某高原铁路施工工期影响因素及控制措施研究

2022-04-24刘晋南陈华军许龙飞

铁道标准设计 2022年4期

刘晋南,钱昊,陈华军,许龙飞

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

引言

某高原铁路沿线山高谷深，人迹罕至，线路穿越横断山、念青唐古拉山等山脉，跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等河流[1]，具有“显著的地形高差”“强烈的板块活动”“频发的山地灾害”“敏感的生态环境”“恶劣的气候条件”“薄弱的基础设施”六大工程环境特征[2]。

该铁路除兼具西南山区铁路的艰险、西北高原铁路的缺氧、东北平原铁路的高寒外，还具有超长工期、沿线基础设施落后且不易修建等自身难点，合理的建设工期对提高工程质量、控制建设投资有着重要的现实意义，因此，有必要结合某高原铁路建设条件，系统分析某高原铁路工期影响因素，合理调整土建工程工期指标，进一步确定某高原铁路建设工期，并针对提出施工工期风险防范措施合理性的建议。

现有研究中，国内学者从不同角度出发对某高原铁路施工工期影响因素进行了研究。田四明等[3-4]主要从高应力软岩大变形、硬岩岩爆、高地温、活动断裂、富水构造等5种重大不良地质的工程特征和主要危害出发，针对某高原铁路雅安至林芝段特殊地质条件，提出了相应的处置原则和工程对策；郭辉等[5]以某高原铁路大跨度桥梁为工程背景，分析了高原高寒复杂艰险环境下桥梁建设面临的挑战，针对桥梁结构耐久性、抗震设计等提出了相关对策和建议；周路军等[6-7]从某高原铁路隧道TBM适应性角度出发，通过分析不良地质条件下TBM适应性问题，提出相关应对措施，从而提高隧道施工速度；薛翊国等[8]从某高原铁路工程地质条件出发，总结出其主要不良地质条件与工程地质问题并提出相关研究建议。但目前对大型临时工程、生态环境等对施工工期的影响研究较少，且关于各影响因素对施工工期产生的具体影响研究甚少。

1 铁路施工工期影响因素

1.1 复杂地质情况及频发地质灾害对施工工期的影响

该铁路线路“跨七江穿八山、六起六伏”，被公认是“最具挑战的铁路工程”[9]。根据已经掌握的地质勘察资料，沿线面临着诸多不良地质，主要有：多年或季节性冻土、冰雪灾害、危岩落石与崩塌、硬岩岩爆、软岩大变形、瓦斯、断层及构造破碎带、高密卵石层、高地/岩温、高地应力、冰碛层涌水流坍、风积沙、泥石流、坍塌滑坡等，给工程建设带来了很大的不确定性。

(1)板块运动活跃、地震频繁强烈

该铁路所经区域位于欧亚板块与印度洋板块碰撞形成的造山带，是世界上最年轻的山系之一，也是我国目前地震最为活跃的区域，高烈度地震引起的危岩落石、崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害可能对铁路工程的建设和运营安全构成危害，频繁的高烈度地震灾害也增大了满足抗震设计要求的复杂性和施工建设中的难度。

(2)易发生滑坡、泥石流、雪崩等突发性地质灾害

该铁路沿线地形地势具有高海拔、大高差的特点，夏季降水丰沛且集中，雨水流过海洋性冰川区易形成出冰裂缝，冬季易出现暴雪增加冰川积雪厚度。川西高原山区冬季最低气温可降至-15～-20 ℃，冰雪霜冻时间较长，年降雨量在600～900 mm；藏东高原区最低气温可降至-20～-30 ℃，降雨量450～1 127 mm，降雨量的90%集中在每年5月～9月。因特殊的地质条件和区域环境，容易发生突发性崩塌、滑坡、泥石流、危岩落石、洪水、雷爆等地质灾害；受全球气候变暖的宏观影响，川藏沿线在气温回升时候易发生突发性湿雪崩灾害；同时，气温较低、季风较大和连续降雪量大月份的时候，川藏沿线易发生突发性干雪崩等自然灾害。

