铁路隧道机械化配套应用与施工探讨

2021-03-27

建筑机械化 2021年3期

（中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458）

近年来我国铁路隧道建设快速发展，截至2019 年底，中国铁路营运里程达到13.9 万km，投入运营的铁路隧道16 084 座，总长度18 041km，其中2019 年新增开通运营线路铁路隧道967 座，总长1 710km[1]。为了加快施工进度，提高隧道施工质量和安全性，减轻作业人员的劳动强度，满足日益紧张的人力需求，铁路长大隧道机械化配套和施工技术被广泛采用，但是在应用中，如何做到设备合理配置、科学使用，发挥最佳效能；在管理制度、标准规范、预算定额等政策层面上如何做到科学合理、相辅相成，仍然是摆在我们面前的一大课题。

1 工程概况

以某350km/h 高速铁路项目为例，标段正线长约34km，其中隧道约占标段总长度的88%，为单洞双线设计，其余为桥梁和路基。在隧道工程中，Ⅲ级围岩占30%，Ⅳ级围岩占54%，Ⅴ级围岩占16%。标段的控制性工程是一座长约15km的隧道，标段总建设工期为70 个月。

1.1 隧道施工设计理念

隧道施工以“新奥法”原理为基础，以掌子面稳定性控制、洞身围岩稳定性控制、掌子面及洞身支护作用为核心，充分发挥围岩自承能力。利用机械化全断面开挖减小对围岩扰动，通过及时支护、快速封闭，及时约束围岩的变形，减小围岩扰动范围，实现支护结构承担的荷载由松动荷载变为形变荷载。

1.2 隧道施工配套的工艺工法

本工程以隧道施工为关键线路，按照3 种类型组织施工：I 级机械化全断面开挖、II 级机械化大断面开挖和II 级机械化台阶法开挖。隧道机械化施工工法主要采用全断面（带仰拱）工法、大断面（不带仰拱）工法和微台阶工法3 种。3 种工法的适用分析如表1 所示，3 种工法施工现场如图1 所示。

表1 机械化工法适用分析

配套的创新工艺有：超欠挖控制工艺、涨壳式中空注浆锚杆施工工艺、高压劈裂注浆加固工艺、早强喷射砼工艺、桥模一体自行式仰拱栈桥施工工艺、防水板铺挂台车自动铺设工艺及衬砌分层逐窗浇筑工艺。

图1 3种工法施工现场

1.3 I级机械化施工进度

隧道采用I 级机械化施工，根据机械化配套设备性能，单作业面综合平均月进尺133m；其中Ⅲ级围岩平均月进尺141m，Ⅳ级围岩平均月进尺92m，Ⅴ级围岩平均月进尺58m。

1.4 I级机械化设备配置

I 级机械化共分为10 条作业线，设备配置情况如表2 所示。

2 成套机械化施工的影响因素分析

铁路隧道机械化施工可以提高隧道施工的进度和质量，理应得到全面的推广应用，但是近年来出现的新情况和新问题，导致隧道机械化施工进度、功效和效益出现较大偏差，推广应用举步维艰。通过在建项目分析发现，以下影响因素较大制约着机械化施工的进步和应用。

2.1 隧道定额水平与实际相差较大

1）隧道施工作业环境恶劣，风险相对较高，对施工作业的技术工人要求比较高，相应的人工单价也相对较高。但最新调整的2017 年31 号文隧道工日定额也只有82 元/工日，而市场上隧道工费标准平均在200～300 元/工日，台车司钻工和混凝土喷射手等主要大机设备操作手的平均工费在400～600 元/工日，导致工程概预算工费远低于市场成本价。

2）现行机械化配套定额价格水平低，造价标准没能及时补充完善。如对某铁路线隧道机械化配套费用分析显示，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩I 级机械化施工实际成本分别高于现行定额预算价10.3%、5.2%、7.1%。以本项目为例，铁路线隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩I 级机械化施工实际成本分别高于现行定额预算价5.7%、14.5%、19.4% 。

3）铁路隧道工程预算定额自2004 年47 号文实施以来，经过2010 年223 号、2017 年33 号文的两次修订以后，在“机械化换人、自动化减人”理念的支持下，人工消耗量大幅压减，人工费大幅降低，已经脱离市场实际，虽然机械费有所上升，但是人机费合计整体还是下降了约10%。

4）间接费和措施费费率也不断下调，从2004 年以来的47 号文、223 号文和33 号文三版定额水平看，铁路隧道工程间接费和措施费费率整体下降了13.8%，与同时期公路隧道工程间接费和措施费费率相比低约30%，而工地现场实际发生的间接费和措施费日益增长却是显而易见的。

2.2 安全步距制约着凿岩台车效率的发挥

施工中统一的安全步距要求，没有考虑隧道地质的不可预见性，本身就不是十分的科学合理，因此，国家铁路局已经废止了120 号文，但部分建设单位又制定了自己的安全步距，并作为管控重点。凿岩台车是I 级机械化施工中的主要配套设备，其在Ⅱ、Ⅲ级围岩下的开挖能力能够达到每月300m 甚至更高，但受步距影响，实际仅能达到一半的进度。

