铁路隧道软弱围岩大断面机械化施工经济性研究与分析

吴 炜， 覃伟华， 罗福君

(1. 中国铁路经济规划研究院有限公司， 北京 100038； 2. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

软弱围岩大断面开挖有利于大型机械设备的使用，能够提高隧道施工效率，是隧道软弱围岩施工的发展方向。目前郑万高铁湖北段以相关科研成果为依托，利用大型机械化开挖设备和相关工艺配套措施，实现了软弱围岩大断面机械化开挖，在保证施工安全、工程质量的前提下，有效提高了施工进度。

隧道软弱围岩大断面机械化开挖不是简单利用大型机械进行开挖作业，而是一整套包括超前加固、开挖、支护、实时监控等全工序的施工工法，需要根据项目实际情况优化设计参数。李洋等[1]通过优化超前支护及初期支护方案提高围岩自稳能力，验证了隧道软弱围岩机械化配套施工技术的高效性与可靠性。于丽等[2]采用数值模拟的方法建立了围岩-支护结构有限元模型，分析了台阶法和大型机械化配套全断面工法施工的围岩压力分布特征，并提出了2种工法对围岩压力和结构内力的影响规律。王志坚[3]基于郑万高铁湖北段地质条件，提出掌子面稳定性综合分级方法及稳定性控制措施，并对超前支护和洞身支护参数进行了优化。仇文革等[4]依托郑万高铁新庄岭隧道工程，采用现场实测、数值计算、理论分析等手段对隧道稳定性和初期支护各组成部分的支护效能进行了研究，并基于经济性提出相应的初期支护优化对策。汤宪高等[5]通过对长大隧道施工机械化配套技术研究及实际施工情况的调查与测定，提出了不同围岩条件下的施工机械化配置，并计算出在合理施工组织条件下的经济指标。

可以发现，目前已有研究主要聚焦在隧道软弱围岩大断面开挖工法的支护参数优化，以及铁路隧道一般机械化施工的经济性研究方面，尚缺乏对于软弱围岩大断面机械化施工工法的经济性研究。本文以优化后的郑万高铁软弱围岩大断面机械化施工设计图为基础，根据施工现场测定数据，补充完善现行铁路造价标准，分析软弱围岩大断面机械化施工工法对概算的影响因素，并量化各种因素的影响程度。通过对郑万高铁隧道软弱围岩大断面机械化开挖工法的经济性开展研究，以期为此类工法的推广及进一步优化提供参考。

1 软弱围岩大断面机械化施工工程量对比

为实现软弱围岩大断面机械化施工，郑万高铁隧道在Ⅳ、Ⅴ级围岩设计上对开挖、衬砌、支护等工程量进行了优化，其中，Ⅳa级围岩延米工程量优化见表1，Ⅳb、Ⅴa级围岩延米工程量优化见表2。

表1 Ⅳa级围岩延米工程量优化对比表

表2 Ⅳb、Ⅴa级围岩延米工程量优化对比表

通过对比可以发现， Ⅳ、Ⅴ级围岩大断面机械化施工设计图较原设计图: 1)开挖量减少； 2)超前加固措施增加，其中，Ⅳb、Ⅴa级围岩超前支护由小导管改为管棚； 3)喷射混凝土质量要求提高，工程量增加； 4)锚杆和钢支撑工程量减少； 5)衬砌工程量基本一致，其中，Ⅳa级围岩衬砌由钢筋混凝土改为素混凝土，并增加衬砌养护台车养护。

2 大断面机械化施工经济性对比方案

2.1 对比方案设计

为体现社会平均水平，经济性对比以概算为基础。本文设计了3套概算编制方案，体现了工程量优化和工艺工法变化的影响，具体方案见表3。

表3 大断面机械化施工概算编制方案

方案Ⅰ与方案Ⅱ对比可以得到工程量优化对大断面机械化施工经济性的影响，方案Ⅰ、方案Ⅱ与方案Ⅲ综合对比可以得到工艺工法变化对大断面机械化施工经济性的影响。

2.2 补充新工艺工法单价分析

目前铁路工程现行定额标准是2017年国家铁路局发布的TZJ 2003-2017《铁路工程预算定额： 第3册 隧道工程》[6]。对比大断面机械化施工工艺，现行定额在Ⅳ、Ⅴ级围岩大断面开挖、凿岩台车施作小导管和管棚、拱架台车安装拱架、衬砌养护台车养护等方面还存在缺失。

为满足大断面机械化施工经济性对比概算编制的需要，本文结合郑万高铁施工现场测定，按照现行铁路工程预算定额编制方法和原则，补充了相关单价分析子目，具体子目及其工料机费用组成见表4。

表4 大断面机械化施工工法补充单价分析

3 大断面机械化施工经济性分析

3.1 工程量优化对经济性的影响

通过对比方案Ⅰ与方案Ⅱ的延米概算差异，能够分析出各项工程量优化时自身延米概算价值的增长幅度，以及对围岩延米概算指标的影响程度，具体对比见表5-7。

表5 Ⅳa级围岩工程量优化经济性对比分析

表6 Ⅳb级围岩工程量优化经济性对比分析

表7 Ⅴa级围岩工程量优化经济性对比分析

对比发现，对于Ⅳa级围岩延米概算，影响最大的是衬砌混凝土，由钢筋混凝土改为素混凝土对围岩延米概算指标的影响幅度为-8.64%；其次是锚杆，因锚杆类型和数量的变化对围岩延米概算指标的影响幅度为-3.99%；综合分析，Ⅳa级围岩因工程量优化对围岩延米概算指标的影响幅度为-9.79%。

