超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工造價(jià)測(cè)算方法*

陳天宇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 430063, 武漢∥高級(jí)工程師)

我國(guó)越江交通工程建設(shè)中，超大直徑盾構(gòu)隧道工程以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。目前，上海、南京、武漢等城市多座過(guò)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(lái)越多。盾構(gòu)機(jī)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(mén)—赤鱲角公路隧道直徑達(dá)到17.60 m；西雅圖SR99隧道直徑達(dá)到17.45 m，深圳荷坳隧道直徑達(dá)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(jià)估算、概預(yù)算、工程決算等工程造價(jià)方面的理論卻滯后于工程實(shí)踐[3]。根據(jù)CJJ 221—2015《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，城市地下隧道工程大多為單洞三車(chē)道的隧道，其斷面尺寸接近15 m左右?？墒牵壳皣?guó)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(jī)掘進(jìn)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(jí)和φ15.5 m級(jí)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(jí)和φ13 m級(jí)盾構(gòu)隧道的補(bǔ)充定額；在公路施工定額體系中[6]，無(wú)相關(guān)盾構(gòu)機(jī)定額?？梢?jiàn)，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(shí)際造價(jià)，不利于盾構(gòu)隧道技術(shù)的發(fā)展。

已有大量學(xué)者對(duì)盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)的工程造價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究，但主要是針對(duì)某個(gè)工程簡(jiǎn)單分析其工程消耗量，而且盾構(gòu)直徑大多為11 m級(jí)和15 m級(jí)。目前并未有超大直徑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額的相關(guān)研究成果。對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的折舊計(jì)算方法，現(xiàn)階段通常仍采用平均工作量法，但該理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際往往相差較大。此外，通過(guò)實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有泥水平衡盾構(gòu)機(jī)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(wèn)題和現(xiàn)階段研究的不足，結(jié)合目前最新的φ11.0 m級(jí)和φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額水平和施工技術(shù)水平，開(kāi)展超大直徑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)費(fèi)用研究，提出φ18 m級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額消耗量的計(jì)算方法，并且分析了超大直徑盾構(gòu)機(jī)在不同地層(軟質(zhì)巖、硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖)中掘進(jìn)的損耗量。考慮盾構(gòu)機(jī)折舊的主要影響因素，通過(guò)確定影響因子的定量指標(biāo)，采用雙倍余額遞減數(shù)學(xué)計(jì)算模型，提出一種適用于φ18 m級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)加速折舊的計(jì)算方法，改進(jìn)了φ11.0 m級(jí)和φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)常用的平均工作量計(jì)算方法。同時(shí)，考慮到泥水處理費(fèi)用定額的缺陷，根據(jù)實(shí)際泥水處理消耗量對(duì)泥水處理定額水平進(jìn)行了修正。針對(duì)大型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)費(fèi)用、盾構(gòu)折舊費(fèi)用、泥漿處理費(fèi)用，提出φ18 m級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)施工造價(jià)的合理測(cè)算方式，可為工程投資提供準(zhǔn)確的造價(jià)測(cè)算，從而有效控制了工程成本，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)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(shí)踐價(jià)值。

1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工工序及費(fèi)用組成

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，具有掘進(jìn)速度快、安全性和全自動(dòng)化程度高、不受氣候條件影響的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。其施工工序?yàn)榈侗P(pán)驅(qū)動(dòng)、建立泥漿循環(huán)、啟動(dòng)推進(jìn)油缸、刀盤(pán)開(kāi)挖、縮回頂進(jìn)油缸、管片安裝等，如圖1所示。

根據(jù)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的施工工序，可以將其主要費(fèi)用構(gòu)成分為：掘進(jìn)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(gè)部分，其中始發(fā)加固、管片襯砌及安裝等費(fèi)用的定額水平已很成熟。但是，掘進(jìn)出渣、泥漿處理等工序的定額有待進(jìn)一步研究。分別對(duì)南京長(zhǎng)江隧道、杭州錢(qián)江隧道、揚(yáng)州瘦西湖隧道、上海虹梅南路隧道、南京緯三路過(guò)江隧道和上海長(zhǎng)江路隧道等6個(gè)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)工程設(shè)計(jì)投資與實(shí)際投資取平均值，然后將該費(fèi)用分成上述5個(gè)部分進(jìn)行誤差頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)、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(jiàn)表1。

表1 6個(gè)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道工程的投資誤差統(tǒng)計(jì)

造成盾構(gòu)機(jī)投資誤差較大的主要原因，一方面，是由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額與實(shí)際的誤差較大：

