單線隧道軟巖臺(tái)階法施工組織模式選擇

趙志強(qiáng)

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

單線隧道軟巖臺(tái)階法施工組織模式選擇

趙志強(qiáng)*

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

鐵路單線隧道斷面小，軟弱圍巖地段一般采用臺(tái)階法施工，由于圍巖軟弱，超前支護(hù)、開(kāi)挖、立栱掛網(wǎng)、噴射砼等工序繁多，勞動(dòng)力組織復(fù)雜，施工中勞動(dòng)力是采用單工序分組還是工序組合分組，從資源配置、工序時(shí)間、效率、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面都有較大差異。因此，組織模式的選擇是項(xiàng)目能否安全、快速、高效施工的關(guān)鍵。以某特長(zhǎng)單線隧道的施工為試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)2種模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)2種模式的資源投入和效率進(jìn)行對(duì)比分析并作出選擇，希望給類似工程施工提供一些參考意見(jiàn)。

軟巖隧道；臺(tái)階法；施工組織模式

1　工程概況

木寨嶺隧道設(shè)計(jì)為雙洞單線分離式特長(zhǎng)隧道，隧道全長(zhǎng)19095m，是蘭渝鐵路全線控制性重點(diǎn)工程。全隧道共設(shè)8座輔助坑道，合同工期65個(gè)月。

本隧道地質(zhì)條件極為復(fù)雜，洞身穿越高山區(qū)，最大埋深約715m。隧道最大地應(yīng)力為27.16MPa，屬高地應(yīng)力隧道。隧道特殊不良地質(zhì)主要有炭質(zhì)板巖及斷層等；基巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，特殊地質(zhì)構(gòu)造主要有11條斷層破碎帶（帶寬均為200～1000m）、3個(gè)背斜及2個(gè)向斜構(gòu)造。為極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)性高，是本標(biāo)段控制性重難點(diǎn)工程。

2　工法的選擇

隧道設(shè)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖為全斷面，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為三臺(tái)階法。

結(jié)合斷面形式和圍巖特性，現(xiàn)場(chǎng)在工法的選擇上，之前在Ⅲ級(jí)圍巖地段采用了二臺(tái)階，但地層變化極為頻繁，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖來(lái)回交錯(cuò)，現(xiàn)場(chǎng)在采用二臺(tái)階、預(yù)留核心土、增加拱部超前小導(dǎo)管，掌子面噴砼等臨時(shí)支護(hù)措施，但因臺(tái)階高度過(guò)高，圍巖自穩(wěn)較差時(shí)常有圍巖坍塌現(xiàn)象，切收斂變形較大，存在安全隱患。在試用一段時(shí)間之后，就沒(méi)再使用。結(jié)合以上現(xiàn)象，為避免圍巖級(jí)別變化頻繁，工法轉(zhuǎn)換造成延時(shí)、誤工，所有的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖地段均采取了三臺(tái)階法進(jìn)行施工，對(duì)因拱部自然剝落、掉塊等引起的安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。為防止拱部掉塊、坍塌，在上臺(tái)階位置結(jié)合地質(zhì)情況，適時(shí)預(yù)留了核心土。

三臺(tái)階施工，為提高施工進(jìn)度，需做好工序銜接，可以創(chuàng)造平行作業(yè)空間，加快初級(jí)支護(hù)封閉時(shí)間，縮短圍巖暴露時(shí)間，避免長(zhǎng)時(shí)間暴露引起的圍巖失穩(wěn)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合本隧道軟弱圍巖的變形特性，在三臺(tái)階的基礎(chǔ)上，縮短拱架封閉成環(huán)時(shí)間，三臺(tái)階施工必須嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，上臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺Ⅴ級(jí)圍巖為1榀鋼架間距，Ⅳ級(jí)圍巖不超過(guò)2榀鋼架間距，邊墻開(kāi)挖進(jìn)尺不超過(guò)2榀鋼架間距，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5m以內(nèi)，同一臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)開(kāi)至少2榀鋼架位置，避免鋼架同時(shí)懸空。