(3)隧道施工中遭遇的地质灾害风险程度高

隧道工程是某高原铁路建设的重点工程，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。

①准确获取地质信息困难

因隧道埋深大，所处地区人迹罕至，环境恶劣，地勘条件极差，导致准确获取地质信息困难。施工过程中可能造成TBM卡机、姿态失控、塌方、人员及设备损伤等重大工程事故。

②严重软岩大变形和深大断层破碎带的风险

铁路线位途经欧亚板块与印度洋板块碰撞隆升形成的板块缝合带，构造地质作用强烈，深埋长大隧道的高地应力大变形及穿越深大断层破碎带问题突出。软岩大变形引起初支变形，直接抱死刀盘、护盾，造成后配套通过困难；断层破碎带易造成突泥涌水、大塌方，风险高，造成TBM被卡，卡机事故处理难度大，将造成工期极大的延误。

③强烈岩爆的风险

深埋长大隧道的高地应力岩爆问题突出。强烈或极强岩爆可能导致设备报废、人员伤亡等重大工程损失。

④反坡掘进突泥涌水风险

该铁路线路大部分隧道为大坡度单面坡隧道，反坡掘进问题突出；同时穿越深大断裂分布广泛，突泥涌水风险高。大面积淋水会恶化洞内环境，降低作业效率，突泥涌水可能导致施工设备被淹被埋及人员伤亡，风险极高。

⑤高地温与高温水风险

该铁路高地热和高温水风险高，预计有15个隧道可能存在高温热害。高地温与高温水恶化洞内人员作业环境，导致设备过热无法正常工作，贯入度、掘进速度极低，刀具磨耗数量、成本急剧增加，换刀次数和换刀时间严重增加，缩短主轴承的使用寿命，工期、成本大幅度增加。

1.2 桥隧工程对施工工期的影响

(1)桥隧比例高，作为控制性工程的隧道，其顺利贯通对总工期的保障起着至关重要的作用。桥隧总长958.09 km，桥隧比为94.76%，其中，新建桥梁89座，共计119.84 km，占线路长度比例为11.85%；新建隧道72座，共计838.25 km，占线路长度比例为82.91%。

(2)隧道工程施工难点多。超长隧道占比高，全线超过15 km隧道23座，超过20 km隧道16座，超过30 km隧道6座，极大地增加了设计、施工难度。

(3)桥梁工程施工难度大。

桥位多地处沟谷地形，桥位处坡陡谷深，既有运输道路狭窄，转弯半径小，大型施工设备、桥梁构件运输困难，施工难度大；桥梁墩台位于山坡上，地形变化多样，地表构造松散，岩堆及危岩落石等不良地质发育，地质灾害较多，施工道路只能单头掘进，无法多面作业，且土石方开挖量大，防护工程数量大，排水涵洞工程数量较多，施工难度较大、工期较长；桥梁墩台(拱座)处坡体较陡，可利用的作业平台和操作空间极其有限，且施工区域集中在桥两岸边跨侧，另隧道施工还需操作空间，各项工作干扰大，施工效率低。

1.3 高原气候对施工工期的影响

(1)高原气候的主要特点是低气压、低含氧、高寒、大风。一方面，施工人员在高原气候操作时，因含氧量低，劳动强度不能过大，劳动效率大幅降低，直接影响施工工效。按照有关职业作息时间的规定，高原每天工作时间为6 h，正常环境下8 h，按此折算施工工效降低至75%；另一方面，大风天气时间长，装吊作业受其影响较大，超过六级风速时，一般都要禁止作业，有些桥位大风天气占全年的1/3以上，有效作业时间受限制。

