鐵路隧道機(jī)械化配套應(yīng)用與施工探討

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

近年來(lái)我國(guó)鐵路隧道建設(shè)快速發(fā)展，截至2019 年底，中國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程達(dá)到13.9 萬(wàn)km，投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道16 084 座，總長(zhǎng)度18 041km，其中2019 年新增開(kāi)通運(yùn)營(yíng)線路鐵路隧道967 座，總長(zhǎng)1 710km[1]。為了加快施工進(jìn)度，提高隧道施工質(zhì)量和安全性，減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足日益緊張的人力需求，鐵路長(zhǎng)大隧道機(jī)械化配套和施工技術(shù)被廣泛采用，但是在應(yīng)用中，如何做到設(shè)備合理配置、科學(xué)使用，發(fā)揮最佳效能；在管理制度、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、預(yù)算定額等政策層面上如何做到科學(xué)合理、相輔相成，仍然是擺在我們面前的一大課題。

1 工程概況

以某350km/h 高速鐵路項(xiàng)目為例，標(biāo)段正線長(zhǎng)約34km，其中隧道約占標(biāo)段總長(zhǎng)度的88%，為單洞雙線設(shè)計(jì)，其余為橋梁和路基。在隧道工程中，Ⅲ級(jí)圍巖占30%，Ⅳ級(jí)圍巖占54%，Ⅴ級(jí)圍巖占16%。標(biāo)段的控制性工程是一座長(zhǎng)約15km的隧道，標(biāo)段總建設(shè)工期為70 個(gè)月。

1.1 隧道施工設(shè)計(jì)理念

隧道施工以“新奧法”原理為基礎(chǔ)，以掌子面穩(wěn)定性控制、洞身圍巖穩(wěn)定性控制、掌子面及洞身支護(hù)作用為核心，充分發(fā)揮圍巖自承能力。利用機(jī)械化全斷面開(kāi)挖減小對(duì)圍巖擾動(dòng)，通過(guò)及時(shí)支護(hù)、快速封閉，及時(shí)約束圍巖的變形，減小圍巖擾動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載由松動(dòng)荷載變?yōu)樾巫兒奢d。

1.2 隧道施工配套的工藝工法

本工程以隧道施工為關(guān)鍵線路，按照3 種類型組織施工：I 級(jí)機(jī)械化全斷面開(kāi)挖、II 級(jí)機(jī)械化大斷面開(kāi)挖和II 級(jí)機(jī)械化臺(tái)階法開(kāi)挖。隧道機(jī)械化施工工法主要采用全斷面（帶仰拱）工法、大斷面（不帶仰拱）工法和微臺(tái)階工法3 種。3 種工法的適用分析如表1 所示，3 種工法施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

表1 機(jī)械化工法適用分析

配套的創(chuàng)新工藝有：超欠挖控制工藝、漲殼式中空注漿錨桿施工工藝、高壓劈裂注漿加固工藝、早強(qiáng)噴射砼工藝、橋模一體自行式仰拱棧橋施工工藝、防水板鋪掛臺(tái)車自動(dòng)鋪設(shè)工藝及襯砌分層逐窗澆筑工藝。

圖1 3種工法施工現(xiàn)場(chǎng)

1.3 I級(jí)機(jī)械化施工進(jìn)度

隧道采用I 級(jí)機(jī)械化施工，根據(jù)機(jī)械化配套設(shè)備性能，單作業(yè)面綜合平均月進(jìn)尺133m；其中Ⅲ級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺141m，Ⅳ級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺92m，Ⅴ級(jí)圍巖平均月進(jìn)尺58m。

1.4 I級(jí)機(jī)械化設(shè)備配置

I 級(jí)機(jī)械化共分為10 條作業(yè)線，設(shè)備配置情況如表2 所示。

2 成套機(jī)械化施工的影響因素分析

鐵路隧道機(jī)械化施工可以提高隧道施工的進(jìn)度和質(zhì)量，理應(yīng)得到全面的推廣應(yīng)用，但是近年來(lái)出現(xiàn)的新情況和新問(wèn)題，導(dǎo)致隧道機(jī)械化施工進(jìn)度、功效和效益出現(xiàn)較大偏差，推廣應(yīng)用舉步維艱。通過(guò)在建項(xiàng)目分析發(fā)現(xiàn)，以下影響因素較大制約著機(jī)械化施工的進(jìn)步和應(yīng)用。

2.1 隧道定額水平與實(shí)際相差較大

1）隧道施工作業(yè)環(huán)境惡劣，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，對(duì)施工作業(yè)的技術(shù)工人要求比較高，相應(yīng)的人工單價(jià)也相對(duì)較高。但最新調(diào)整的2017 年31 號(hào)文隧道工日定額也只有82 元/工日，而市場(chǎng)上隧道工費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)平均在200～300 元/工日，臺(tái)車司鉆工和混凝土噴射手等主要大機(jī)設(shè)備操作手的平均工費(fèi)在400～600 元/工日，導(dǎo)致工程概預(yù)算工費(fèi)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)成本價(jià)。