对于Ⅳb级围岩延米概算，影响最大的是超前加固，超前支护由小导管改为管棚，以及增加的喷射混凝土封闭掌子面对围岩延米概算指标的影响幅度为7.61%；其次是钢支撑，因取消了临时钢支撑对围岩延米概算指标的影响幅度为-2.74%；综合分析，Ⅳb级围岩因工程量优化对延米概算指标的影响幅度为3.97%。

对于Ⅴa级围岩延米概算，影响最大的是超前加固，超前支护由小导管改为管棚，以及增加的喷射混凝土封闭掌子面对围岩延米概算指标的影响幅度为11.03%；其次是钢支撑，因取消了临时钢支撑对围岩延米概算指标的影响幅度为-4.07%；综合分析，Ⅴa级围岩因工程量优化对延米概算指标的影响幅度为3.17%。

3.2 工艺工法变化对经济性的影响

通过对比方案Ⅰ与方案Ⅲ的延米概算差异，再扣除方案Ⅱ与方案Ⅰ的差异，就能分析出各项工艺工法变化对自身延米概算价值的增长幅度，以及对围岩延米概算指标的影响程度，具体对比见表8-10。

表8 Ⅳa级围岩工艺工法变化经济性对比分析

表9 Ⅳb级围岩工艺工法变化经济性对比分析

表10 Ⅴa级围岩工艺工法变化经济性对比分析表

对比发现，大断面开挖对不同围岩延米概算指标的影响幅度为-2.36%～-0.73%，凿岩台车施作管棚超前预加固对不同围岩延米概算指标的影响幅度为2.18%～8.42%，拱架台车施作钢支撑对不同围岩延米概算指标的影响幅度为-0.64%～-0.29%，凿岩台车施作锁脚小导管对不同围岩延米概算指标的影响幅度为0.46%～0.49%，衬砌养护台车养护对不同围岩延米概算指标的影响幅度为0.48%～0.85%。因此，影响大断面机械化施工经济性的工艺工法主要是大断面开挖和凿岩台车施作管棚。

3.3 大断面机械化施工经济性综合分析

通过对3个概算方案的对比分析，分别得到了工程量优化和工艺工法变化对经济性的影响程度，见表11。大断面机械化施工使Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa级围岩延米概算指标分别增长了-9.41%、10.81%和6.24%。

表11 大断面机械化施工经济性综合分析

经综合分析，影响大断面机械化施工概算的主要因素是超前加固，对于Ⅳa级围岩，大断面机械化施工超前加固仅增加了封面掌子面的喷射混凝土数量，以及超前支护小导管钻孔改由凿岩台车钻孔，导致围岩延米概算指标增长了2.57%。对于Ⅳb、Ⅴa级围岩，大断面机械化施工加固不仅增加了封面掌子面的喷射混凝土数量，超前支护也由小导管改为管棚，且改由凿岩台车钻孔施作，导致围岩延米概算指标分别增长了16.03%和14.40%。同时，由于Ⅳa级围岩二次衬砌由钢筋混凝土改为素混凝土使围岩延米概算指标增长了-8.64%， 大断面机械化施工虽然提高了大部分Ⅳ、Ⅴ级围岩的延米概算指标，但其较普通机械化施工在进度上具有一定优势。根据统计分析，对于普通机械化施工隧道，Ⅳ级围岩平均月进尺约75 m，Ⅴ级围岩平均月进尺约45 m；而从郑万高铁隧道现场统计数据看，对于大断面机械化施工隧道，Ⅳ级围岩平均月进尺约82 m，Ⅴ级围岩平均月进尺约55 m，比普通机械化施工分别提高了9.33%和22.22%。因此，大断面机械化施工具有一定的综合经济性。

4 结论与建议

1)Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa级围岩隧道大断面机械化施工较普通机械化施工延米概算指标分别增长了-9.41%、10.81%和6.24%。其中，工程量优化后Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa级围岩延米概算指标增幅分别为-9.79%、3.97%和3.17%，工艺工法变化后Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa级围岩延米概算指标增幅分别为0.38%、6.48%和3.07%。

2)根据统计分析，Ⅳ、Ⅴ级围岩大断面机械化施工较普通机械化施工月进尺分别提高了9.33%和22.22%，体现出大断面机械化施工具有一定的综合经济性。

3)影响大断面机械化施工经济性的主要因素是超前加固。通过加强掌子面围岩超前监控预测，实时调整掌子面加固方案，可以进一步优化大断面机械化施工投资，提高经济性。

4)为更加宏观、准确地分析软弱围岩大断面机械化施工的经济性，今后应进一步总结软弱围岩大断面机械化施工对降低安全风险、改善工作作业环境、降低整治质量缺陷等方面的重要意义，并从全寿命周期的角度对其经济性进行定量分析。

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[6] 铁路工程预算定额: 第3册 隧道工程: TZJ 2003-2017[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2017.

Budget quota of railway engineering: Book No. 3 tunneling engineering: TZJ 2003-2017[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2017.