(2)内燃机械受环境影响敏感程度高，随着海拔高度的增加，大气压强降低，空气密度减小，空气中的含氧量也在减少，对于自然吸气型内燃机，海拔高度每上升1 000 m，其功率、扭矩下降8%～13%、油耗上升6%～9%、热强度增加2%～5%，当海拔高度上升至3 400 m时其功率降低至65%左右。

(3)海拔高度超过3 000 m的地区，每年11月初至次年3月初气温均较低，极端温度达到-20 ℃。考虑冬季气温很低，对混凝土等工程施工质量影响很大，加上沿线道路遇冰雪天气运输困难、施工效率极低，该地区一般在每年11月1日至次年3月1日为冬休时间，时间达4个月。

1.4 脆弱的生态环境对施工工期的影响

铁路所经地区环境敏感、生态脆弱，途经“青藏高原生态屏障”和“黄土高原-川滇生态屏障”两大国家生态安全屏障，沿线分布有原始森林、高原草甸、高原湿地、干旱河谷等多种敏感生态系统，涉及国家级自然保护区等生态环境敏感区20余处[10]，虽然隧道工程可大幅减少对地面生态环境的干扰和影响，但工程弃渣量超过1亿m3，弃渣场的选址极其困难，环境保护和水土保持任务艰巨。同时因工程位于高原，生态脆弱，环保要求高，临时征地(项目驻地、施工道路及弃渣场等)审批周期较长，可能会影响工期。

1.5 大型临时工程对施工工期的影响

铁路沿线基础设施薄弱，公路交通等级较低，钢材、水泥等建筑材料匮乏，既有道路运输能力不足，建设期间的物流组织非常困难，同时电网覆盖、外部电源薄弱，诸多区域无通信公网覆盖，建设管理及后期保障难度极大。

(1)铁路沿线公路交通以国道G318、G317及省道S215、S217、S501为骨架，仅有少量乡村公路与国省道相连，多数道路无法满足TBM等大型施工机械设备的运输要求，同时大量重、难点控制工程远离既有道路，又缺少设置辅助作业面的条件。

(2)铁路施工供电负荷大，外部电源条件差，通信基础设施缺乏，需补强加密电网覆盖、外部电源、通信基站等才能满足施工要求。

(3)铁路工程区域主要江河分布在低海拔部位，高海拔部位水资源缺乏。工程线路长，线形工程用水点分散，水源点可能距离用水点远、提水扬程高。某高原铁路主要经过高寒低温地区，泵站、水池及管道极易发生冻死或爆裂，需要采取保温和防冻措施。该高原铁路隧道工程占比较大，施工供水比较集中。

(4)该高原铁路地处高寒低温区域，气候寒冷。工程所经过地区多为高山峡谷，经济欠发达、人烟稀少；区域具有地势起伏大，平坦区域少，不良地质较多、地质灾害频发，沿线生态脆弱、环境敏感、环保要求高等特点，适宜项目的砂石料加工厂、拌和站等选址困难。

1.6 施工资源匮乏对施工工期的影响

该铁路所在地区经济发展普遍比较落后，施工区域水泥、钢材、钢梁、索鞍、主缆等主要物资均很匮乏，为满足施工需要均须从内地生产、制作、购置，部分资源存在短期内使用量集中等特点，如水泥；部分资源存在着运输尺寸、质量超标等特点，如钢梁、索鞍、主缆等。所有物资供应均存在着运输距离远、道路状况较差，途中遇堵车、道路改造施工、道路山洪灾害、山体滑坡、冰雪灾害等风险，以上均对施工工期造成不同程度的影响。

2 工期指标确定原则

铁总建设﹝2018﹞94号文《铁路工程施工组织设计规范》[13]中规定：规范工期参考指标已综合考虑了正常的设备检修、工序间的合理间歇等影响因素，使用时不再调整。但上述规范未考虑营业线施工干扰及要点封锁线路施工、风沙、高原、海洋、原始森林等特殊气候和施工条件等因素对人工、机械降效或停工的影响，使用时尚应根据建设项目所处地区实际情况和施工条件另行分析。高风险工程应在制定风险预案的前提下，根据工程实际情况和施工条件，在本规范基础上另行分析确定工期指标。

