拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的关键控制工程,也是港珠澳大桥的控制性工程。隧道下穿全国第一大陆路口岸——拱北口岸,受建设条件限制,采用世界首创的管幕冻结工法施工。由于该工法在公路工程、市政工程、铁路工程、建筑工程等行业缺少完整的计价依据,为给拱北隧道工程的计价、变更、索赔等提供依据,有必要开展该工法补充定额研究。

拱北隧道全长2471m,位于广东省珠海市香洲区,毗邻澳门,起点位于拱北湾海域,终点位于广东省公安边防第五支队茂盛围军事管理区。其中,隧道下穿拱北口岸255m段采用管幕冻结暗挖法施工,其余采用明挖暗埋法施工。所谓的管幕冻结法是在管幕法基础上为解决长距离曲线管幕暗挖施工而提出的一种创新施工工法,是以顶进的钢管形成管幕作为超前支护,并在钢管管内布设冻结管路,将钢管间的土体冻结为一定厚度的冻土圈进行封水,在管幕冻结帷幕内分台阶分部进行隧道洞内土体开挖的一种隧道开挖工法。拱北隧道暗挖段为双层高速公路隧道,由36根长255m直径1620mm的钢管形成管幕作为支护体系,在钢管内布设圆形和异形冻结管路系统,将钢管间的35.7cm土体及管幕周边一定厚度的土体冻结封水,然后在冻结管幕内将隧道断面分为五个台阶十四个分部,并在临时支撑的支护下进行洞内土体开挖,最后施作隧道永久结构。拱北隧道横断面如图1。

拱北隧道建设期间执行的《公路工程预算定额》(JTG/T B06-02-2007)中无长距离曲线管幕冻结工法相关定额。市政工程中顶管定额与管幕冻结工法中大规模群管顶进的要求、消耗量指标等存在较大差异,不能直接作为管幕冻结工法的计价依据。冻结工程在煤炭行业竖井、地铁盾构隧道联络通道、盾构进出洞施工中常采用,但现行的地铁定额、市政定额和煤炭行业《特殊凿井工程量消耗定额》相关冻结法子目中,施工工序及冻结指标与管幕冻结法均不同,消耗量指标差距较大,不宜直接套用。因此,应根据管幕冻结法施工工序,在合理划分定额子目的基础上,测定、分析相关基础数据,编制相应的补充预算定额,为该工法的成本管理和经济核算提供基础。

根据我国公路定额编制要求,结合拱北隧道管幕冻结法的设计图纸、施工工艺和施工组织,按照既反映主要施工活动又粗细划分恰当的原则,对管幕冻结工法的补充预算定额项目及定额子目进行划分。管幕冻结工法可分为顶管管幕工程、冻结工程和开挖及支护工程三大部分。其中顶管管幕工程划分为钢管节制作、破除孔口封门、工作平台安拆、机头及附属设施安拆、钢管节安装、泥水平衡顶管机掘进、注浆减阻、泥浆置换、管幕混凝土填充和监控量测等定额项目。冻结工程划分为冷冻机组和辅助设备安拆、管幕外供冷管路安拆、集配液圈制作与安拆、管幕内供冷管路安拆、首次充氟利昂及溶化氯化钙等材料、冻结制冷、解冻、融沉注浆和冻结监测等定额项目。开挖及支护工程划分为土体注浆加固开挖、洞身开挖临时型钢支撑、初期支护洞内土体加固、临时钢支撑、二次衬砌等定额项目。

为定额编制工作提供真实、充分的数据信息,应对定额原始数据进行科学、合理的测定。我国工程定额编制中最常用的数据测定方法是技术测定法,即通过定额测定人员在施工现场,对施工过程中某项施工活动采用科学的技术手段进行详细勘察,记录施工过程中人工和机械的工时消耗、材料消耗、完成产品的数量和施工中出现的主要影响因素,并对记录结果进行仔细分析、研究,提取定额编制所需的数据资料。本研究数据测定主要采用写实记录法和测时法。

根据拱北隧道施工现场实际情况,对补充定额子目中各个工序的工、料、机消耗进行现场测定,采集定额编制所需原始数据和相关统计资料,其工作流程如图2。数据测定时工作时间测定难度通常较大,首先应区分施工过程中的人工工作消耗的时间和机械工作消耗的时间,其次应区分工人和机械的准备工作时间、基本工作时间、施工本身造成的不可避免的中断时间,再次应区分人工和机械的因施工组织不当停工、不合理的施工中断、返工等所产生的损失时间。

具体到各子目定额基础数据测试时,应先区分是手动过程、机械化过程、机械与手动并动,还是机械与手动交替过程,并按下述方法进行数据采集:对手动过程、机械化过程、手动过程与机械化并动过程、手动与机械化交替过程,采用测时法或写实记录法采集各种工作时间的消耗;对施工工序较为复杂,班组人数、机械数量和种类较多的施工,施工过程的准备工作时间、基本工作时间、施工本身造成的停工时间等必须消耗的定额时间不易测定,可简化只采集损失时间,最后用手动过程或机械化过程的总工作时间减去相应损失时间就得出必须消耗的定额时间。表1是顶管机机头及附属设施安拆定额项目的数据测定内容及样本采集情况,其他定额项目的数据测定及采集情况不一一赘述。