1) 目前，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)采用的主要定額為φ11.0 m級(jí)和φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)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(fèi)用基價(jià)表》[8]《市政工程消耗量定額(ZYA1-31—2015)》[9]等。全國(guó)市政定額中φ15 m級(jí)左右盾構(gòu)機(jī)的定額因編制時(shí)樣本過(guò)少，使得掘進(jìn)定額的消耗量過(guò)大而偏離實(shí)際成本。盡管各省份的φ11.0 m級(jí)和φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)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(jí)公路市政盾構(gòu)隧道工程。

2) 盾構(gòu)機(jī)穿越不同巖層下的掘進(jìn)費(fèi)用差異較大?，F(xiàn)階段發(fā)布的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額未區(qū)分軟巖、軟硬不均巖石、硬巖等不同巖層。實(shí)際上盾構(gòu)機(jī)在不同巖層中的掘進(jìn)速度和刀具損耗亦存在較大差異。

3) 盾構(gòu)機(jī)折舊費(fèi)用誤差大。對(duì)于超大型盾構(gòu)機(jī)，目前并無(wú)統(tǒng)一折舊的計(jì)算方法。若按小型盾構(gòu)機(jī)以折舊費(fèi)形式計(jì)人工單價(jià)，則存在初期投入費(fèi)用高、后期項(xiàng)目不明確、日常維護(hù)成本高等問(wèn)題。

另一方面，主要由于泥漿處理費(fèi)用與實(shí)際存在一定偏差，影響該費(fèi)用的主要原因是未合理考慮泥漿處理消耗量及單價(jià)問(wèn)題。

2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額的理論分析

2.1 超大直徑盾構(gòu)機(jī)穿越軟質(zhì)巖層

大直徑盾構(gòu)機(jī)穿越均勻軟質(zhì)巖層時(shí)，據(jù)盾構(gòu)機(jī)的工作原理，盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)的扭矩大小同其直徑的關(guān)系類(lèi)似于三次方關(guān)系，盾構(gòu)機(jī)的泥水管路隨其直徑增大呈線(xiàn)性增加。根據(jù)目前已批復(fù)工程的定額組價(jià)情況，如武漢長(zhǎng)江公鐵隧道、和燕路過(guò)江通道、上海長(zhǎng)江路隧道等盾構(gòu)工程在均勻巖層中，φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)定額下的掘進(jìn)消耗量與φ11.0 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)定額下的掘進(jìn)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(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)定額的掘進(jìn)消耗量：

C18=K1C15.5

(1)

(2)

式中：

C18——φ18 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)定額的掘進(jìn)消耗量;

C15.5——φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)定額的掘進(jìn)消耗量;

D1——φ18 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)的外徑；

D2——φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)的外徑;

K1——相關(guān)系數(shù)。

本文統(tǒng)計(jì)了多個(gè)盾構(gòu)工程的掘進(jìn)單價(jià)，如表2所示。由表2可見(jiàn)，對(duì)比φ11.0 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)與φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)的綜合掘進(jìn)單價(jià)，兩者比值與式(1)中的K1基本一致，表明式(1)可以準(zhǔn)確反映超大直徑盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)消耗量。

表2 各盾構(gòu)工程掘進(jìn)單價(jià)統(tǒng)計(jì)表

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

為更準(zhǔn)確地計(jì)算超大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)定額，還需要考慮盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)穿越的地層，在不同圍巖下的盾構(gòu)掘進(jìn)定額消耗量差別較大。超大直徑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖時(shí)，為維護(hù)盾構(gòu)機(jī)各個(gè)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(jī)械工作量，導(dǎo)致掘進(jìn)速度降低。以南京長(zhǎng)江隧道、廣深港高速鐵路獅子洋隧道和武漢長(zhǎng)江公鐵隧道為工程案例，其超大直徑盾構(gòu)機(jī)在不同巖層中的掘進(jìn)速度和刀具損耗對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 超大直徑盾構(gòu)機(jī)在不同圍巖中的掘進(jìn)速度和刀具損耗對(duì)比

為合理計(jì)算盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)費(fèi)用，穿越硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖時(shí)，在擴(kuò)大消耗量定額后，根據(jù)掘進(jìn)的平均速度，增加盾構(gòu)機(jī)工作量。