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1 000 m以上，我国工程机械高原适应性研究定义为2 000 m以上。

该铁路建设环境极端困难，人工和施工机具都存在一定的工效降低。(国铁科法﹝2017﹞30号文[11]、﹝2017﹞31号文[12])《铁路概预算编制办法》中明确了高原地区不同海拔施工定额增加幅度，某高原铁路平均海拔3 800 m，相应工天定额增加22%，施工机具台班定额增加34%。同时，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1 000 m，其功率下降10%。但考虑到高原铁路隧道工程比重大，高海拔线位隧道主要采用电力驱动的大型机械化配套设备施工，施工机械设备功效的降低主要是由操作人员的降效引起，因此施工降效系数按工日降效22%考虑。

按照有关职业作息时间的规定，高原每天工作时间为6 h，正常环境下8 h，按此折算施工工效降低系数为25%。

综合上述分析，并通过调研拉林、成兰等铁路工程现场施工进度，进度指标可考虑在铁总建设﹝2018﹞94号文《铁路工程施工组织设计规范》[13]规定的基础上，按20%～25%进行降效。同时因“高原气候、区域特点、施工资源匮乏、地形地貌”等特殊因素对施工工期的影响以及某高原铁路的地质复杂情况，各种不可预见的地质灾害随时可能发生，造成局部工程反复或者临时道路阻断等，各关键工序指标可适当考虑1.1～1.2的调整系数，以确保全线工期更符合实际。

3 高原铁路隧道工期指标

某高原铁路隧道比重大，通过调研拉林铁路[14]、成兰铁路[15]、玉磨铁路[16]、大瑞铁路高黎贡山隧道[17]，建成的兰渝铁路[18]、西成高铁[19]，黔张常铁路[10]、敦格铁路当金山隧道[20]，收集现场数据作为该高原铁路隧道工程工期指标确定的参照，调研分析后的隧道工程施工进度指标如表1、表2所示。

表1 调研分析后的某高原铁路隧道工程施工进度指标汇总(钻爆法) m

表2 调研分析后的某高原铁路隧道工程施工进度指标汇总(TBM) m

4 高原铁路施工工期

高原铁路控制性工期工程为隧道工程(关键线路隧道工期97个月)，按初步施组安排，综合铺轨、站后、联调联试及运行试验等进度安排(关键线路工期19个月)，全线总工期在不考虑上述不可预见的风险因素情况下约10年(含准备工作、大临工程)。

但由于某高原铁路复杂性及特殊性，存在大量工期风险因素。除上述影响因素外，全线5座重难点隧道拟采用TBM法施工。大规模采用TBM法施工，存在设备被卡、损坏、工效低下等问题，对总工期影响较大。同时，工程所在位置涉及到的征地拆迁、三电迁改、国家电网的布设都是影响工程能否顺利开工的前提条件。

综合考虑上述因素的影响，总工期计算时应适当留有余地，按照施工组织安排，总工期应考虑适度的调整系数，总工期按10～12年控制是较为合理的。

5 施工工期风险的防范措施

(1)针对高原施工工人工作效率降低，应充分保证有效作业时间，降低施工人员的劳动强度；为施工人员提供完善的职业健康保障；尽量使用身体健康的中青年工人。除满足上述条件下，内地作业人员仍不宜长期在高原地区施工，需定期轮换，因此人员对环境和作业内容需要一定的适应期。

(2)针对高原施工机械设备工作效率降低，应适时掌握天气变化情况，合理安排施工工序，尽可能地充分使用机械设备。在条件允许的情况下，选用高原设备。为保证设备和机具正常运转并发挥最大性能，通过空气增压等特殊改造，提高内燃机械设备功效，满足高原、高寒施工需求。

