鐵路隧道軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性研究與分析

吳 煒， 覃偉華， 羅福君

(1. 中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司， 北京 100038； 2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

軟弱圍巖大斷面開挖有利于大型機(jī)械設(shè)備的使用，能夠提高隧道施工效率，是隧道軟弱圍巖施工的發(fā)展方向。目前鄭萬(wàn)高鐵湖北段以相關(guān)科研成果為依托，利用大型機(jī)械化開挖設(shè)備和相關(guān)工藝配套措施，實(shí)現(xiàn)了軟弱圍巖大斷面機(jī)械化開挖，在保證施工安全、工程質(zhì)量的前提下，有效提高了施工進(jìn)度。

隧道軟弱圍巖大斷面機(jī)械化開挖不是簡(jiǎn)單利用大型機(jī)械進(jìn)行開挖作業(yè)，而是一整套包括超前加固、開挖、支護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控等全工序的施工工法，需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。李洋等[1]通過(guò)優(yōu)化超前支護(hù)及初期支護(hù)方案提高圍巖自穩(wěn)能力，驗(yàn)證了隧道軟弱圍巖機(jī)械化配套施工技術(shù)的高效性與可靠性。于麗等[2]采用數(shù)值模擬的方法建立了圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了臺(tái)階法和大型機(jī)械化配套全斷面工法施工的圍巖壓力分布特征，并提出了2種工法對(duì)圍巖壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律。王志堅(jiān)[3]基于鄭萬(wàn)高鐵湖北段地質(zhì)條件，提出掌子面穩(wěn)定性綜合分級(jí)方法及穩(wěn)定性控制措施，并對(duì)超前支護(hù)和洞身支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仇文革等[4]依托鄭萬(wàn)高鐵新莊嶺隧道工程，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值計(jì)算、理論分析等手段對(duì)隧道穩(wěn)定性和初期支護(hù)各組成部分的支護(hù)效能進(jìn)行了研究，并基于經(jīng)濟(jì)性提出相應(yīng)的初期支護(hù)優(yōu)化對(duì)策。湯憲高等[5]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)大隧道施工機(jī)械化配套技術(shù)研究及實(shí)際施工情況的調(diào)查與測(cè)定，提出了不同圍巖條件下的施工機(jī)械化配置，并計(jì)算出在合理施工組織條件下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

可以發(fā)現(xiàn)，目前已有研究主要聚焦在隧道軟弱圍巖大斷面開挖工法的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，以及鐵路隧道一般機(jī)械化施工的經(jīng)濟(jì)性研究方面，尚缺乏對(duì)于軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工工法的經(jīng)濟(jì)性研究。本文以優(yōu)化后的鄭萬(wàn)高鐵軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工設(shè)計(jì)圖為基礎(chǔ)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，補(bǔ)充完善現(xiàn)行鐵路造價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工工法對(duì)概算的影響因素，并量化各種因素的影響程度。通過(guò)對(duì)鄭萬(wàn)高鐵隧道軟弱圍巖大斷面機(jī)械化開挖工法的經(jīng)濟(jì)性開展研究，以期為此類工法的推廣及進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

1 軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工工程量對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工，鄭萬(wàn)高鐵隧道在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)上對(duì)開挖、襯砌、支護(hù)等工程量進(jìn)行了優(yōu)化，其中，Ⅳa級(jí)圍巖延米工程量?jī)?yōu)化見表1，Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖延米工程量?jī)?yōu)化見表2。

表1 Ⅳa級(jí)圍巖延米工程量?jī)?yōu)化對(duì)比表

表2 Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖延米工程量?jī)?yōu)化對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)， Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖大斷面機(jī)械化施工設(shè)計(jì)圖較原設(shè)計(jì)圖: 1)開挖量減少； 2)超前加固措施增加，其中，Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖超前支護(hù)由小導(dǎo)管改為管棚； 3)噴射混凝土質(zhì)量要求提高，工程量增加； 4)錨桿和鋼支撐工程量減少； 5)襯砌工程量基本一致，其中，Ⅳa級(jí)圍巖襯砌由鋼筋混凝土改為素混凝土，并增加襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車養(yǎng)護(hù)。

