機械功能性貶值系數(shù)；

Mj——第j步距的機械利用系數(shù)；

Di——掘進長度的折舊額；

P——機械設(shè)備購置價。

新稅法不再對固定資產(chǎn)殘值率的比率做出硬性規(guī)定。根據(jù)《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用編制規(guī)則》[10]以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機殘值率C一般取5%。通過以上措施，盾構(gòu)機折舊費誤差率降低至5%以下，可見所采用的折舊計算方法能夠滿足要求。

4 泥漿處理費用

目前，我國各省份的盾構(gòu)機掘進定額中均未含廢漿量的處理，使得既有定額計算存在一定缺陷。現(xiàn)階段僅有的隧道泥漿分析定額為鐵總建設(shè)[2017]324號《鐵路工程補充預(yù)算定額(第一冊)》[11]，其泥漿調(diào)制、泥漿分離、泥漿壓濾等定額水平偏高，單價達120元/m3，而實際調(diào)查單價為45元/m3。泥漿處理主要分為泥漿調(diào)制與泥漿分離和壓濾兩部分，目前，兩個項目均主要采用板式壓濾。其優(yōu)點為處理較徹底，且處理后的干渣可直接被運輸離開;其缺點為單臺設(shè)備費用較高(180萬～200萬元/臺)、生石灰的需求量大、廢水排放場所選擇困難等。綜合目前施工項目的實際使用情況，在定額基礎(chǔ)上泥水平衡盾構(gòu)機每單位泥漿(10 m3)過濾處理所增加各項目的消耗量及費用見表5。

表5 在定額基礎(chǔ)上泥水平衡盾構(gòu)機每單位泥漿(10 m3)過濾處理所增加各項目的消耗量及費用

綜上所述，將分析結(jié)果應(yīng)用于濟南黃河隧道工程，其盾構(gòu)段初步設(shè)計的批復(fù)費用為19.53億元，而對比《市政工程消耗量定額(第四冊隧道工程)：ZYA 1-31—2015》[9]測算的單價22.65億元，減少幅度約為11.35%。經(jīng)跟蹤招標單價，其招標總價為19.35億元，這表明該方法適應(yīng)于市場需要，且合理測算定額消耗量，可適當降低盾構(gòu)實施單價。

5 測算效果對比分析

采用改進后的掘進費用、盾構(gòu)折舊費用、泥水處理費用的測算方式，分別計算南京長江隧道、錢江隧道、杭州瘦西湖隧道、虹梅南路隧道、南京緯三路過江隧道和長江路隧道等6個超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道掘進工程投資，然后取其平均值。將6個超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道掘進工程的投資平均值，分為始發(fā)加固費用、掘進及出渣費用、泥水處理費用、管片襯砌與安裝費用、壁后注漿費用和總費用等6個部分，并與原測算方式下的投資進行對比，見表6。由表6可見，修正后的掘進及出渣和泥漿處理兩部分的投資誤差明顯下降，其中，掘進及出渣部分誤差率由原來的5.91%降至1.6%，泥漿處理部分誤差率由原來的9.27%降至2.76%。根據(jù)建立的超大直徑盾構(gòu)機掘進定額、合理折舊計算模型和準確的泥漿消耗量計算方法，進行超大直徑盾構(gòu)機施工造價測算，掘進工程合計投資誤差率降低至3.03%。提高了超大直徑泥水盾構(gòu)隧道掘進工程計量計價標準化和精細化程度，實現(xiàn)了工程投資的合理控制。

表6 改進測算方式與原測算方式投資誤差率對比

利用改進后的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機施工造價的測算方式，按施工工序測算了常德沅江隧道、武漢長江公鐵隧道、杭州青年路—博奧路過江隧道、南京梅子洲過江通道和上海北橫通道項目，分別對其掘進工程進行了投資誤差分析，如圖4所示。由圖4可見，改進的測算方式投資誤差率均在3%左右，明顯低于原測算方式的12.5%～14.1%，驗證了提出的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機施工造價測算方式的合理性。

6 結(jié)語

1) 在相對成熟的φ15.5 m級盾構(gòu)機定額的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出均勻巖層中φ18 m級盾構(gòu)機定額下每延米的綜合單價。為合理計算盾構(gòu)機掘進費用，在硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖的條件下擴大消耗量定額后，根據(jù)平均掘進速度增加盾構(gòu)機工作量。

2) 考慮影響盾構(gòu)機定額的主要因素，以0.5 km為單位步距確定盾構(gòu)機折舊率，采用雙倍余額遞減數(shù)學模型，計算得出的單位步距理論折舊率在不同掘進長度下應(yīng)計提折舊額，提出一種采用分類變率改進雙倍余額遞減法的泥水平衡盾構(gòu)機折舊計算公式。

3) 對于泥水平衡盾構(gòu)機泥漿處理階段，現(xiàn)有的定額水平存在一定缺陷，結(jié)合實際工程經(jīng)驗形成了符合實際的泥漿消耗量定額，修正后其測算單價與招標總價基本一致。

4) 通過實際工程案例進行驗證，采用改進的測算方式計算得出的掘進及出渣投資誤差率由原來的5.91%降至1.60%，泥漿處理部分的投資誤差率由原來的9.27%降至2.76%。通過對實際工程進行測算驗證，盾構(gòu)掘進工程投資總誤差率僅為3%左右。