川藏铁路施工组织技术研究

□ 魏 强 李照星

(1.中国国家铁路集团有限公司,北京 100844; 2.铁科院(北京)工程咨询有限公司,北京 100081)

川藏铁路是我国西藏自治区对外运输通道的重要组成部分,是引导产业布局、促进沿线国土开发、整合旅游资源的黄金通道,也是巩固国家边防安全的战略要道。

川藏铁路东起四川省成都市,向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南,终于西藏自治区拉萨[1]。线路经过四川盆地、川西高山峡谷区、川西高山原区、藏东南横断山区、藏南谷地区5个地貌单元,东连成都枢纽与中东部地区,向西通过既有青藏铁路和规划的新藏铁路,连接西北、新疆等地区。其中拉萨—林芝段正在修建,雅安—林芝段是本项目研究的对象,是川藏铁路修建难度最大的段落。

一、工程特点及建设模式

(一)工程特点

1. 极端灾害风险

(1)地震、洪水、雪崩等突发性地质及气候灾害频繁,未知灾害风险极大地增加了工程建设的复杂性以及施工组织面临的高度安全风险。

(2)复杂地质隧道、高墩长桥等地质灾害和施工安全风险极高。隧道内施工存在岩溶、暗河,煤层及采空区;瓦斯、天然气、有毒等有害气体,以及高地应力、高地热等复杂地质条件,面临塌方、突水(泥、石)、爆炸、大变形、岩爆、高地热等一系列的施工安全风险;高墩长桥施工面临山谷风、洪水暴雪等极端天气以及地形狭窄的地理环境等不利因素。

2.工程异常艰巨

(1)施工组织难度极大。超大桥隧比例对川藏铁路施工组织提出了严峻的挑战:隧道工程施工资源及机械设备管理难点多、技术方案复杂并处于动态管理状态;桥梁工程地处沟谷地形,坡陡谷深,运输道路及施工场地狭窄,大型构件多,规划组织复杂。

(2)建设周期超长,有效施工期短。川藏铁路工程建设工期超10年以上,但由于人员机械降效大,特殊风季、雨季、冬季、昼夜大温差等因素使有效工期短。两方面不利因素耦合产生放大效应,使施工队伍组织及稳定、施工计划及技术方案策划等具有很大的未知性,形成了工程组织管理上极大地挑战。

(3)工程保障难度极大。在高原作业需要特殊的设备以及维护、物资材料进场及物流组织、电力与通信保障设施薄弱、施工人员生活物资及健康保障、维护社会稳定等,对施工组织提出了非常高的要求。

(二)工程建设模式

国家层面成立各有关部门及机构企业参与的川藏铁路建设领导机构,中国国家铁路集团受国家委托,具体负责川藏铁路建设。设立川藏铁路有限公司,作为项目法人按照市场机制进行项目决策与运作;成立川藏铁路工程建设指挥部,作为项目管理机构承担项目建设管理责任。

二、相关理论与实践综述

(一)施工组织设计的发展及定义

1.施工组织设计的发展

施工组织设计是上世纪50年代发展起来的一种管理模式,欧美等国家把施工组织设计视为工程项目管理的一部分,叫做“施工组织计划”、 “施工准备”或者“工程项目管理计划”。 1928年苏联在建造第聂伯尔水电站时，编制了有资料可查的首个施工组织设计,很好地指导了第聂伯尔水电站项目的开展。随着关键线路法(CPM)、网络计划(PERT)以及信息技术的应用,施工组织设计编制水平及对项目建设的指导取得了较为突出的效果。我国水利、公路等行业也普遍采用施工组织设计技术,出台了相关的行业规范,对工程建设管理起到了很好的提升作用。

上世纪50年代,我国设置铁路施工组织设计机构。上世纪80年代开始,国内铁路建设迅速发展,1982年出台了铁路工程施工组织设计编制规定。随着铁路建设特别是高速铁路的发展,我国铁路施工组织技术、设计理论、组织管理水平不断提高,铁路部门先后颁发《铁路基本建设工程施工组织设计编制办法》(〔82〕铁基字1394号)、《铁路工程建设工期定额(试行)》(建标〔1991〕235号)、《铁路工程施工组织调查与设计办法》(铁建设〔2000〕95号)、《铁路工程施工组织设计指南》(铁建设〔2009〕226号)、《铁路工程施工组织设计规范》(Q/CR 9004—2015)、《铁路工程施工组织设计规范》(Q/CR 9004—2018)[2](以下简称“规范”)等一系列标准规范,在铁路建设中发挥着越来越重要的作用。