2 大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性對(duì)比方案

2.1 對(duì)比方案設(shè)計(jì)

為體現(xiàn)社會(huì)平均水平，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比以概算為基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)了3套概算編制方案，體現(xiàn)了工程量?jī)?yōu)化和工藝工法變化的影響，具體方案見表3。

表3 大斷面機(jī)械化施工概算編制方案

方案Ⅰ與方案Ⅱ?qū)Ρ瓤梢缘玫焦こ塘績(jī)?yōu)化對(duì)大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性的影響，方案Ⅰ、方案Ⅱ與方案Ⅲ綜合對(duì)比可以得到工藝工法變化對(duì)大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性的影響。

2.2 補(bǔ)充新工藝工法單價(jià)分析

目前鐵路工程現(xiàn)行定額標(biāo)準(zhǔn)是2017年國(guó)家鐵路局發(fā)布的TZJ 2003-2017《鐵路工程預(yù)算定額： 第3冊(cè) 隧道工程》[6]。對(duì)比大斷面機(jī)械化施工工藝，現(xiàn)行定額在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖大斷面開挖、鑿巖臺(tái)車施作小導(dǎo)管和管棚、拱架臺(tái)車安裝拱架、襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車養(yǎng)護(hù)等方面還存在缺失。

為滿足大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性對(duì)比概算編制的需要，本文結(jié)合鄭萬(wàn)高鐵施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，按照現(xiàn)行鐵路工程預(yù)算定額編制方法和原則，補(bǔ)充了相關(guān)單價(jià)分析子目，具體子目及其工料機(jī)費(fèi)用組成見表4。

表4 大斷面機(jī)械化施工工法補(bǔ)充單價(jià)分析

3 大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 工程量?jī)?yōu)化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

通過(guò)對(duì)比方案Ⅰ與方案Ⅱ的延米概算差異，能夠分析出各項(xiàng)工程量?jī)?yōu)化時(shí)自身延米概算價(jià)值的增長(zhǎng)幅度，以及對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響程度，具體對(duì)比見表5-7。

表5 Ⅳa級(jí)圍巖工程量?jī)?yōu)化經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

表6 Ⅳb級(jí)圍巖工程量?jī)?yōu)化經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

表7 Ⅴa級(jí)圍巖工程量?jī)?yōu)化經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于Ⅳa級(jí)圍巖延米概算，影響最大的是襯砌混凝土，由鋼筋混凝土改為素混凝土對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為-8.64%；其次是錨桿，因錨桿類型和數(shù)量的變化對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為-3.99%；綜合分析，Ⅳa級(jí)圍巖因工程量?jī)?yōu)化對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為-9.79%。

對(duì)于Ⅳb級(jí)圍巖延米概算，影響最大的是超前加固，超前支護(hù)由小導(dǎo)管改為管棚，以及增加的噴射混凝土封閉掌子面對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為7.61%；其次是鋼支撐，因取消了臨時(shí)鋼支撐對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為-2.74%；綜合分析，Ⅳb級(jí)圍巖因工程量?jī)?yōu)化對(duì)延米概算指標(biāo)的影響幅度為3.97%。

對(duì)于Ⅴa級(jí)圍巖延米概算，影響最大的是超前加固，超前支護(hù)由小導(dǎo)管改為管棚，以及增加的噴射混凝土封閉掌子面對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為11.03%；其次是鋼支撐，因取消了臨時(shí)鋼支撐對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為-4.07%；綜合分析，Ⅴa級(jí)圍巖因工程量?jī)?yōu)化對(duì)延米概算指標(biāo)的影響幅度為3.17%。

3.2 工藝工法變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

通過(guò)對(duì)比方案Ⅰ與方案Ⅲ的延米概算差異，再扣除方案Ⅱ與方案Ⅰ的差異，就能分析出各項(xiàng)工藝工法變化對(duì)自身延米概算價(jià)值的增長(zhǎng)幅度，以及對(duì)圍巖延米概算指標(biāo)的影響程度，具體對(duì)比見表8-10。

