超大直徑泥水平衡盾構機施工造價測算方法*

陳天宇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 430063, 武漢∥高級工程師)

我國越江交通工程建設中，超大直徑盾構隧道工程以其獨特的技術優勢得到了廣泛應用[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，且在建或即將建設的越江市政、鐵路、公路大直徑盾構隧道越來越多。盾構機直徑已逐步從5.92 m發展至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。超大直徑盾構法施工技術已日漸成熟，但在施工造價估算、概預算、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CJJ 221—2015《城市地下道路工程設計規范》[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發展的步伐，超大直徑盾構機掘進定額發布不完善。在市政定額體系中，僅有部分省市先后發布了φ11.0 m級和φ15.5 m級的盾構隧道施工定額；在鐵路施工定額體系中，《鐵路工程預算定額》[5]僅有φ12 m級和φ13 m級盾構隧道的補充定額；在公路施工定額體系中[6]，無相關盾構機定額。可見，現有規范定額難以適應超大直徑泥水平衡盾構隧道工程實際造價，不利于盾構隧道技術的發展。

已有大量學者對盾構法隧道掘進的工程造價問題進行了相關研究，但主要是針對某個工程簡單分析其工程消耗量，而且盾構直徑大多為11 m級和15 m級。目前并未有超大直徑盾構機掘進定額的相關研究成果。對于盾構機的折舊計算方法，現階段通常仍采用平均工作量法，但該理論計算結果與實際往往相差較大。此外，通過實際施工發現，現有泥水平衡盾構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階段研究的不足，結合目前最新的φ11.0 m級和φ15.5 m級盾構機掘進定額水平和施工技術水平，開展超大直徑盾構機掘進費用研究，提出φ18 m級超大直徑盾構機掘進定額消耗量的計算方法，并且分析了超大直徑盾構機在不同地層(軟質巖、硬質巖和軟硬不均質巖)中掘進的損耗量。考慮盾構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學計算模型，提出一種適用于φ18 m級超大直徑盾構機加速折舊的計算方法，改進了φ11.0 m級和φ15.5 m級盾構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機的掘進費用、盾構折舊費用、泥漿處理費用，提出φ18 m級超大直徑盾構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，創造了經濟效益，推動了超大直徑盾構隧道施工定額的發展水平，具有重要的理論意義和工程實踐價值。

1 盾構機掘進施工工序及費用組成

盾構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勢，得到了廣泛應用。其施工工序為刀盤驅動、建立泥漿循環、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。

根據泥水平衡盾構機掘進的施工工序，可以將其主要費用構成分為：掘進出渣、泥漿處理、始發加固、管片襯砌及安裝和壁后注漿5個部分，其中始發加固、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隧道掘進工程設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統計，發現掘進、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隧道工程的投資誤差統計

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

1) 目前，盾構機掘進采用的主要定額為φ11.0 m級和φ15.5 m級盾構機定額，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級盾構機定額水平很高，且廣泛應用于目前建設中的隧道工程，但并不適用于更大斷面的φ18 m級公路市政盾構隧道工程。

2) 盾構機穿越不同巖層下的掘進費用差異較大。現階段發布的盾構機掘進定額未區分軟巖、軟硬不均巖石、硬巖等不同巖層。實際上盾構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) 盾構機折舊費用誤差大。對于超大型盾構機，目前并無統一折舊的計算方法。若按小型盾構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 盾構機掘進定額的理論分析

2.1 超大直徑盾構機穿越軟質巖層

大直徑盾構機穿越均勻軟質巖層時，據盾構機的工作原理，盾構機驅動的扭矩大小同其直徑的關系類似于三次方關系，盾構機的泥水管路隨其直徑增大呈線性增加。根據目前已批復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工程在均勻巖層中，φ15.5 m級盾構機定額下的掘進消耗量與φ11.0 m級盾構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。據此，可推導出φ18 m級超大直徑盾構機定額的掘進消耗量：