3 盾構(gòu)機(jī)折舊費(fèi)用

大型盾構(gòu)機(jī)采購(gòu)費(fèi)用龐大，其使用壽命均超出一項(xiàng)工程的建設(shè)周期，從而形成了在一個(gè)工程中盾構(gòu)機(jī)的分?jǐn)傎M(fèi)用及其計(jì)列問(wèn)題。盾構(gòu)機(jī)費(fèi)用無(wú)論由業(yè)主還是施工方獨(dú)自承擔(dān)，其都將面臨極大的資金壓力以及續(xù)接項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)展大型盾構(gòu)機(jī)折舊費(fèi)用的研究，合理分?jǐn)傎M(fèi)用，有利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的公平性，從而形成良好市場(chǎng)環(huán)境，亦為更好地控制工程投資起到積極作用。φ15 m級(jí)超大直徑盾構(gòu)機(jī)的采購(gòu)費(fèi)用如表4所示。

表4 典型項(xiàng)目φ 15 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)購(gòu)置價(jià)格匯總

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

QW=Pa(1-r)/Qs

(3)

式中：

QW——每項(xiàng)工作量的折舊額；

Qs——預(yù)計(jì)總工作量；

Pa——固定資產(chǎn)原價(jià)；

r——?dú)堉德省?/p>

實(shí)際工程中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)單位步距下的平均折舊費(fèi)、平均維護(hù)費(fèi)及其兩者總費(fèi)用與掘進(jìn)長(zhǎng)度呈非線(xiàn)性關(guān)系(見(jiàn)圖2)。因此，現(xiàn)階段常用的平均工作量法顯然與實(shí)際不符，該問(wèn)題對(duì)于超大直徑盾構(gòu)隧道工程尤為突出。為解決上述問(wèn)題，考慮盾構(gòu)設(shè)備折舊的主要影響因子，通過(guò)確定其定量指標(biāo)，基于雙倍余額遞減形式的加速折舊法數(shù)學(xué)計(jì)算模型，提出一種盾構(gòu)機(jī)加速折舊的計(jì)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(xiàng)目的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，以0.5 km為單位步距確定折舊率，計(jì)算得出單位步距理論折舊率和不同掘進(jìn)長(zhǎng)度下應(yīng)計(jì)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(mǎn)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(zhǎng)度折舊率；

F——折舊率，F(xiàn)=2×0.5/L，L為掘進(jìn)長(zhǎng)度(以0.5 km為步距)；

R——機(jī)械功能性貶值系數(shù)；

M——機(jī)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(yàn)取0.6～0.7，且隨工作量的減小而減小。

則Dj的計(jì)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(jī)械功能性貶值系數(shù)；

Mj——第j步距的機(jī)械利用系數(shù)；

Di——掘進(jìn)長(zhǎng)度的折舊額；

P——機(jī)械設(shè)備購(gòu)置價(jià)。

新稅法不再對(duì)固定資產(chǎn)殘值率的比率做出硬性規(guī)定。根據(jù)《全國(guó)統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用編制規(guī)則》[10]以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機(jī)殘值率C一般取5%。通過(guò)以上措施，盾構(gòu)機(jī)折舊費(fèi)誤差率降低至5%以下，可見(jiàn)所采用的折舊計(jì)算方法能夠滿(mǎn)足要求。

4 泥漿處理費(fèi)用

目前，我國(guó)各省份的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額中均未含廢漿量的處理，使得既有定額計(jì)算存在一定缺陷?，F(xiàn)階段僅有的隧道泥漿分析定額為鐵總建設(shè)[2017]324號(hào)《鐵路工程補(bǔ)充預(yù)算定額(第一冊(cè))》[11]，其泥漿調(diào)制、泥漿分離、泥漿壓濾等定額水平偏高，單價(jià)達(dá)120元/m3，而實(shí)際調(diào)查單價(jià)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(gè)項(xiàng)目均主要采用板式壓濾。其優(yōu)點(diǎn)為處理較徹底，且處理后的干渣可直接被運(yùn)輸離開(kāi);其缺點(diǎn)為單臺(tái)設(shè)備費(fèi)用較高(180萬(wàn)～200萬(wàn)元/臺(tái))、生石灰的需求量大、廢水排放場(chǎng)所選擇困難等。綜合目前施工項(xiàng)目的實(shí)際使用情況，在定額基礎(chǔ)上泥水平衡盾構(gòu)機(jī)每單位泥漿(10 m3)過(guò)濾處理所增加各項(xiàng)目的消耗量及費(fèi)用見(jiàn)表5。

