高穎艷 李琳 姜穎 艾菁菁 張弢

摘要：本文以綜合管廊下穿高速公路立交橋工程為例，對綜合管廊穿越常見的三種施工方案-明挖順作、管道封閉頂進、預(yù)制管廊封閉頂進進行造價分析，為綜合管廊穿越的造價提供指導(dǎo)。本文對影響穿越方案造價的因素進行了研究，定量分析了三種方案不同長度的造價，據(jù)此提出明挖順作方案和頂進方案的經(jīng)濟平衡點觀點。結(jié)果表明，當穿越長度小于經(jīng)濟平衡點時，明挖順作方案造價經(jīng)濟;當穿越長度大于經(jīng)濟平衡點時，頂進方案造價經(jīng)濟;當穿越長度等于經(jīng)濟平衡點時，明挖順作方案造價與頂進方案造價相當。經(jīng)濟平衡點的計算可為穿越方案的選擇提供指導(dǎo)。

Abstract： Based on an utility tunnel underneath-cross highway interchange engineering case， utility tunnel underneath-cross construction costs for open excavation method， closed pipe jacking method and closed prefabricated tunnel jacking method were analyzed to provide a guideline for utility tunnel underneath-cross costing. The influence factors for tunnel underneath-cross cost for above three methods were sought out，the costs for tunnel underneath-cross with different lengths for three methods were analyzed quantitatively， and the viewpoint of economic balance point for underneath-cross scheme was found and put forward.? Results indicate that open excavation method is more economic when the underneath-cross length shorter than economic balance point; and that jacking method is more economic when the underneath-cross length longer than economic balance point; open excavation method and jacking method are economically equivalent when the underneath-cross length equal to economic balance point. Calculation method of economic balance point provides a guideline for tunnel underneath-cross scheme selection.

關(guān)鍵詞：綜合管廊造價;明挖順作;管道封閉頂進;預(yù)制管廊頂進;經(jīng)濟平衡點

Key words： utility tunnel cost;open excavation method;closed pipe jacking method;prefabricated tunnel jacking method;economic balance point

中圖分類號：TU723.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）18-0172-08

0? 引言

在城市綜合管廊的實際施工過程中，管廊穿越障礙物的情況常常發(fā)生。管廊穿越時有多種施工方案可供選擇，場地工程地質(zhì)條件，原有地下設(shè)施和地下障礙物情況，施工現(xiàn)場環(huán)境等因素均可對施工進度、工程質(zhì)量、施工安全和施工成本造成影響。[1]在保證施工進度、工程質(zhì)量、施工作業(yè)方便安全的前提下，選擇造價合理的管廊穿越方式值得研究。[2]

1? 工程概況

1.1 平面位置及周邊環(huán)境情況

某段綜合管廊下穿高速公路立交橋，長度47m。立交橋跨度為16.0m（橋墩至橋墩）、橋面寬度約25.0m、橋下凈高約4.6m，沿橋面寬度方向設(shè)6根Φ1000mm樁接柱。管廊結(jié)構(gòu)外墻與橋墩凈距約4.75m，管廊具體位置與高速公路關(guān)系見圖1。綜合管廊包括綜合艙和燃氣艙，管廊凈尺寸為4.7m×3.8m，管廊外部尺寸為5.4m×4.55m，斷面型式如圖2。

1.2 工程地質(zhì)條件

地層從上往下如下：

①人工填土、耕土：層厚1.1～1.3m。

②粉質(zhì)粘土（風(fēng)化，坡積層，土黃色）：層厚4.9～5.2m。

③2礫砂：層厚1.6～3m。

③2-1粉質(zhì)粘土：層厚0.5～2m。

③3泥炭質(zhì)土：層厚1.1～2.2m。

③2礫砂：層厚4.3～4.6m。

1.3 水文地質(zhì)條件

該路段地勢低緩，為排匯區(qū)，地下水位較高。

地下水的類型為潛水，包括孔隙水和裂隙水，具微承壓性，主要賦存于粉質(zhì)粘土、砂土及礫類土及淤泥層中，地下水主要由大氣降水補給和地表水補給，總體向地勢低處徑流排泄。