2.施工组织设计的定义

施工组织设计是对施工活动实行科学管理的重要计划手段,是对工程建设顺序、建设工期、资源配置、施工技术方案、安全质量管理等要素做出的统筹安排。根据建设项目特点,通过技术经济比选,选择施工方案,确定施工进度,设置临时工程,并对项目在人力、物力和财力、时间和空间、技术和组织等方面做出全面科学合理的安排,为施工顺利开展提供前提条件、指导依据和基础保证[3]。

在高速铁路施工组织设计探索、发展过程中,针对质量要求高、控制因素多、接口工程复杂、内外部协调量大等特点,需要确定工程实施的详细的计划,这个计划就是施工组织设计。其纵向覆盖了项目决策、设计、交易和施工等建设全过程,横向覆盖了建设项目设计方案、施工方法、工期节点、现场布置、资源配置、建设投资和管理措施等全要素,涉及建设、设计、施工、监理、审批和管理等多个参建单位,因此被称为“指导项目建设的纲领性文件”。

3.施工组织设计的分类

“规范”依据不同的建设阶段将施工组织设计分为五类,具体内容见表1。

表1 施工组织设计分类

(二)研究基础

1.施工组织设计规范的提升

2018年对“规范”进行了全面修订,集成了当时铁路工程施工组织实践的最新成果。一是将环保、水保、劳动卫生防疫管理“三同时”要求纳入施工组织重点管理内容。二是强化投资控制,科学合理的确定各类工期指标参考值,均衡安排生产,提高投资效益,降低投资成本。三是突出“质量安全”核心,建设“精品工程”。对质量安全采用专门章节,提高要求;结合行业最新政策,将提前介入、采用四新工艺、红线管理、标准化评定、竣工验收等内容纳入施组管理。四是加强信息化管理,建设“智能铁路”。实施施工组织设计信息化管理,编制专门章节,将最新成果和要求纳入施组管理,推广应用BIM技术。五是强化目标管理,加强施组执行情况考核。六是坚持问题导向原则。全面分析近年来铁路建设施工组织设计管理存在的问题,汲取铁路建设中诸如“六位一体”安全质量及投资要求、提前介入、“一体化”施工等成功经验,为铁路建设管理提供技术支撑。

2.工程管理平台的应用

铁路工程管理平台形成了安全、质量、进度、投资、设计、综合管理等7个体系,开发了试验检测、超前地质预报等45个业务系统,基本覆盖了全路铁路建设项目,实现了工程建设主要业务的信息化管理。其中,施工组织设计管理实现了动态控制和智能编排,重点管理内容包括:(1)EBS和施工日志是施组动态管理的基础。(2)问题库预警是施组动态管理的前提条件,形成以问题为导向的进度管理工作机制。(3)根据规范工期指标,收集现场实际指标,建立了工期指标库,实现了施工组织设计斜率图的分级自动调整,同时对工期之后的项目实现了报警管理职能。

3.质量管理体系的提升

经过多年的建设实践,我国铁路建设安全质量管理形成了以信誉评价为载体的过程管理、以红线管理为抓手的质量控制和开工、验收以及过程管理标准化的综合管理体系,质量控制取得了良好效果,质量水平上了新台阶。在施工组织设计规范中已经明确了联调联试、沉降变形、混凝土徐变等红线控制,规范了静态验收、动态验收、初步验收、安全评估、达标评定等验收程序。

4.新基建带动新技术的应用

高速铁路智能建造技术的应用,改变了既有的生产组织方式和建设管理方式。如路基自动压实技术、预制拼装技术、箱梁自动监测技术、隧道机械化配套技术、轨道板(枕)智能化工厂生产技术、安全空间自动监测技术等先进技术和工艺的应用,改善了工程资源组合方式,降低了安全质量控制成本和工程资源利用成本,为建立多目标决策下工期与经济双优管理模式奠定了基础。