C18=K1C15.5

(1)

(2)

式中：

C18——φ18 m級盾構機定額的掘進消耗量;

C15.5——φ15.5 m級盾構機定額的掘進消耗量;

D1——φ18 m級盾構機的外徑；

D2——φ15.5 m級盾構機的外徑;

K1——相關系數。

本文統計了多個盾構工程的掘進單價，如表2所示。由表2可見，對比φ11.0 m級盾構機與φ15.5 m級盾構機的綜合掘進單價，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機的掘進消耗量。

表2 各盾構工程掘進單價統計表

2.2 超大直徑盾構機穿越硬質巖層和軟硬不均質巖層

為更準確地計算超大直徑盾構掘進定額，還需要考慮盾構掘進時穿越的地層，在不同圍巖下的盾構掘進定額消耗量差別較大。超大直徑盾構機掘進硬質巖和軟硬不均質巖時，為維護盾構機各個系統的正常工作，盾構刀具更換頻繁，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

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

3 盾構機折舊費用

大型盾構機采購費用龐大，其使用壽命均超出一項工程的建設周期，從而形成了在一個工程中盾構機的分攤費用及其計列問題。盾構機費用無論由業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接項目的風險。因此，開展大型盾構機折舊費用的研究，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級超大直徑盾構機的采購費用如表4所示。

表4 典型項目φ 15 m級盾構機購置價格匯總

目前，水下盾構隧道工程數量呈爆發型增長，結合近期竣工項目及即將建設的水下盾構隧道，φ11 m級和φ15 m級的盾構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——預計總工作量；

Pa——固定資產原價；

r——殘值率。

實際工程中，盾構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系(見圖2)。因此，現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隧道工程尤為突出。為解決上述問題，考慮盾構設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學計算模型，提出一種盾構機加速折舊的計算方法。

根據以上影響因子，基于雙倍余額遞減原理，確定折舊模型。根據已竣工隧道項目的調查數據進行測算，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——調整后的單位長度折舊率；

F——折舊率，F=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；

M——機械利用系數;

Prc——復原重置成本；

Nrc——更新重置成本，根據經驗取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步距的調整折舊率；

Rj——第j步距的機械功能性貶值系數；

Mj——第j步距的機械利用系數；

Di——掘進長度的折舊額；

P——機械設備購置價。

新稅法不再對固定資產殘值率的比率做出硬性規定。根據《全國統一施工機械臺班費用編制規則》[10]以及經驗數據，盾構機殘值率C一般取5%。通過以上措施，盾構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。現階段僅有的隧道泥漿分析定額為鐵總建設[2017]324號《鐵路工程補充預算定額(第一冊)》[11]，其泥漿調制、泥漿分離、泥漿壓濾等定額水平偏高，單價達120元/m3，而實際調查單價為45元/m3。泥漿處理主要分為泥漿調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，在定額基礎上泥水平衡盾構機每單位泥漿(10 m3)過濾處理所增加各項目的消耗量及費用見表5。

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

綜上所述，將分析結果應用于濟南黃河隧道工程，其盾構段初步設計的批復費用為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%。經跟蹤招標單價，其招標總價為19.35億元，這表明該方法適應于市場需要，且合理測算定額消耗量，可適當降低盾構實施單價。

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隧道掘進工程的投資平均值，分為始發加固費用、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%。根據建立的超大直徑盾構機掘進定額、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隧道掘進工程計量計價標準化和精細化程度，實現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機施工造價測算方式的合理性。

6 結語

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

2) 考慮影響盾構機定額的主要因素，以0.5 km為單位步距確定盾構機折舊率，采用雙倍余額遞減數學模型，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機折舊計算公式。

3) 對于泥水平衡盾構機泥漿處理階段，現有的定額水平存在一定缺陷，結合實際工程經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，盾構掘進工程投資總誤差率僅為3%左右。