(3)针对隧道工程钻爆法机械化配套，遵循以“分级配置、少人化、保证施工质量和安全必配、减轻劳动强度和有利提高功效、有利平行作业”为配套原则。大型机械化施工控制工期的隧道工区，采用大型机械化配套；长度>2 km的隧道，正洞及辅助坑道洞口海拔在3 000 m以上的工区，采用大型机械化配套。

2.Ⅲ级围岩，强烈岩爆段取低值，一般段及轻微岩爆段取高值，中等岩爆段介于高值与低值之间(施工正洞段90 m/月，平导横洞斜井自身成洞段120 m/月)；

3.Ⅳ级围岩，中等大变形段取低值，一般段及轻微大变形段取高值；

4.V级围岩，一般段、轻微大变形段及中等大变形段取高值，严重大变形段介于高值与低值之间(施工正洞段35 m/月，平导横洞斜井自身成洞段45 m/月)；

5.超前周边注浆段和高水温段，取V级围岩段低值；

6.作业环境温度高于37 ℃的高温段，进度指标按表1对应段落乘以0.85考虑。

(4)针对冬季施工，应合理安排组织施工，对冬季施工影响较大的混凝土工程，尽可能地安排在气温较高时施工，冬季则开展施工准备工作，同时要保证施工道路畅通及物资储备充分。

(5)针对施工期间大批量使用的水泥、钢材等大宗建设物资运输及储备，为保证远距离运输供应，可根据需要设置材料集中存储转运场，将水泥等材料大量提前存储在项目附近区域。对于超尺寸、超重物资的运输，需加强与运管部门沟通，请其协助超尺寸、超重物资的运输安全。对运输道路情况实时掌控，调整运输路线。

(6)针对影响工程建设的施工道路、临时电力工程等大型临时工程，建议应提前实施；针对建设场地有限、大临工程选址困难等问题，应结合设计文件，合理组织现场踏勘及施工安排，充分规划好、使用好作业空间。

(7)针对准确获取地质信息困难，应以洞内超前探测为主，建立不良地质预警系统，长短结合，优势互补，集成应用多种物探、钻探技术系统。钻爆法施工过程中，超前地质预报应采用较为成熟的预报方法，必要时适当采用新技术、新方法。TBM施工过程中，由于施工环境的限制，钻爆法施工中常用的预报方法难以高效开展。结合大瑞铁路高黎贡山隧道TBM掘进段超前预报物探法措施，优先选择TBM搭载式的弹性波反射法、激发极化法等。

(8)针对软岩大变形，应遵循“优化轮廓、主动加固、分级控制、强化支护”的基本原则，遵循“快开挖、快支护、快封闭”的理念。机械化配套技术是实现施工“快”的基础，软岩大变形段应结合环境条件和作业要求配备自动化程度高的施工机械设备，提高施工效率，降低劳动强度，保证施工质量。对采用TBM施作的隧道，合理选择TBM型式，预留TBM扩挖设计，以应对大变形；在主机前部区域设置超前支护加固设备；若加固后仍然无法通过，可考虑人工处理，步进通过。

(9)针对强烈岩爆的风险，应遵循“预警先行、主动控制、多机少人、保证安全”的原则，合理选型，采取加强岩爆超前地质预报预测检测、快速施作锚喷支护，配置足够的超前钻孔和超前支护的设备，用以释放应力加强支护，同时辅以加强光爆效果、喷洒高压水，加强对人员设备和防护等措施进行综合防治。

(10)针对高地温与高温水风险，遵循“加强地质预报，热害分级防控，综合降温配套，合理适配材料，强化劳动保障”的基本原则，加大送风量，配备制冷装置，同时应充分考虑施工机械设备电气、液压系统受高地热的影响。

(11)针对反坡掘进突泥涌水风险，应遵循“超前探水、先探后掘、以堵为主、堵排结合、注浆加固、超前支护”的设计原则，设置配备超前探水设备，反坡施工应考虑足够的排水设备，采用“排水+堵水”相结合的技术方案。