考慮到工人操作方便，挖機(jī)便于扒渣，上臺(tái)階高度設(shè)計(jì)為2.8m，工人可以不用臺(tái)架等輔助設(shè)施進(jìn)行鉆眼施工及拱架安設(shè)；同時(shí)挖機(jī)可以順利將上臺(tái)階部位的渣扒下來(lái)。中臺(tái)階和下臺(tái)階高度均為3.8m。

臺(tái)階分布及臺(tái)階高度關(guān)系如圖1及圖2所示。

3　2種組織模式的資源配置及工藝流程

結(jié)合支護(hù)工作量，前期開(kāi)挖支護(hù)施工采用的是傳統(tǒng)的單工序組織模式［即1個(gè)開(kāi)挖班（12人）+1個(gè)立拱班（12人）+1個(gè)噴漿班（8人）］，后期采取的工序組合模式［即2個(gè)開(kāi)挖立拱班（16人/班）+1個(gè)噴漿班（8人）］。

3.1人員組織

3.1.1單工序組織模式

開(kāi)挖工：上臺(tái)階3人3把風(fēng)鉆；中、下臺(tái)階各4人4把風(fēng)鉆；另外需要配合拉風(fēng)水管等雜工1人；共需12人。

圖1　臺(tái)階高度示意圖

圖2　臺(tái)階縱斷面示意圖

立拱：扒完渣后，上、中臺(tái)階同時(shí)立拱，上臺(tái)階立拱8人，中臺(tái)階立拱4人，上、中臺(tái)階立拱結(jié)束后，下臺(tái)階出渣已基本結(jié)束，上、中臺(tái)階立拱人員進(jìn)行下臺(tái)階立拱，共需12人。

噴砼：配備2臺(tái)噴漿機(jī)的人員，噴射手2人，添加速凝劑2人，上料4人，共需8人。

3.1.2多工序組合模式

開(kāi)挖、立拱：上臺(tái)階4把風(fēng)鉆，需6人；中、下臺(tái)階各3把風(fēng)鉆，各需4人；另外有2名機(jī)動(dòng)人員；扒完渣后，上、中臺(tái)階同時(shí)立拱，上臺(tái)階立拱10人，中臺(tái)階立拱6人，上、中臺(tái)階立拱結(jié)束后，下臺(tái)階渣也已經(jīng)出完，上、中臺(tái)階立拱人員進(jìn)行下臺(tái)階立拱。開(kāi)挖、立拱共需16人。

噴砼：同單工序組織模式，需8人。

3.1.32種模式人員組織優(yōu)、缺點(diǎn)

（1）單工序組織模式。優(yōu)點(diǎn)：人員安排緊湊，沒(méi)有富裕的勞動(dòng)力，工費(fèi)成本降低。

缺點(diǎn)：工序銜接時(shí)間要求高；立拱人員工作強(qiáng)度大，休息時(shí)間不足；人員緊湊，工序作業(yè)時(shí)間增長(zhǎng)。

（2）多工序組合模式。優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)挖、立拱為1個(gè)班，現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)靈活；超前導(dǎo)管、錨桿施工時(shí)間減短；立拱等體力活，人員隨時(shí)可以機(jī)動(dòng)調(diào)節(jié)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；2個(gè)開(kāi)挖班循環(huán)作業(yè)，工人的休息時(shí)間得到了保障；開(kāi)挖、立拱為1個(gè)班，工序銜接時(shí)間可控。

缺點(diǎn)：人員增加，工費(fèi)成本增加。

3.2機(jī)械組織

2種組織模式在機(jī)械組織上均一致?？紤]到裝載機(jī)裝渣速度，隧道每延米開(kāi)挖方量為106.9m3，考慮1.35倍的松散系數(shù)和部分超挖，每延米松渣約150m3，裝載機(jī)的斗容量為3m3，結(jié)合斷面尺寸，能同時(shí)擺放1臺(tái)裝載機(jī)和1輛自卸汽車，每個(gè)作業(yè)面配置1臺(tái)裝載機(jī)。