2? 基坑支護設(shè)計方案及造價測算

依據(jù)管廊所處環(huán)境以及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，本段管廊基坑設(shè)計安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。該段基坑和管廊結(jié)構(gòu)施工期間高速公路需保持正常通行狀態(tài)，對支護結(jié)構(gòu)要求較高，既要保證高速公路的過往通行，又要保證管廊工程能夠正常施工并保證質(zhì)量與安全。在對有關(guān)條件的研究分析后，提出了明挖順作方案，管道封閉頂進方案和預(yù)制管廊封閉頂進方案，并對其造價進行測算。

2.1 明挖順作支護方案

2.1.1 支護樁設(shè)計

該段管廊處于兩橋墩中間位置，基坑長度47m，開挖深度8.6m。采用鋼筋混凝土灌注樁Φ1000mm@1000mm作為支擋結(jié)構(gòu)，樁長16.5m。

2.1.2 止水措施

由于立交橋下空間有限，采用機械設(shè)備尺寸較小的旋噴樁作為止水帷幕。旋噴樁樁徑Φ600mm，咬合300mm，有效長度15.5m。

2.1.3 基坑降排水

采用大口井降水，井間距15m?；油鈧?cè)設(shè)置觀測井，井間距20m。

2.1.4 內(nèi)支撐方案

坑深范圍內(nèi)共在兩道水平內(nèi)支撐，頂部和中部各設(shè)一道。頂部支撐即在灌注樁頂設(shè)置1300×700mm混凝土冠梁，并每隔5m設(shè)置一道水平對撐。中部支撐是在灌注樁內(nèi)側(cè)設(shè)一道腰梁，并每隔5m設(shè)置一道水平對撐，對撐截面積為600×700mm。具體平面布置及剖面形式見下圖。（圖3、圖4）

2.1.5 工程造價分析

①工程造價編制說明。

根據(jù)方案設(shè)計的工程量，采用云南省市政工程消耗定額（DBJ53/T-60-2013），按2019年1月專業(yè)測定價計算造價。造價由分部分項工程費用、措施項目費、其他項目費用（即機械費調(diào)差）、規(guī)費和稅金組成。

②明挖順作工程造價計算結(jié)果。

明挖順作造價見表1。

2.2 管道封閉頂進方案

在立交橋兩側(cè)分別設(shè)置工作井和接收井。從工作井頂出d3600和d2000鋼筋混凝土管道各一根至接收井，頂進長度為每根36m。管道頂進方案工作內(nèi)容包括工作井、接收井、管道頂進、現(xiàn)澆管廊四部分。

2.2.1 工作井和接收井

工作井和接收井的基坑平面尺寸均為16.5m×9m，深11.5m?；又苓呍O(shè)鋼筋混凝土灌注樁，樁長25.5m，？準1000mm@1200mm。樁頂設(shè)1.3m×0.7m鋼筋混凝土帽梁，中部設(shè)一道1.0m×0.7m鋼筋混凝土腰梁，在帽梁和腰梁層設(shè)置八道0.6m×0.75m×3m的斜梁和兩道0.6m×0.75m×9m的水平對撐?；臃秶鷥?nèi)設(shè)置0.7m厚底板。

2.2.2 止水措施

基坑開挖深度較深，開挖范圍內(nèi)存在滲透性較大③1含粘性土礫砂混角礫及③2礫砂土層，采用沿混凝土灌注樁外側(cè)設(shè)置的？準850mm@600mm三軸水泥攪拌樁止水，樁長21m。

對頂管施工后背土體，頂進坑出洞一側(cè)、接收坑進洞一側(cè)另加兩排三軸攪拌樁。加固樁？準850mm@600mm，樁長15m。

2.2.3 基坑降水

基坑采用大口井降水，頂進坑和接收坑內(nèi)各設(shè)置兩口降水井一用一備。在頂進坑出洞側(cè)、接收坑進洞側(cè)各設(shè)置一個觀測井。

2.2.4 管道頂進

根據(jù)管廊尺寸，選擇d3600和d2000鋼筋混凝土管道并排頂進。頂管間距按4.2m設(shè)置。采用泥水平衡頂進設(shè)備，觸變泥漿減阻。

2.2.5 現(xiàn)澆管廊

工作井和接收井內(nèi)管廊采用現(xiàn)澆法施工，斷面尺寸一側(cè)與明挖順作方案相同，即4.7m×3.8m，另一側(cè)考慮頂管外徑及頂管間距，斷面尺寸擴大為13.5×5.3m。現(xiàn)澆管廊長度=穿越總長度-頂進長度=47m-36m=11m。