图1 川藏铁路施工组织研究技术路线图

三、主要研究内容和研究思路

(一)川藏铁路施工组织技术的研究需求

1. 在大临工程和过渡性工程的设计和建设模式上,应进行重点研究和规划。结合大型工程建设的成功经验,创新性移植,如施工道路、施工用水、供电方面,可以参照水利工程施工组织的模式进行建设。同时突破既有组织模式和规范,研究石料生产系统、物流基地、TBM组装场、施工营地等按照大临工程的模式进行设计和建设。

2. 需要确定川藏铁路的工期指标体系。总结类似环境铁路建设的工期指标,充分考虑高原对人体及机械的降效因素,合理确定各种工法指标,合理安排控制性工程的施工组织。

3. 物流组织与规划需要重点研究。TBM等大型物流设计进场路径规划、物资进场物流组织、分级仓储的基地建设规划、施工道路分级规划且与地方道路的结合等,需要进行认真研究。

4. 施工组织顺序及隧道施工专项方案、针对性的质量安全保障措施等也要重点研究。

(二)主要研究目的与研究内容

本研究的主要目的是为川藏铁路可行性研究以及初步设计提供可行的、尽可能翔实的施工组织方案及工程经济方面的技术资料支撑。主要内容包括:一是通过充分调研类似铁路、公路、水利水电等大型工程的施工组织情况,研究建立适合川藏铁路的施工组织工期指标体系,分析影响因素,提出全线建设总工期建议、工程建设顺序等施工组织总体方案;二是通过调研沿线施工资源分布现状,研究全线生产要素及物资供应、存储方案,提出施工辅助工程与辅助企业的配置方案;三是通过调研沿线通讯网络资源情况,分析既有工程建设管理平台状况,研究提出适合川藏铁路的智能化施工组织信息平台方案。

(三)研究思路和技术路线

本研究是实用性的研究,同时要进行突破既有规范框架下管理理念和思路的创新,因此十分注重实践调研,采取实地调查研究、大型工程项目经验总结、专家咨询讨论等方法和形式,同时注重了一定的基础理论研究。技术路线图如图1所示。

四、取得重要研究成果和创新突破

(一)管理理论创新

1.提出施工组织设计的新框架

工程施工组织设计总体框架丰富了铁路工程施工组织设计架构,增加了辅助工程、辅助企业和信息化管理系统等构成要素;完善了铁路工程施工组织设计架构,对原有的要素进行了补充和完善,如在“资源配置”要素中增加了“物资存储基地”等内容;重建了架构内各要素的相互关系。川藏铁路工程施工组织设计总体框架与一般铁路工程施工组织设计总体框架关系与对比如图2所示。与现行标准规定的一般铁路工程施工组织设计总体框架(如图2左所示)相比,主要增加了辅助工程配置、辅助企业配置和信息化管理系统三项内容。川藏铁路施工组织设计总体框架中各项要素之间的相互关系如图3所示。

图2 川藏铁路与一般铁路工程施工组织设计总体框架关系与对比

图3 川藏铁路工程施工组织设计主要内容相互关系

2.创新施工组织设计重点内容的概念

为了适应川藏铁路工程建设管理需要,本文课题在铁路工程建设中开创性提出了辅助工程和辅助企业的概念。这两个概念的提出,对原来的大临工程所包含的内容进行了进一步细化,根据临时工程的作用和性质,更加突出功能导向,进行分类管理,体现了川藏铁路工程建设“精细化”管理思路。

(1)辅助工程。主要指施工企业为了进行建筑安装工程施工,根据施工组织设计设置的大临工程,包括施工道路、临时电力线、临时给水设施、临时通信基站、施工营地等,一般铁路工程建设中属于大临工程的范畴。由于川藏铁路建设环境条件恶劣,地形地貌多变,地质条件复杂,各种灾害频发,在这样的条件下进行铁路工程建设与一般铁路工程建设有着很大的不同。一般铁路建设中不需要建设单位对临时工程过多关注,由施工单位自行设计、建造即可。但在川藏铁路工程建设中,建设单位必须重视部分大临工程的勘察设计、建设管理、灾害监控和应急救援,将这部分大临工程也即辅助工程和正式工程进行一体化管理。

