长大铁路隧道机械化施工配套技术经济分析研究

汤宪高，单向华，魏志宏，孙国新

(1．中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009;2．铁道部经济规划研究院，北京 100038)

0 引言

我国的铁路隧道施工机械化配套技术的应用和研究始于20世纪80年代，建设衡广复线大瑶山隧道时期首次从国外引进液压凿岩台车、混凝土喷射三联机和模板台车等大型隧道施工设备，后来在大秦、侯月和京九等铁路建设项目中推广应用，逐步形成了多种隧道机械化施工配套技术方案。但隧道大型机械化施工造价较高，受经济发展水平和投资管理体制等因素的影响，我国铁路隧道施工大型机械化配套技术的发展速度缓慢。

长大隧道机械化配套技术是在长期的工程实践中不断探索完善的，在这个过程中通过工程实践对隧道机械化配套技术不断总结和研究，已取得了较多的成果。文献［1］总结了长大隧道大型机械化施工技术;文献［2-4］分析研究了长大隧道大型机械化施工配套技术、装备和效率;文献［5-8］研究了凿岩台车和仰拱模架等大型进口机械和国产非标设备;文献［9］研究了隧道机械化施工与安全质量的关系。这些研究主要侧重于技术和管理方面，对隧道机械化施工的经济分析研究相对较少。

隧道机械化施工的经济分析工作曾经随着铁路隧道施工机械化配套技术的引进和应用同步开展。20世纪80年代以钻爆法修建大瑶山隧道时期，铁道部基建总局就组织开展了双线隧道大型机械化施工预算定额的编制工作，经过多年的编制和修改，形成了《铁路双线隧道工程大型机械化施工预算定额》［10］。但随着隧道施工新设备的应用和工程造价管理体制的改变，原来编制的隧道工程机械化施工预算定额的局限性不断显现，已无法满足目前的投资控制需求。

随着我国经济发展水平的提高和高速铁路建设规模的增加，人们的安全质量和环保节能意识进一步增强，面对人力成本不断攀升和长大铁路隧道大量出现的新形势，铁路隧道施工机械化水平的需求需要进一步提高。铁道部2008年发布了铁建设函［2008］777号《关于铁路隧道施工机械配置的指导意见》，2009年立项开展了隧道围岩稳定性研究，对隧道施工机械化配套技术进行的经济分析是其中一项重要研究内容。

长大隧道施工机械化配套技术的应用和推广需要技术和经济作为支撑。为合理确定和有效控制铁路建设投资，推动隧道机械化施工技术的健康发展，有必要将长大铁路隧道机械化施工配套技术的经济分析研究工作进一步推进。本文以隧道施工机械化配套技术课题研究中的Ⅰ级机械化配套方案为例，对其经济分析工作进行一些探讨。

1 长大双线铁路隧道施工Ⅰ级机械化配套方案

隧道施工机械化配套技术研究属于铁道部《隧道围岩稳定性分析研究》课题的子课题《长大隧道施工机械化配套技术与装备研究》的内容，其目的是通过对长大铁路隧道钻爆法施工机械化配套技术的调研，总结分析长大隧道钻爆法施工中开挖、出砟、喷锚支护、仰拱和二次衬砌等作业线的设备配置，通过科学地分析计算，寻求技术成熟和经济适用的机械化配套方案。通过对国内外近期隧道施工机械化配套技术的广泛调研，结合已有的研究成果，经过分析计算提出了长大铁路隧道施工的机械化配套模式。

其中的长大双线铁路隧道施工Ⅰ级机械化配套方案施工进度最快，且有专项配套费用的配置模式，从隧道开挖到混凝土二次衬砌，各作业线均按机械化进行配置。长大双线铁路隧道Ⅰ级机械化配套方案确定的具体设备配置如下:

1)开挖作业线。配置2台三臂液压凿岩台车作为开挖钻孔设备，兼作锚杆钻孔设备。凿岩台车配置工作篮，以进行隧道测量划线、炸药装填等作业。

2)支护作业线。采用湿喷机械手进行喷射混凝土作业，湿喷机械手的理论喷射能力不小于20 m3/h。

3)装运作业线。配置高性能大容量装载机装砟设备以及大吨位低排放自卸车运砟设备。

4)仰拱作业线。配置自行式仰拱栈桥和移动模架、仰拱挖装挖掘机、运砟自卸车和混凝土输送车。

5)防水板作业线。采用防水板铺设台车，既能减轻作业人员劳动强度，又能提高防水板铺设速度和铺设质量。

6)二次衬砌作业线。配置新型无门架式模板台车、混凝土输送泵、混凝土运输车及混凝土搅拌站。

为保持合理施工步距，仰拱及混凝土衬砌作业线一般配置2套设备。

2 双线铁路隧道施工Ⅰ级机械化配套方案经济分析和研究重点

双线铁路隧道施工Ⅰ级机械化配套方案经济分析研究属于《长大隧道施工机械化配套技术与装备研究》的内容，其目的是结合确定的配套方案，通过对样本隧道实际施工情况的调查与测定，核算出长大双线铁路隧道施工Ⅰ级机械化配套方案在合理施工组织条件下的经济指标，分析其与传统钻爆法在建造费用和施工工期上的差别。

2．1 配套方案差异分析研究

首先针对双线铁路隧道施工Ⅰ级机械化配套方案的6条作业线进行差异分析，旨在寻求经济分析工作的重点。作业线差异分析见表1。

针对表1隧道机械化施工设备配套技术的差异性分析，将重点对凿岩台车开挖和机械手喷射混凝土的循环时间测定、机械手喷射混凝土回弹率、凿岩台车开挖超挖量、初期支护和二次衬砌混凝土回填量、仰拱栈桥、模架、台架等研发设备的计算与摊销模式、隧道综合进度及定额进度取定等项目进行重点研究。

2．2 凿岩台车开挖超挖量研究

由于液压凿岩台车自身结构原因，凿岩台车钻凿周边眼时产生的外插角比手持风动凿岩机产生的外插角要大。工程实践证明，凿岩台车(TamRockT12)钻凿周边孔的外插角一般为3～5°。外插角的大小与凿岩机结构尺寸和钻臂推进梁范围内的洞壁支护状况密切相关。一般而言，凿岩机尺寸越大，钻臂推进梁越短，推进梁范围内的支护厚度越大，产生的外插角就越大。

外插角的客观存在导致钻孔底部超出开挖轮廓，爆破后会产生超挖;受隧道围岩结构构造和施工操作水平影响，隧道超挖也客观存在。根据规范，围岩收敛变形、拱架预留沉落、测量允许误差、施工允许误差以及超前管棚、超前锚杆、超前小导管轮廓线下的楔形坍落都属于难以避免的技术性超挖。

按现行铁路定额的工程量计算规则，隧道专业在计算工程数量时是根据开挖净断面提供的工程数量，难以避免的技术性超挖要在定额中合理考虑。为此，对样本隧道23个开挖循环的超挖情况进行统计，从测定的数据分析可知，Ⅲ级围岩的平均线性超挖为27 cm，Ⅳ级围岩的平均线性超挖为28．3 cm，Ⅴ级围岩的平均线性超挖为31．7 cm。结合现行铁路隧道施工规范可知，双线铁路客专隧道用凿岩台车开挖比用常规风钻开挖延米超挖量要多3．81～6．43 m3(占设计开挖断面的 2．9% ～4．4%)。

表1 作业线差异分析表Table 1 Comparison and contrast between Grade I mechanized construction and conventional construction

2．3 支护混凝土回填量研究

由于凿岩台车钻孔开挖比传统的风钻钻孔开挖产生的超挖量要多，其多超挖部分要用初期支护的喷射混凝土或二次衬砌混凝土进行回填。为合理取定凿岩台车开挖情况下机械手喷射初期支护混凝土定额子目和二次衬砌混凝土定额子目的混凝土材料消耗量，对2011年7—9月施作的175．8 m范围内的仰拱及回填、247．58 m范围内的拱墙衬砌混凝土消耗情况和212．7 m范围内的初期支护喷射混凝土消耗情况进行了统计分析，结果如表2和表3所示。

表2 二次衬砌混凝土消耗情况统计表Table 2 Consumption of secondary lining concrete

表3 喷射混凝土消耗情况统计表Table 3 Consumption of shotcrete

综合以上统计的二次衬砌混凝土和初期支护喷射混凝土的消耗情况，按围岩级别推算的延米超挖回填混凝土量和平均线性超挖情况见表4。

表4 延米混凝土回填量和平均线性超挖情况表Table 4 Correlation between backfilling concrete quantity and average linear overbreak

由表4可以看出，在凿岩台车开挖条件下，推算的Ⅲ级围岩的平均线性超挖为28．5cm，Ⅳ级围岩的平均线性超挖为30．1cm，Ⅴ级围岩的平均线性超挖为28．1cm。与前面凿岩台车开挖工程数量研究中得到的平均线性超挖数据(Ⅲ级围岩27．0 cm，Ⅳ级围岩28．3 cm，Ⅴ级围岩31．7 cm)虽稍有差异，但还是比较接近的。经分析，造成的差异主要是由围岩实际沉降量与设计预留沉降量不符合，以及立拱地段拱架体积占用支护空间等原因造成的。