管道封閉頂進方案平面和剖面見圖5、圖6。

2.2.6 管道封閉頂進造價分析

管道封閉頂進造價見表2。

2.3 預(yù)制管廊封閉頂進方案

鑒于管廊尺寸較大，采用泥水平衡輔以觸變泥漿進行封閉頂進。管廊按頂進長度36m預(yù)制。在立交橋兩側(cè)分別設(shè)頂管井和接收井。預(yù)制管廊封閉方案包括預(yù)制管廊，現(xiàn)澆管廊，工作井，接收井及封閉頂進五部分。

2.3.1 工作井和接收井設(shè)計

工作井和接收井的基坑平面尺寸為9×9m，做法同管道頂進方案。

2.3.2 止水措施及基坑降水

做法同管道頂進方案。

2.3.3 預(yù)制管廊

每節(jié)管廊外部尺寸為1.5m長×5.4m寬×4.8m高，在預(yù)制廠制作，運輸至現(xiàn)場，吊裝就位，每節(jié)間設(shè)有變形縫和止水帶。

2.3.4 預(yù)制管廊封閉頂進

預(yù)制管廊一般為矩形斷面，需采用特制泥水平衡頂進機，根據(jù)斷面計算土方和泥水輸送能力，根據(jù)頂進距離進行中部和后部頂進系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)頂力進行后背設(shè)計，根據(jù)長度設(shè)計中繼間。矩形泥水平衡頂進機重復(fù)使用率低。

2.3.5 現(xiàn)澆管廊

現(xiàn)澆管廊位于工作井和接收井內(nèi)，斷面尺寸和做法同明挖順作方案。現(xiàn)澆管廊長度=穿越總長度-頂進長度=47m-36m=11m。

預(yù)制管廊封閉頂進方案平面和剖面見圖7、圖8。

2.3.6 預(yù)制管廊封閉造價分析

預(yù)制管廊封閉頂進造價見表3。

3? 方案造價分析

3.1 47m管廊穿越方案造價結(jié)果分析

穿越方案造價結(jié)果詳見表4。

從表4可見在上述設(shè)計條件和土質(zhì)條件下，明挖順作方案造價最經(jīng)濟，管道封閉頂進方案造價其次，預(yù)制管廊封閉頂進方案造價最高。

3.2 方案造價指標分析

穿越方案造價指標分析見表5，表6和表7。

管廊明挖順作延米造價為125150元，其中管廊主體延米造價21880元，占比17.48%;支護延米造價94201元，占比75.26%，是管廊主體造價的4.31倍。

管道封閉頂進延米造價為168712元，其中工作井和接收井占總造價43.39%和38.11%;延米管道頂進造價為14350元，管道延米造價為15202元。

預(yù)制管廊頂進延米造價為190789元，其中工作井和接收井占總造價37.67%和33.15%;延米頂進造價為29600元，預(yù)制管廊延米造價為34842元。

3.3 管廊穿越方案造價規(guī)律研究

3.3.1 明挖順作方案造價規(guī)律研究

明挖順作造價由管廊支護、管廊本體、土方工程和降水工程組成，造價均與管廊長度成正比。

明挖順作造價=（管廊支護延米單價+管廊本體延米單價+土方工程延米單價+降水延米單價）×穿越長度

本方案穿越造價=（9.4201+2.1880+0.6480+0.200）萬元/米×47米=12.516萬元/米×47米=588.25萬元。

3.3.2 頂進方案造價研究

頂進方案造價與工作井、接收井、井內(nèi)現(xiàn)澆管廊、降水、頂進費用有關(guān)。其中工作井、接收井、井內(nèi)現(xiàn)澆管廊、降水與頂進長度無關(guān)，稱為固定費用;頂進費用與頂進單價和長度有關(guān)，稱為變動費用。

頂進方案造價=頂進固定費用+頂進變動費用

其中：頂進固定費用=工作井費用+接收井費用+現(xiàn)澆管廊費用+降水費用

頂進變動費用=頂進單價×頂進長度=頂進單價×（穿越長度-井內(nèi)現(xiàn)澆管廊長度）

本案例管道封閉頂進和預(yù)制管廊封閉頂進固定費用計算結(jié)果見表8

管道封閉頂進和預(yù)制管廊封閉頂進變動費用計算見表9。

以管道頂進方案為例，頂進方案造價=（工作井費用+接收井費用+現(xiàn)澆管廊費用+降水費用）+頂進單價×頂進長度=686.56萬元+2.9552萬元/米×36米=793萬元。