結(jié)合斷面尺寸，挖掘機(jī)必須在掌子面掉頭；對(duì)于掌子面部分地段的欠挖，可以利用挖機(jī)進(jìn)行處理；因步距要求，有時(shí)需要用挖機(jī)進(jìn)行裝渣作業(yè)。綜合考慮，每個(gè)作業(yè)面配置1臺(tái)PC200挖機(jī)。

考慮出渣運(yùn)距約6km，運(yùn)輸距離過(guò)長(zhǎng)，每個(gè)作業(yè)面配置7輛15t自卸汽車。

3.3施工工藝流程

Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，均采用三臺(tái)階施工法，區(qū)別在于每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺，Ⅳ級(jí)圍巖循環(huán)進(jìn)尺為1.4～1.6m，Ⅴ級(jí)圍巖循環(huán)進(jìn)尺為0.5～0.7m，采取的組織模式不同，但工序流程一致。工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3　三臺(tái)階施工工藝流程圖

4　兩種組織模式的工效對(duì)比

（1）單工序組織模式，開(kāi)挖進(jìn)尺按1榀鋼架計(jì)算（Ⅴ級(jí)圍巖）。

①人員組成：開(kāi)挖班12人、立拱班12人、噴砼班8人。

②工序循環(huán)時(shí)間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺(tái)階打眼、放炮（2.5h）→上、中臺(tái)階扒渣1.5h→上、中臺(tái)階立拱打鎖腳、超前（下部同時(shí)出渣）（4h）→下臺(tái)階立拱、打鎖腳（2.5h）→噴漿4.5h→下一循環(huán)，一循環(huán)用時(shí)為16h。每月扣除2d耽誤時(shí)間，一月按28d計(jì)，拱架間距按0.7m，月進(jìn)度約29.4m。

（2）單工序組織模式，開(kāi)挖進(jìn)尺按2榀鋼架計(jì)算（Ⅳ級(jí)圍巖）。

工序循環(huán)時(shí)間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺(tái)階打眼、放炮（4h）→上、中臺(tái)階扒渣2h→上、中臺(tái)階立拱打鎖腳、超前（下部同時(shí)出渣）（4.5h）→下臺(tái)階立拱、打鎖腳（2.5h）→噴漿5h→下一循環(huán)，一循環(huán)用時(shí)為19h。每月扣除2d耽誤時(shí)間，一月按28d計(jì)，拱架間距按0.7m，月進(jìn)度約49.5m。

（3）多工序組合模式，開(kāi)挖進(jìn)尺按1榀鋼架計(jì)算（Ⅴ級(jí)圍巖）。

①人員組成：2個(gè)開(kāi)挖立拱班，16人/班、噴混凝土班8人。

②工序循環(huán)時(shí)間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺(tái)階打眼、放炮（2h）→上、中臺(tái)階扒渣1h→上、中臺(tái)階立拱打鎖腳、超前（下部同時(shí)出渣2.5h）（2.5h）→下臺(tái)階立拱、打鎖腳（1h）→噴漿3.5h→下一循環(huán)，一循環(huán)用時(shí)為11h。每月扣除2d耽誤時(shí)間，一月按28d計(jì)，拱架間距按0.7m，月進(jìn)度約42.7m。

（4）多工序模式，開(kāi)挖進(jìn)尺為2榀鋼架計(jì)算（Ⅳ級(jí)圍巖）。

工序循環(huán)時(shí)間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺(tái)階打眼、放炮（2.5h）→上、中臺(tái)階扒渣1.5h→上、中臺(tái)階立拱打鎖腳、超前（下部同時(shí)出渣4h）（3.5h）→下臺(tái)階立拱、打鎖腳（1.5h）→噴漿4.5h→下一循環(huán)，一循環(huán)用時(shí)為15h。每月扣除2d耽誤時(shí)間，按28d計(jì)，拱架間距按0.7m，月進(jìn)度約62.7m。