(2)辅助企业。主要指施工企业为了进行建筑安装工程施工,根据施工组织设计设置的临时辅助生产企业,包括梁场、铺轨基地、轨枕厂、拌合站、机械修配厂等,一般铁路工程建设中属于大临工程的范畴。与辅助工程为施工提供“公共服务”且无法计量经济效益不同,辅助企业主要为特定工程提供“成品”和“半成品”,且数量和成本清晰,是工程造价的组成部分,在施工过程中可以方便计量。这一部分大临工程的设置,对施工资源的配置具有决定性作用,“规范”的规定已经无法满足川藏铁路建设的需要,故将辅助企业单列为施工组织设计的主要内容之一,就是为了更好地发挥其作用,为全线施工提供保障。

(二)重大技术成果

1.形成川藏铁路工期指标体系,提出建设工期建议

(1)工期指标体系

通过对在建拉林铁路、成兰铁路、玉磨铁路、大瑞铁路高黎贡山隧道、已建成的兰渝铁路、西成高铁,在建的黔张常铁路及敦格铁路当金山隧道的调研,以及组织管理现状[4]和工期指标研究的典型案例[5-9],收集工期指标数据作为川藏铁路工期指标确定的参照。

国内外有关专业组织对高原的海拔高度有不同的定义:国际标准组织ISO定义为1000 m以上,我国工程机械高原适应性研究定义为2000 m以上。根据相关文献及现场实测,对于在高原地区使用的自然吸气柴油机,海拔高度每增加1000 m,其功率下降10%。川藏铁路在极端困难的环境下建设,对人工和施工机具都带来的工效降低的影响。川藏铁路平均海拔3600 m,工期指标在94号文施工工期基础上考虑《铁路概预算编制办法》国铁科法〔2017〕30号文、〔2017〕31号文[10-11]及《公路工程基本建设项目概算预算编制办法》(JTG B06—2007)[12]中对高原地区施工措施增加费根据海拔高度的不同,相应费用增加幅度的规定,按24%进行降效。

表2 川藏铁路沿线主要地区海拔高程表

表3是调研有关线路隧道施工指标,表4是川藏铁路隧道建议采用指标。

(2)合理工期建议

根据不同的施工资源配置和辅助设施设置,进行了10年、12年、15年不同目标工期分析,考虑到川藏铁路极其复杂的地形地质条件,建设存在不确定性因素较多,同时及早发挥效益,适当留有余地,建议总工期暂按10～12年安排。

同时提出了统一实施、分段建成的总体施工组织方案:天府至朝阳湖段,4年左右建成开通投产;雅安至康定段,可满足提前1～2年建成条件,可作为试验段进行高原行车试验,为全线正式通车进行技术和运营组织的储备;康定至林芝段,10～12年建成通车。全线统一开通。

2.提出川藏铁路施工组织信息化管理架构

川藏铁路工程施工组织设计总体框架中，将信息化管理系统作为单独的保障措施，从“管理措施”要素中独立出来,在原有铁路工程管理平台的感知层、传输层、数据存储层、数据资源层、系统服务层、系统应用层、系统表现层等7个层级结构,以及系统管理、基础数据管理、施工方案管理、计划管理、进度管理以及首页的信息集成展示6大模块的基础上,将进度管理与BIM模型深入融合以及升级施组进度推演算法,对现有模块调整和完善,增加实际工期案例库和工程线运输调度等功能,以支撑川藏铁路施工组织智能化。这样的信息化管理系统已经远远超出了“信息化管理措施”的内涵,对川藏铁路工程建设保障作用大大强化,与“管理措施”一样对工程的质量、进度、投资、计划、安全以及物资调度、防灾检测、预警应急等具有在机制、制度和手段等方面发挥关键的保障作用。

五、下一步重点工作建议

施工组织设计作为施工组织活动的总体计划安排,符合整个工程管理活动的特征,即在情境管理特征下,根据实际情况,不断调整优化,以达到施工组织设计确定的目标。川藏铁路的特点更加决定了施工组织设计动态管理的重要性,建议做好以下几个方面。