以封閉管廊頂進方案為例，頂進方案造價=（工作井費用+接收井費用+現(xiàn)澆管廊費用+降水費用）+頂進單價×頂進長度=664.72萬元+6.4442萬元/米×36米=897萬元。

3.3.3 明挖順作和頂進方案經(jīng)濟平衡點分析

在大多數(shù)情況下，明挖順作的支護費用小于頂進費用，此時明挖順作方案終比頂進方案造價經(jīng)濟。無論長度變化，不存在經(jīng)濟平衡點。

在特定受限空間和地質(zhì)條件下，當明挖順作的支護費用大于頂進費用時，方案的經(jīng)濟性會隨著穿越長度而變化。明挖順作方案在穿越長度短時投資低，造價隨長度成比例增加，造價曲線斜率較大。封閉頂進方案由于工作井、接收井以及頂進設(shè)備安拆的費用較大，穿越長度短時造價高于明挖順作方案。由于頂進費用小于支護的費用，造價隨長度緩慢增加，造價曲線斜率較小，穿越方案造價會接近并逐步低于明挖順作方案。

以本案為例，當管廊穿越長度從40米變化為120米時，測得各方案造價如表10。

穿越方案造價與長度關(guān)系圖繪制如圖9。

從圖9可見，管道頂進造價始終小于管廊頂進方案。存在明挖和頂進方案造價線段的交匯點，即在某穿越長度上兩個方案造價相同，這里把方案造價相同時的穿越長度稱為經(jīng)濟平衡點。當穿越長度小于和大于經(jīng)濟平衡點時，方案造價優(yōu)劣正好相反。

3.4 經(jīng)濟平衡點的確定

如何計算經(jīng)濟平衡點，以本案為例：

3.4.1 明挖順作與管道封閉頂進平衡點計算

在經(jīng)濟平衡點（穿越長度）時，明挖順作造價=管道封閉頂進造價，即：12.516（萬元/米）×穿越長度（米）=686.56萬元+2.9552（萬元/米）×頂進長度（米）

頂進長度=穿越長度-工作和接收井內(nèi)的管廊長度=穿越長度-11m

經(jīng)濟平衡點（穿越長度）=（686.56-2.9552×11）/（12.516-2.9552）=68.41m

3.4.2 明挖順作與預(yù)制管廊封閉頂進平衡點計算

在經(jīng)濟平衡點（穿越長度）時，明挖順作造價=預(yù)制管廊封閉頂進造價，即：12.516（萬元/米）×穿越長度（米）=664.72萬元+6.4441（萬元/米）×頂進長度（米）

頂進長度=穿越長度-工作和接收井內(nèi)的管廊長度=穿越長度-11m

經(jīng)濟平衡點（穿越長度）=（664.72-6.4441×11）/（12.516-6.4441）=97.80m

3.4.3 經(jīng)濟平衡點計算公式的確定

從以上兩例分析，推導(dǎo)出平衡點的計算公式為：

平衡點長度=（頂進固定費用-頂進單價×工作和接收井內(nèi)的管廊長度）/（明挖順作單價-頂進單價）

3.5 經(jīng)濟平衡點的意義

當穿越長度小于經(jīng)濟平衡點時，明挖順作方案造價最優(yōu)。當穿越長度大于經(jīng)濟平衡點時，頂進方案造價最優(yōu)。當穿越長度等于方案平衡點時，明挖和頂管的方案造價相當。

4? 結(jié)論和建議

綜合管廊穿越方案的選擇，除了考慮場地能否斷交，地質(zhì)水文條件，施工復(fù)雜程度和施工工期等因素外，工程造價是重要的考量因素之一。

當場地條件允許實施明挖和頂管的方案時，可根據(jù)明挖順作單價，管道頂進或者管廊頂進的單價和頂進固定費用，計算出方案的經(jīng)濟平衡點。當穿越長度小于經(jīng)濟平衡點時，明挖順作方案造價最優(yōu)。當穿越長度大于經(jīng)濟平衡點時，頂進方案造價最優(yōu)。當穿越長度等于方案平衡點時，明挖和頂管的方案造價相當。因此，在工程實施中應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟比選結(jié)果選擇施工方案。在不允許斷交只能采用頂進方案時，管道封閉頂進方案造價優(yōu)于預(yù)制管廊封閉頂進方案，宜優(yōu)先采用管道封閉頂進方案施工。

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