由于喷射混凝土价格较二次衬砌混凝土价格高，为降低造价，在工程实践中往往会尽可能多用二次衬砌混凝土来回填超挖部分，但这必须以满足安全质量为前提。开挖基面喷射混凝土平整度较差会产生应力集中，并会导致隧道防水质量受影响。如果因混凝土喷射量不足发生坍塌等安全事故，将会对隧道建设造成更为恶劣的影响。

2．4 湿喷机械手喷射混凝土回弹率研究

目前长大隧道施工中普遍使用了混凝土湿喷机械手(目前长大隧道施工中最受欢迎的机械之一)，它的使用既提高了工作效率，又减少了混凝土回弹量，同时使隧道内的作业环境和工作条件均得到了极大的改善。

为合理确定混凝土湿喷机械手喷射混凝土定额的材料消耗，采用铺设彩条布收集回弹料的方法，对样本隧道在不同围岩条件下使用湿喷机械手(Sika-PM500PC)喷射混凝土的回弹率进行了测定。

通过对样本隧道DK137+324～+320全断面施工Ⅲ级围岩段、DK135+968～+966台阶法施工Ⅳ级围岩段和DK135+971～+970．2台阶法施工Ⅴ级围岩段喷射混凝土情况的现场测定，得到的喷射混凝土回弹率为19% ～24%(Ⅲ级围岩段的回弹率为19．6%，Ⅳ级围岩段的回弹率为20．0%，Ⅴ级围岩段的回弹率为23．8%)。

设备生产厂家提供的资料显示，Sika-PM500PC混凝土喷射机械手的回弹率一般在10%以下，澳大利亚捷肯E3混凝土喷射机械手的回弹率也在10%左右。一些施工单位的汇报资料中显示的回弹率一般在8%～13%。通过调查发现:施工单位、生产厂家、经济分析研究人员对喷射混凝土回弹率的计算方法各不相同，有的是以回收喷射混凝土量除以实际拌制混凝土量计算的，有的是以回收喷射混凝土量除以实际喷射混凝土量(总拌制量-运输和喷射作业损耗量)计算的，而经济分析研究人员是以回收喷射混凝土量除以岩面实际附着混凝土量计算的。

2．5 仰拱栈桥、模架、台车(架)等研发设备的摊销模式研究

在机械化配套方案中，仰拱模架、全自动液压仰拱栈桥、简易仰拱栈桥、门架式衬砌模板台车、防水板铺设台车、衬砌蒸汽养护台架、沟槽移动模板等均为研发的非定型产品，生产厂家和现场使用单位有的还处于磨合和完善之中。

起初计划把液压仰拱栈桥和仰拱模架作为机械设备考虑，后经反复研究，认为就其结构组成而言仍可划分为主体结构、行走系统、液压系统和电气系统4个部分。为保持与现行铁路隧道工程预算定额计算规则统一，便于使用和调整，决定仍采用现行铁路预算定额中定型钢台模的编制模式，按不同结构重量和机械价值，分主体结构、行走系统、液压系统和电气系统4个部分分别考虑摊销次数和残值回收。

2．6 隧道综合进度及定额取定进度研究

在隧道施工中，正常施工往往受到工序转换、供电线路检修等多种因素的影响，用测时法对单工序循环时间进行测定很难涵盖这些因素。为弥补测时法对循环外时间考虑不足的缺陷，对样本隧道的实际进度进行了统计，以便采用综合进度对工序单循环实测的人工和机械消耗量进行修正，使编制的定额符合社会平均水平。

从样本隧道2009年5月至2010年12月共计550 d(扣除了因设计标准调整引起的非正常停工63 d)的统计情况来看，采用Ⅰ级机械化配套方案施工的双线铁路客专隧道的月单口最高进度为244．6m，月均综合进度为136 m(Ⅲ级围岩月均进度170 m，Ⅳ级围岩月均进度102 m，Ⅴ级围岩月均进度62 m)。而铁建设2009［226］号《铁路工程施工组织设计指南》关于隧道施工工期的指导意见中明确的进度指标是:“Ⅲ级围岩月进度为100～130m，Ⅳ级围岩月进度为55～80m，Ⅴ级围岩月进度为35～50 m。”