（5）工效對(duì)比分析：

①單工序組織模式進(jìn)度。開(kāi)挖進(jìn)尺為1榀鋼架，單循環(huán)時(shí)間為16h，月進(jìn)度為29.4m；開(kāi)挖進(jìn)尺為2榀鋼架，單循環(huán)時(shí)間為19h，月進(jìn)度為49.5m。

②多工序組合模式進(jìn)度。開(kāi)挖進(jìn)尺為1榀鋼架，單循環(huán)時(shí)間為11h，月進(jìn)度為42.7m；開(kāi)挖進(jìn)尺為2榀鋼架，單循環(huán)時(shí)間為15h，月進(jìn)度為62.7m。

綜上對(duì)比得出，多工序組合模式明顯優(yōu)于單工序組織模式，單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺同為0.7m，每月要多施工13.3m，工效提升45.2%。單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺同為1.4m，每月要多施工13.2m，工效提升26.7%。并滿足了施組要求進(jìn)度要求。

5　2種組織模式的人工費(fèi)比較

（1）單工序組織模式工費(fèi)：需要開(kāi)挖班12人、立拱班12人、噴混凝土班8人。折合工費(fèi)為16.8萬(wàn)元/月。

（2）單工序組織模式工費(fèi)占產(chǎn)值比例：?jiǎn)窝h(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺同為0.7m，月人工費(fèi)為16.8萬(wàn)元，完成產(chǎn)值208.7萬(wàn)元，人工費(fèi)占產(chǎn)值的8.05%；單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺同為1.4m，月人工費(fèi)為16.8萬(wàn)元，完成產(chǎn)值351.4萬(wàn)元，人工費(fèi)占產(chǎn)值的4.78%。

（3）多工序組合模式每月工費(fèi)：需要開(kāi)挖班32人、噴混凝土班8人。折合工費(fèi)為=22.8萬(wàn)元/月。

（4）多工序組合模式工費(fèi)占產(chǎn)值比例：?jiǎn)窝h(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺同為0.7m，月人工費(fèi)為22.8萬(wàn)元，完成產(chǎn)值303.1萬(wàn)元，人工費(fèi)占產(chǎn)值的7.52%；單循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺同為1.4m，月人工費(fèi)為22.8萬(wàn)元，完成產(chǎn)值445.1萬(wàn)元，人工費(fèi)占產(chǎn)值的5.12%。

從上面數(shù)據(jù)可以看出，多工序組合模式比單工序組織模式在單循環(huán)進(jìn)尺為0.7m時(shí)，人工費(fèi)比例降低0.53%，在單循環(huán)進(jìn)尺為1.4m時(shí)，人工費(fèi)比例上漲0.34%。

但考慮到施工進(jìn)度提升了26.7%～45.2%、機(jī)械設(shè)備的費(fèi)用攤銷比例也隨之降低，多工序組合模式比單工序組織模式在綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面提升明顯，人工費(fèi)綜合所占比例下降，綜合效率明顯提升。

6　結(jié)束語(yǔ)

本工程經(jīng)過(guò)2種組織模式的對(duì)比，選擇采用多工序組合模式施工，不僅實(shí)現(xiàn)了進(jìn)度滿足施組的進(jìn)度指標(biāo)要求，切由于進(jìn)度比單工序組織模式提高了26.7%～45.2%，人工和機(jī)械攤銷等固定成本所占產(chǎn)值綜合比例也明顯下降。綜合效益明顯提升。工序時(shí)間明顯縮短，支護(hù)及時(shí)，減少了圍巖暴露的時(shí)間，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了施工安全。

［1］黃嘉億.高速鐵路隧道臺(tái)階法施工技術(shù)參數(shù)分析與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49（3）：77-82.

［2］嚴(yán)啟斌，許長(zhǎng)青.隧道短臺(tái)階法施工方案研究［J］.山西建筑，2009（17）：314-315.

［3］TZ204-2008鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］.中國(guó)鐵道出版社，2008.

U45

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1004-5716（2016）10-0179-03

2015-10-30

2015-11-02

趙志強(qiáng)（1969-），男（漢族），河南商水人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道工程建設(shè)技術(shù)工作。