李心雨 张旭 林菲微
中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010
【摘要】本文以汕头地区某工程为例，从直接工程费用出发，对污水管道明挖与顶管施工方式进行分析比较，给出了类似工程施工方式的选择建议。
一般情况下，污水管道为重力流，管道需按规范设置一定纵向坡度保证水流顺畅，因此管道埋深由浅及深。施工方式分为开挖、非开挖，其中开挖包括放坡开挖、支护开挖，非开挖包括水平定向钻法、顶管法等。在施工方式的选择上，需结合地质条件、周边环境、工期、造价等因素进行综合考量后确定。本文将以汕头地区某工程为例，对明挖与顶管施工方式进行造价分析比较。本文分析思路为：分析明挖施工、顶管施工的造价组成，夯实其造价，进而求得随管道埋深增加明挖与顶管的造价平衡点。
一、工程概况及地质条件
本工程位于汕头市澄海区，截污管道工程总长237.39km，其中开挖约155km，顶管约75km。项目概算总投资为27.65亿元，其中工程费用22.50亿元。
汕头市澄海区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组第二组。拟建场地地貌属韩江角三角洲平原地貌，经人工填土，地形较平坦。场地自上而下土层为：1. 人工填土，由粘土、砂或粉土填置而成，为新近人工填土。2. 海相沉积层，由灰色淤泥、浅灰色细砂组成，形成于第四纪全新世。3. 海陆交互相沉积层，由灰黄浅灰色粘土、灰色淤泥质土、浅灰灰黄色中细砂组成，形成于第四纪晚更新世。4. 花岗岩，场地下伏基岩主要为燕山期花岗岩组成，构成场地坚硬基底，上部为风化残积土。勘察期间各片区场地地下水埋深范围为0.5~3.0m，大部分地段开挖1m即遇丰富地下水。
地质条件可以概括为：8度区，地下水位高，浅层有强透水层（细砂层）、软弱土层（淤泥层）。
二、明挖施工造价分析
管道采用明挖施工时，造价的主要组成可拆解为七个部分：管材及安装、土方开挖、回填土、地基处理、支护结构、破路修复、检查井。其中，管材采用信息价，管材安装采用定额套价，土方开挖根据土质采用定额套价，破路修复按现状道路板块及等级，检查井均套用标准图集，地基处理根据勘察报告及验槽确定。管道沟槽回填土的可选种类较多，由设计方根据道路等级、材料价格、地区经验等因素综合考虑选择。本工程混凝土管管底至管顶以上500mm范围内采用石屑回填。支护结构可选方式亦较多，结合本工程地质条件、地区施工水平及经验，本工程优先选用钢板桩作为管槽沟槽支护。
综上分析可知，明挖施工造价固定部分为管材及安装、土方开挖、地基处理、破路修复、检查井，浮动部分为回填土、支护结构。
表1 明挖造价组成（以d1200混凝土管为例，单位：元）
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图1 明挖施工造价组成
三、顶管施工造价分析
管道采用顶管施工时，造价的主要组成可拆解为五个部分：顶进、工作井、接收井、骑马井、破路修复。其中，破路修复按现状道路板块及等级，骑马井（即为检查井）间距依据规范确定。故造价固定部分为破路修复、骑马井。
顶进的单价取决于顶进工艺。顶管机头分为敞开式顶管机、平衡式顶管机，其中敞开式顶管机包括机械式顶管机、挤压式顶管机、人工挖掘顶管机，平衡式顶管机包括：土压平衡顶管机、泥水平衡式顶管机、气压平衡式顶管机。本工程顶管穿越土层多为细砂层、淤泥层，根据《给水排水工程顶管技术规程》CECS 246:2008中第12.3.1条“顶管机选型参考表”，结合地区经验，本工程选用泥水平衡式顶管机。
顶管井可采用沉井、逆作法井、灌注桩围护井。本工程地下水位高，地下水埋深多为0.5~3.0m，浅层存在细砂层等强透水层，采用沉井+止水帷幕，排水下沉，施工可靠。
本工程顶管井一座平均造价45万元，顶管井井距越长，分摊至每米的顶管井造价越低。同时，一次顶进距离大于100m时应增设中继间（《给水排水管道工程施工及验收规范》GB 50268-2008第6.3.1条），即发生多级顶进，顶进单价变高。因此顶管井井距对造价的影响存在拐点。
表2 不同管径顶进每米单价（单位：元）
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图2 顶管井井距对顶管总造价影响曲线
图2为顶管井井距为100~400m时顶管井、顶进、中继间三项合计分摊后的每米单价，可看出，顶管井间距100~200m时，井距对造价影响明显，顶管井间距200~300m时，井距对造价影响较小，仅相差10%，间距300m为拐点，其后进入递增区间。结合施工难度考虑，本工程顶管井井距定为200m。
四、明挖与顶管的造价平衡点
前文已分析并夯实了明挖、顶管的造价组成，随着管道埋深增加，明挖施工造价增加速度超过顶管施工造价增加速度，因此存在一个平衡点。
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图3 不同埋深明挖与顶管每米造价对比曲线（单位：元）
图3为d1200管道在不同埋深下明挖与顶管的造价对比，可看出，平衡点约为4.3m，即埋深小于4.3m时明挖造价低，埋深大于4.3m时顶管造价低。另外经计算得出，d800管道造价平衡点约为4.6m，d1000管道约为3.9m，d1350管道约为4.0m。综合来看，明挖与顶管的造价平衡点约为埋深4.5m。
五、某具体线路的设计比选
本工程中某线路管道长度13.93km，管径600~1800mm，管道埋深2.8~10.0m，管道位于现状道路下，道路等级包括城市次干路、城市主干路等。现将明挖与顶管的分界点分别定位4.5m、6.0m进行造价比较。
分界点4.5m：开挖与顶管的埋深分界点定在4.5m，其中开挖段0.86km，顶管段13.07km。
分界点6.0m：开挖与顶管的埋深分界点定在6.0m，其中开挖段5.87km，顶管段8.06km。
计算得出两种方案造价如下表。
表3 不同管径顶进每米单价（单位：元）
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注：本表中直接工程费仅包含干管，不含支管、截流井等。
可看出，分界点6.0m比分界点4.5m造价高出1029.1万元，高出比例约9%。因此分界点定为4.5m较经济。
六、类似工程的建议
对于沿海地区，地下水位高，浅部存在细砂层等强透水层，开挖2m左右即需钢板桩等支护结构。对此类地区的污水管道明挖与顶管的施工选择，给出以下建议：
（1）埋深2.0~3.0m。有放坡条件的，选用放坡开挖。无放坡条件，选用槽钢加钢挡板、钢板桩支护开挖。
（2）埋深3.0~4.5m。优先选用钢板桩支护开挖，可适当选用拖拉管。
（3）埋深4.5~6.0m。优先选用顶管，可适当选用钢板桩支护开挖、拖拉管。
（4）埋深大于6.0m。选用顶管。
因污水管道多于城市建成区施工，地下管线多，周边房屋密集，交通量大。在具体线路设计时，应以造价分析为锚，同时考虑对道路、房屋、交通、管线迁改等方面的影响，最终划定施工方式。