受定额测定人员的专业技能水平、施工人员的熟练程度、施工环境等因素影响,现场采集的原始数据一般不能直接作为定额编制的基础数据,需经过科学的数据分析、处理才能成为定额制定的依据。传统的定额原始数据处理方法是通过技术测定数列的最大极限值和最小极限值来判断数列中是否含有异常值或可疑值。本研究采用基于统计原理的数据处理方法,即根据实际生产中一定时期内工作时间、机械和材料消耗和产品完成数量的原始资料(记录),经过数理统计分析、对比、整理测定数据的一种方法。该方法采用基于统计学原理t检验准则或格拉布斯准则剔除测定数列中异常值。

由于定额原始数据测定值服从一定的概率分布,构造统计量g,并分析g的分布函数,根据给定的显著性水平α(常取0.05),计算出相应的临界值G,公式如下:

P(g>G)=α

若上式成立,则该测定值属于异常值,应剔除;反之,保留。如管幕顶管工程中平台拆除采集的人工消耗量数据样本数:25.672、29.298、23.765、23.978、31.298、33.527、31.685、28.364、62.851、26.518小时,共10个样本。经检验,62.851为异常值,应剔除。算术平均值为28.234小时,每拆除一座工作平台需28.234/7=4.033工日。

依托港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程施工图设计文件、施工组织方案、建设环境和实施条件,以现场实际施工工法和工效下的资源消耗水平为基础,考虑国内大型工程施工企业的施工装备水平、施工组织和管理水平,编制了管幕冻结补充预算定额。其中新增管幕顶管工程补充定额11项,新增开挖与支护工程补充定额5项,新增冻结工程补充定额9项,以及新增机械台班费用30项,最后汇编成册上报上级主管单位审查批复。

为更好了解已编定额与现有类似定额的差异,评价已编补充定额的水平,根据工序相近、可对应比较的原则,对已编管幕顶管工程补充定额与广东省市政工程综合定额中的相关定额、冻结工程补充定额与煤炭建设特殊凿井工程消耗量定额、开挖支护工程补充定额与公路工程预算定额中的相应定额进行对比分析。

管幕顶管工程与市政工程顶管的施工工况和施工方法均有较大差异,但剥离可量化的差异,仍可对类似定额项目进行对比分析。选择拱北隧道管幕工程中泥水平衡顶进、泥水平衡顶管机械及附属设施安拆、注浆减阻三个补充预算定额与《广东省市政工程综合定额2010(第五册排水工程)》(下称市政定额)中相应定额进行对比,对比情况见表2。

比较结果表明,由于管幕顶管工程的劳动生产率和主要机械效率比市政定额高,泥水平衡顶管机械及附属设施安拆、注浆减阻的材料消耗和机械消耗比市政定额低。泥水平衡顶进的机械费超出较多,主要是因为拱北隧道为曲线顶管管幕,且距离周边建筑物桩基最小的距离仅为0.5m,管顶控制精度要求非常高,加之顶管内需工人进入安装冻结管路,定制了直径为1620mm的进口顶管设备,该设备台班单价较高。若把管幕工程顶管定额中顶管机换成市政定额相同的顶管机台班单价,则计算的机械费比市政定额还要低25.71%。因此,考虑不可量化的工况差异等因素,管幕顶管工程的定额消耗与市政定额相比处于合理水平。

目前国内地下冻结工程定额比较完整的只有《煤炭建设特殊凿井工程消耗量定额》(下称煤炭定额),管幕冻结法中冻结工程补充定额与之相比,有部分定额的工作内容相同或相近,选择拱北隧道冻结工程中管幕外供冷管路安拆、集配液圈制作安装、管幕内供冷管路安装、溶化氯化钙、冻结制冷等五个定额测算与《煤炭建设特殊凿井工程消耗量定额》中的相应定额费用进行对比,对比情况见表3。

对比结果表明,管幕外供冷管路安拆、集配液圈制作安装两组煤炭定额直接工程费大于冻结工程补充定额,其余三组是冻结工程补充定额大于煤炭定额。主要原因是采用的主要机械和材料有所不同,导致主要劳动消耗、机械效率和材料消耗存在一定差异,但差别不大。剥离个别明显不同的因素后,前述差异均在10%的范围内,处于合理水平。

对拱北隧道暗挖段开挖与支护工程中洞身开挖、隧道喷射混凝土、初期支护、注浆五个测算定额与《公路工程预算定额》(JTG/T B06-02-2007,下称公路定额)中的相应定额进行对比,比较时采用的工料机价格按公路工程预算定额的基价,对比结果见表4。

对比结果表明,由于施工工况和施工方法不同,采用的主要机械和材料有所不同,两种定额的主要机械效率和材料消耗有一定差异。初支拱架钢筋网片窄小,制作及焊接工作量大,且焊接环境温度较低,使钢筋网片的焊接难度增大,效率降低,导致开挖支护工程的人工消耗和电焊机的台班消耗有较大幅度的增加。若不计焊接难度而增加的人工和电焊机的台班消耗,则两个定额的直接工程费比较接近。由于公路工程定额未包含钻孔的工作内容,且管幕冻结工法开挖支护工程中采用钻注一体机的台班单价较高,导致机械费增加较大。若把补充定额中的钻注机械和人工消耗用公路工程预算定额中的相应项目取代,补充定额的直接工程费用为4079元,增加10.24%,则两者相差不大。考虑不可量化的工况差异等因素,开挖与支护补充定额处于合理水平。

依托港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段工程,以测时法或写实记录法采集了基础数据,并采用基于统计原理的数据处理方法进行了数据处理,在此基础上编制了管幕冻结工法的补充预算定额,与类似定额进行了对比分析结果表明定额处于合理水平,可作为拱北隧道暗挖段管幕冻结工法施工的计价依据,也为国内同类工程的造价管理、成本核算提供了借鉴。