表8 Ⅳa級(jí)圍巖工藝工法變化經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

表9 Ⅳb級(jí)圍巖工藝工法變化經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

表10 Ⅴa級(jí)圍巖工藝工法變化經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析表

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大斷面開挖對(duì)不同圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為-2.36%～-0.73%，鑿巖臺(tái)車施作管棚超前預(yù)加固對(duì)不同圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為2.18%～8.42%，拱架臺(tái)車施作鋼支撐對(duì)不同圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為-0.64%～-0.29%，鑿巖臺(tái)車施作鎖腳小導(dǎo)管對(duì)不同圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為0.46%～0.49%，襯砌養(yǎng)護(hù)臺(tái)車養(yǎng)護(hù)對(duì)不同圍巖延米概算指標(biāo)的影響幅度為0.48%～0.85%。因此，影響大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性的工藝工法主要是大斷面開挖和鑿巖臺(tái)車施作管棚。

3.3 大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性綜合分析

通過(guò)對(duì)3個(gè)概算方案的對(duì)比分析，分別得到了工程量?jī)?yōu)化和工藝工法變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響程度，見表11。大斷面機(jī)械化施工使Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖延米概算指標(biāo)分別增長(zhǎng)了-9.41%、10.81%和6.24%。

表11 大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性綜合分析

經(jīng)綜合分析，影響大斷面機(jī)械化施工概算的主要因素是超前加固，對(duì)于Ⅳa級(jí)圍巖，大斷面機(jī)械化施工超前加固僅增加了封面掌子面的噴射混凝土數(shù)量，以及超前支護(hù)小導(dǎo)管鉆孔改由鑿巖臺(tái)車鉆孔，導(dǎo)致圍巖延米概算指標(biāo)增長(zhǎng)了2.57%。對(duì)于Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖，大斷面機(jī)械化施工加固不僅增加了封面掌子面的噴射混凝土數(shù)量，超前支護(hù)也由小導(dǎo)管改為管棚，且改由鑿巖臺(tái)車鉆孔施作，導(dǎo)致圍巖延米概算指標(biāo)分別增長(zhǎng)了16.03%和14.40%。同時(shí)，由于Ⅳa級(jí)圍巖二次襯砌由鋼筋混凝土改為素混凝土使圍巖延米概算指標(biāo)增長(zhǎng)了-8.64%， 大斷面機(jī)械化施工雖然提高了大部分Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的延米概算指標(biāo)，但其較普通機(jī)械化施工在進(jìn)度上具有一定優(yōu)勢(shì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于普通機(jī)械化施工隧道，Ⅳ級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺約75 m，Ⅴ級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺約45 m；而從鄭萬(wàn)高鐵隧道現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，對(duì)于大斷面機(jī)械化施工隧道，Ⅳ級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺約82 m，Ⅴ級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺約55 m，比普通機(jī)械化施工分別提高了9.33%和22.22%。因此，大斷面機(jī)械化施工具有一定的綜合經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論與建議

1)Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖隧道大斷面機(jī)械化施工較普通機(jī)械化施工延米概算指標(biāo)分別增長(zhǎng)了-9.41%、10.81%和6.24%。其中，工程量?jī)?yōu)化后Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖延米概算指標(biāo)增幅分別為-9.79%、3.97%和3.17%，工藝工法變化后Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa級(jí)圍巖延米概算指標(biāo)增幅分別為0.38%、6.48%和3.07%。

2)根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖大斷面機(jī)械化施工較普通機(jī)械化施工月進(jìn)尺分別提高了9.33%和22.22%，體現(xiàn)出大斷面機(jī)械化施工具有一定的綜合經(jīng)濟(jì)性。

3)影響大斷面機(jī)械化施工經(jīng)濟(jì)性的主要因素是超前加固。通過(guò)加強(qiáng)掌子面圍巖超前監(jiān)控預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整掌子面加固方案，可以進(jìn)一步優(yōu)化大斷面機(jī)械化施工投資，提高經(jīng)濟(jì)性。

4)為更加宏觀、準(zhǔn)確地分析軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工的經(jīng)濟(jì)性，今后應(yīng)進(jìn)一步總結(jié)軟弱圍巖大斷面機(jī)械化施工對(duì)降低安全風(fēng)險(xiǎn)、改善工作作業(yè)環(huán)境、降低整治質(zhì)量缺陷等方面的重要意義，并從全壽命周期的角度對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量分析。

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