(一)施工组织动态管理方法

1.头脑风暴反复优化法

施工组织设计编制及不断调整的目的是适时对工程建设进行指导,因此各参建单位对施工组织设计的深刻理解非常重要。指导性施工组织设计动态调整反复优化法主要程序为:建设总指编制施组调整大纲→各实施单位组织编写各管段内实施性施组→建设单位组织集中进行施组汇总调整→建设单位组织集中审查→各单位进行学习吸收→建设单位与各实施单位就各标段实施性施工组织设计进行讨论、对接和确定。其中建设单位组织集中进行施组汇总、调整是主要阶段,在该阶段主要领导亲自参与,与各参建单位主要业务人员采取头脑风暴法进行了反复讨论,研究确定各重要工程的施工方案和施工计划。

2.“两会三报”调度法

“两会三报”调度法是指建设单位依托调度中心及信息管理系统平台,建立“日报、周报、生产调度月报和调度周例会、月度生产例会”制度,强化工程调度管理,对工程进展信息进行全面收集和动态管理。建立日报制度的目的，是对全线重点工程的完成情况以及存在问题、解决措施及解决时间等进行全面的动态控制,日报内容根据工程的进展情况进行不断调整。周报和周例会制度是进行建设管理的重要手段,周报全面反映了全线一周工程进展情况,包括征地拆迁方面的进展、投资完成情况、各重点工程的进展情况等,周例会进行研究部署。月度生产调度分析例会以及月报，专门分析各标段生产进度、投资完成情况,并通过会议进行工作总结、问题分析、研究制定措施,并部署下一阶段重点工作计划和重要工作。

3.关键工期节点卡控表格法

将施工组织的关键线路上的关键时间节点、进展情况、影响因素以及实际进展列在一张表格上,定期进行对比分析,对出现的新的偏差采取措施进行纠正。表格主要完成时间节点包括:路基工程、路基防护工程、隧道贯通、隧道二衬完成、特殊结构梁、架梁、电缆槽贯通、无砟轨道、道岔铺设、轨道铺通、轨道精调、防护栅栏、四电用房、雨棚及站台铺装、站房客服区装修、客运标识、四电所亭、缆线敷设、轨旁信号设备安装、10 kV供电、客服系统、公跨铁立交桥具备防灾设备安装条件、防灾、牵变所选址意见书、牵引站站址位置确定、牵变所验收、牵变所外部电源通电、新建动车运用所具备Ⅱ级检修能力、静态验收完成具备联调联试条件、具备开通条件等。

表3 钻爆法施工进度指标

表4 川藏隧道施工进度指标(钻爆法)

图4 川藏铁路工程管理平台总体架构

4.“施组斜率图”法

利用信息化手段和大数据分析技术,实时对施组斜率图中的隧道工程、特殊结构桥梁工程、制架梁工程、铺轨工程、四电工程等的进展曲线进行对比分析,计算落后施工的天数,调整关键线路,采取工程措施,进行工期目标的调整。

5.“四抓”工作法

“四抓”是指“抓早、抓小、抓细、抓实”。“抓早”就是早发现、早处理影响工程进展和安全质量的隐患,尽快处理;“抓小”就是不能放过任何一个可能制约施组落实的小问题,真正做到防微杜渐;“抓细”就是对重点工程和关键工点的工艺工法进行细致分析,仔细核算现场人、财、机、物、法、环等生产要素配置能否满足施组要求;“抓实”就是要解决日常管理不到位、严不起来、落不下去的问题,耐心细致做好指导、检查和督促工作,确保节点工期可控。

(二)施工组织动态管理措施

1.全面抓实管理责任

参建单位主要领导亲自上手,指导做好施工组织的编制、执行和过程优化。建设管理队伍做到人人了解施组、人人参与施组、人人执行施组,真正形成逐级负责、闭环管理的工作局面,确保项目建设按照目标要求顺利推进。

2.加大监控考核力度

充分利用问题考核通报、信用评价扣分、停标处理等手段,解决现场存在的质量安全隐患和合同履约不力等问题;进一步规范建设单位合同管理行为,落实设计、施工、监理、检测等参建各方责任;加大对参建单位投入的人员、设备、仪器等开展履约检查和考核力度,确保参建单位兑现投标承诺,认真检查承包人“架子队”设立和农民工工资支付保障资金账户的建立情况,维护铁路建设市场秩序;通过加大监控考核力度,消除影响工程组织推进的不利因素,为工程组织创造良好条件。□