表5 在定額基礎(chǔ)上泥水平衡盾構(gòu)機(jī)每單位泥漿(10 m3)過(guò)濾處理所增加各項(xiàng)目的消耗量及費(fèi)用

綜上所述，將分析結(jié)果應(yīng)用于濟(jì)南黃河隧道工程，其盾構(gòu)段初步設(shè)計(jì)的批復(fù)費(fèi)用為19.53億元，而對(duì)比《市政工程消耗量定額(第四冊(cè)隧道工程)：ZYA 1-31—2015》[9]測(cè)算的單價(jià)22.65億元，減少幅度約為11.35%。經(jīng)跟蹤招標(biāo)單價(jià)，其招標(biāo)總價(jià)為19.35億元，這表明該方法適應(yīng)于市場(chǎng)需要，且合理測(cè)算定額消耗量，可適當(dāng)降低盾構(gòu)實(shí)施單價(jià)。

5 測(cè)算效果對(duì)比分析

采用改進(jìn)后的掘進(jìn)費(fèi)用、盾構(gòu)折舊費(fèi)用、泥水處理費(fèi)用的測(cè)算方式，分別計(jì)算南京長(zhǎng)江隧道、錢(qián)江隧道、杭州瘦西湖隧道、虹梅南路隧道、南京緯三路過(guò)江隧道和長(zhǎng)江路隧道等6個(gè)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)工程投資，然后取其平均值。將6個(gè)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)工程的投資平均值，分為始發(fā)加固費(fèi)用、掘進(jìn)及出渣費(fèi)用、泥水處理費(fèi)用、管片襯砌與安裝費(fèi)用、壁后注漿費(fèi)用和總費(fèi)用等6個(gè)部分，并與原測(cè)算方式下的投資進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，修正后的掘進(jìn)及出渣和泥漿處理兩部分的投資誤差明顯下降，其中，掘進(jìn)及出渣部分誤差率由原來(lái)的5.91%降至1.6%，泥漿處理部分誤差率由原來(lái)的9.27%降至2.76%。根據(jù)建立的超大直徑盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)定額、合理折舊計(jì)算模型和準(zhǔn)確的泥漿消耗量計(jì)算方法，進(jìn)行超大直徑盾構(gòu)機(jī)施工造價(jià)測(cè)算，掘進(jìn)工程合計(jì)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(jìn)工程計(jì)量計(jì)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化程度，實(shí)現(xiàn)了工程投資的合理控制。

表6 改進(jìn)測(cè)算方式與原測(cè)算方式投資誤差率對(duì)比

利用改進(jìn)后的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工造價(jià)的測(cè)算方式，按施工工序測(cè)算了常德沅江隧道、武漢長(zhǎng)江公鐵隧道、杭州青年路—博奧路過(guò)江隧道、南京梅子洲過(guò)江通道和上海北橫通道項(xiàng)目，分別對(duì)其掘進(jìn)工程進(jìn)行了投資誤差分析，如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，改進(jìn)的測(cè)算方式投資誤差率均在3%左右，明顯低于原測(cè)算方式的12.5%～14.1%，驗(yàn)證了提出的超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工造價(jià)測(cè)算方式的合理性。

6 結(jié)語(yǔ)

1) 在相對(duì)成熟的φ15.5 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)定額的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出均勻巖層中φ18 m級(jí)盾構(gòu)機(jī)定額下每延米的綜合單價(jià)。為合理計(jì)算盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)費(fèi)用，在硬質(zhì)巖和軟硬不均質(zhì)巖的條件下擴(kuò)大消耗量定額后，根據(jù)平均掘進(jìn)速度增加盾構(gòu)機(jī)工作量。

2) 考慮影響盾構(gòu)機(jī)定額的主要因素，以0.5 km為單位步距確定盾構(gòu)機(jī)折舊率，采用雙倍余額遞減數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得出的單位步距理論折舊率在不同掘進(jìn)長(zhǎng)度下應(yīng)計(jì)提折舊額，提出一種采用分類(lèi)變率改進(jìn)雙倍余額遞減法的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)折舊計(jì)算公式。

3) 對(duì)于泥水平衡盾構(gòu)機(jī)泥漿處理階段，現(xiàn)有的定額水平存在一定缺陷，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)形成了符合實(shí)際的泥漿消耗量定額，修正后其測(cè)算單價(jià)與招標(biāo)總價(jià)基本一致。

4) 通過(guò)實(shí)際工程案例進(jìn)行驗(yàn)證，采用改進(jìn)的測(cè)算方式計(jì)算得出的掘進(jìn)及出渣投資誤差率由原來(lái)的5.91%降至1.60%，泥漿處理部分的投資誤差率由原來(lái)的9.27%降至2.76%。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行測(cè)算驗(yàn)證，盾構(gòu)掘進(jìn)工程投資總誤差率僅為3%左右。