样本隧道的进度指标是实际统计得到的，其中包括工序转换、检测检查、开挖步距及机械状况等因素的影响。而《铁路工程施工组织设计指南》中的工期指标是编写者分析多个采用小型机械施工的新建铁路隧道的统计资料后综合取定的进度指标。为了保证编制的定额符合社会平均水平，在样本隧道统计进度和《铁路工程施工组织设计指南》进度两者之间综合取定了一个偏上限值，作为确定Ⅰ级机械化配套方案施工的隧道的定额水平之依据。取定的定额月进度指标见表5。

表5 取定定额月进度指标表Table 5 Monthly driving rate m/月

3 隧道施工机械化Ⅰ级配套方案经济分析研究成果

3．1 补充编制配套方案有关机械的台班费用定额

通过对隧道施工机械化Ⅰ级配套方案重点项目的研究分析，结合在样本隧道现场测定和收集的资料，补充编制了进口三臂液压凿岩台车、进口混凝土喷射机械手、拱架安装机等进口和国产研发设备的机械台班费用定额。

3．2 补充编制配套方案有关项目的预算定额

通过对Ⅲ、Ⅳ和V级围岩条件下的凿岩台车开挖、混凝土湿喷机械手喷射作业的有关作业时间和综合效率进行测定，结合重点项目研究分析得到的凿岩台车开挖超挖量、喷射混凝土的回弹率和回填量、二次衬砌的回填量以及仰拱栈桥、仰拱模架、新型无门架式模板台车等非标设备的技术参数，建立了采用Ⅰ级配套方案施工隧道的预算定额编制模型，补充编制了三臂凿岩台车开挖、出砟、机械手喷射混凝土、液压栈桥、仰拱模架、无门架模板台车等项目的预算定额。

3．3 隧道施工机械化Ⅰ级配套方案经济效果分析

用补充编制的机械台班费用定额、补充预算定额和现行铁路定额，按现行的铁路概预算编制办法和工料价格标准，选取4个双线铁路客专长大隧道，对Ⅰ级机械化配套方案施工和传统小型机械施工预计发生的建造费用进行了对比分析(见表6)。由对比分析可知，采用Ⅰ级机械化配置方案施工的隧道，其建造费用比采用传统小型机械施工的隧道增加约17%。如考虑凿岩台车钻爆超挖造成的出砟和回填混凝土(喷射混凝土和二次衬砌混凝土)费用，隧道的建造费用增加约20%。

表6 机械化施工隧道建造费用对比分析表Table 6 Analysis on cost of tunnels constructed by mechanical means

经分析，隧道建造费用增加的主要原因是施工机械设备费用投入较大，同时由于凿岩台车自身结构原因导致隧道超挖量增大，引起出砟量、喷射混凝土和二次衬砌混凝土回填量以及铺设防水板数量的增加。

4 结论与讨论

1)采用Ⅰ级机械化配套方案施工的铁路客专长大隧道，虽然其建造费用有所增加(约20%)，但其建造速度也大幅提升(约25%)。按建立的匹配模型(Ⅱ级和Ⅲ级围岩为主)推算，单口掘进2 500 m，工期将缩短7个月(Ⅰ级机械化配套方案合理工期23个月，常规小型机械施工合理工期30个月)。提前7个月竣工投产，将会创造良好的经济效益和社会效益，综合效益非常显著。

2)在进行经济分析时，是基于目前铁路隧道施工Ⅰ级机械化配套方案中的关键设备均选用进口设备，并在假设隧道设计方案不变的前提下进行的。随着配套设备国产化的不断推进和人力成本的进一步攀升，隧道施工机械化施工配套技术的优势会更加突出。

3)隧道采用Ⅰ级机械化配套方案施工，具有节省劳动力、降低劳动强度和安全风险小等优点，且能提高工作效率。配套应用机械设备施工，不仅减少了施工作业中的人为因素，而且配套设备具有机型成熟、性能稳定和产品寿命期长等特点，这对保证隧道的工程质量具有重要的意义。

对长大铁路隧道采用Ⅰ级机械化配套方案施工的经济分析，目前主要是围绕建造费用进行定量分析，而对工期、安全、质量、环保和职业健康等方面仅进行了定性分析，还需要继续广泛收集相关资料，进一步研究工期和安全质量等方面的定量经济分析。另外，如何对大断面软弱围岩机械化施工进行研究，不断提高软弱围岩机械化施工配套技术水平和其综合效益，进一步提高隧道施工大型机械设备国产化水平，是需要继续进一步研究的课题。

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