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2.3 质量验收标准的变化导致成本增加

隧道衬砌厚度不允许有负的施工误差，为了规避“红线”风险，隧道现场施工普遍采用的策略是主动超挖，宁超勿欠。I 级机械化采用凿岩台车开挖，受台车钻臂外插角（2°～5°）[2]、初支端头至掌子面的长度、开挖进尺等因素的影响，形成超挖，同时超挖部分还需要用大量的喷射混凝土和二衬混凝土回填，造成严重的超耗，导致成本增加。近年来数据统计显示，喷射混凝土超耗率在143%～230%，富水区域超耗率在350%～550%。

表2 I级机械化设备配置表

2.4 机械化成套设备投入产出不成比例

机械化施工成套设备投入大，铁路隧道机械费用预算普遍偏低。以本项目为例，I 级机械化施工单作业面成套设备配置原值约4 318 万元，比工程合同内的机械费增加约2 214 万元；II 级机械化施工单作业面成套设备配置原值约1 236 万元，比工程合同内的机械费增加约180 万元；I 级机械化成套设备投入大约是II 级的3.5 倍。与工程合同价格相比，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，I 级机械化配套每延米施工成本分别高出2.6%、11.1%和15.8%。

不同的配套级别，其施工成本也是不一样的，经现场数据对比分析，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，I 级机械化配套每延米施工成本分别高于II 级配套12%、14.7%和12.3%。

另外，I 级机械化配套作业最适应于连续的II、Ⅲ级围岩全断面施工，然而由于隧道地质千差万别，频繁变化的围岩级别导致I 级机械化配套的效率不能充分发挥，造成严重窝工，以本项目为例，项目围岩级别多为Ⅳ、Ⅴ级围岩，设备功效只能发挥到50%～70%之间，与人工开挖进度相差无几，设备投入与产出严重失衡。

2.5 部分工序不配套

目前，隧道施工中的装药工序仍然由人工完成，时间较长，且炸药单耗多，在机械化施工中仍是一个短板，需要研制配套的装药台车和使用新型炸药来解决。

2.6 设备操作维保成本增加

机械化配套施工使用的专用设备多，要求设备操作和维保人员具备较高的技术水平和专业素养，仅仅依靠设备厂家提供的售后技术服务和培训服务是远远不够的，这就要求施工单位对全电脑凿岩台车、湿喷机械手、钻锚注一体台车等作业人员进行长期的、持续的培训，而且由于隧道施工条件差，多种原因造成设备作业人员流动大，作业培训和人员流失无疑将产生较大的费用。

3 对机械化施工的建议

以凿岩台车、混凝土湿喷机械手和自行式仰拱栈桥为主要配套设备的隧道机械化施工的本质是安全高效，比传统的以人工为主的隧道施工方式有着显著优势，同时机械化作业可以有效降低劳动强度，保护劳动者的健康，符合国家对建设高素质产业工人的倡导[3～4]。但在以下方面还需要完善和配套。

3.1 在政策方面

1）规范配套因机械化施工设备配置种类多、占用空间大以及相互间配套不成熟，与现行的设计规范、施工规范以及验收标准等不相适应，各级规范和检查条款一定程度上制约了机械化施工的正常进行，无法实现与工法相适应的快速施工，需探讨与之配套的相关规范规则的适应性问题。

2）定额匹配建筑市场没有针对机械化施工制定相应的定额，要研究制定符合市场和施工实际的机械化施工定额。

3）设计匹配要研究与机械化施工相适应的工法工艺，在设计阶段就充分考虑机械化施工以及机械设备的特点，使设计与地质、与施工工法和工艺相配套，充分发挥机械化施工效益。

4）规模匹配机械化施工设备配置成本明显增加，在市场规划阶段就要进行系统的布局和筹划，最大程度地使工程规模接近机械化配套规模，摊薄成套设备配置成本，最大程度发挥现有设备效益，节约配套投入。

3.2 在设备配套方面

不同工序设备效率的匹配。要研究解决以凿岩台车为核心的“移动式”流水作业线与以衬砌台车为核心的“固定式”流水作业线，在施工效率上的匹配，提高设备配套效率。

部分设备与工法的匹配。要研究解决门架式拱架安装台车在欠挖处理和锁脚锚杆施工工序中作用的发挥，以及对台阶法工况的适应性，减少工序时间；要提升防水板铺挂台车在固定焊接方面自动化作业的能力[5]。

部分工序机械化程度的提高。要研究提高装药工序的机械化程度，研究提高钢筋安装绑扎效率的工装工艺，有效解决装药和钢筋绑扎工序效率低的短板。

3.3 在工人产业化方面

要依靠社会以及专业培训机构实现凿岩台车、湿喷机械手、钻锚注一体台车等设备操作人员的市场化，补齐相关产业链条，降低企业的社会化成本。

3.4 在管理制度方面

机械化施工受地质影响较大，频繁变化的地质和不相适应的地层都是机械化施工的大忌，地质是不可改变的，要推广应用机械化施工，充分发挥机械化施工的效益，提高施工单位的积极性，只有通过改变现有机制和项目组织模式来实现我们的目标，建议在组织模式上采用单价合同结合动态设计，同时，施工单位和项目部在施工管理机制和考核机制方面，也需要进一步完善。