2）現(xiàn)行機(jī)械化配套定額價(jià)格水平低，造價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)能及時(shí)補(bǔ)充完善。如對(duì)某鐵路線隧道機(jī)械化配套費(fèi)用分析顯示，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖I 級(jí)機(jī)械化施工實(shí)際成本分別高于現(xiàn)行定額預(yù)算價(jià)10.3%、5.2%、7.1%。以本項(xiàng)目為例，鐵路線隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖I 級(jí)機(jī)械化施工實(shí)際成本分別高于現(xiàn)行定額預(yù)算價(jià)5.7%、14.5%、19.4% 。

3）鐵路隧道工程預(yù)算定額自2004 年47 號(hào)文實(shí)施以來(lái)，經(jīng)過(guò)2010 年223 號(hào)、2017 年33 號(hào)文的兩次修訂以后，在“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”理念的支持下，人工消耗量大幅壓減，人工費(fèi)大幅降低，已經(jīng)脫離市場(chǎng)實(shí)際，雖然機(jī)械費(fèi)有所上升，但是人機(jī)費(fèi)合計(jì)整體還是下降了約10%。

4）間接費(fèi)和措施費(fèi)費(fèi)率也不斷下調(diào)，從2004 年以來(lái)的47 號(hào)文、223 號(hào)文和33 號(hào)文三版定額水平看，鐵路隧道工程間接費(fèi)和措施費(fèi)費(fèi)率整體下降了13.8%，與同時(shí)期公路隧道工程間接費(fèi)和措施費(fèi)費(fèi)率相比低約30%，而工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的間接費(fèi)和措施費(fèi)日益增長(zhǎng)卻是顯而易見(jiàn)的。

2.2 安全步距制約著鑿巖臺(tái)車效率的發(fā)揮

施工中統(tǒng)一的安全步距要求，沒(méi)有考慮隧道地質(zhì)的不可預(yù)見(jiàn)性，本身就不是十分的科學(xué)合理，因此，國(guó)家鐵路局已經(jīng)廢止了120 號(hào)文，但部分建設(shè)單位又制定了自己的安全步距，并作為管控重點(diǎn)。鑿巖臺(tái)車是I 級(jí)機(jī)械化施工中的主要配套設(shè)備，其在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖下的開(kāi)挖能力能夠達(dá)到每月300m 甚至更高，但受步距影響，實(shí)際僅能達(dá)到一半的進(jìn)度。

大數(shù)據(jù)分析一方面可以改變現(xiàn)有的教學(xué)模式、教學(xué)策略，提高教學(xué)質(zhì)量，解決教育面臨的挑戰(zhàn)。另一方面可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析指導(dǎo)提高其學(xué)習(xí)成績(jī)，最重要的是能夠掌握學(xué)生日常生活情況，幫助學(xué)生有一個(gè)積極健康的生活態(tài)度?？傊髷?shù)據(jù)下的高校教育可以幫助教師分析學(xué)情，幫助學(xué)生提高技能，最重要的是使學(xué)生有一個(gè)積極，健康的良好心態(tài)，以減少學(xué)生輟學(xué)率，增加畢業(yè)生數(shù)量。大數(shù)據(jù)下的高校教育面臨著許多挑戰(zhàn)，如大數(shù)據(jù)的集成與分析，大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，大數(shù)據(jù)的融合與使用等。

2.3 質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的變化導(dǎo)致成本增加

隧道襯砌厚度不允許有負(fù)的施工誤差，為了規(guī)避“紅線”風(fēng)險(xiǎn)，隧道現(xiàn)場(chǎng)施工普遍采用的策略是主動(dòng)超挖，寧超勿欠。I 級(jí)機(jī)械化采用鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖，受臺(tái)車鉆臂外插角（2°～5°）[2]、初支端頭至掌子面的長(zhǎng)度、開(kāi)挖進(jìn)尺等因素的影響，形成超挖，同時(shí)超挖部分還需要用大量的噴射混凝土和二襯混凝土回填，造成嚴(yán)重的超耗，導(dǎo)致成本增加。近年來(lái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，噴射混凝土超耗率在143%～230%，富水區(qū)域超耗率在350%～550%。

表2 I級(jí)機(jī)械化設(shè)備配置表

2.4 機(jī)械化成套設(shè)備投入產(chǎn)出不成比例

機(jī)械化施工成套設(shè)備投入大，鐵路隧道機(jī)械費(fèi)用預(yù)算普遍偏低。以本項(xiàng)目為例，I 級(jí)機(jī)械化施工單作業(yè)面成套設(shè)備配置原值約4 318 萬(wàn)元，比工程合同內(nèi)的機(jī)械費(fèi)增加約2 214 萬(wàn)元；II 級(jí)機(jī)械化施工單作業(yè)面成套設(shè)備配置原值約1 236 萬(wàn)元，比工程合同內(nèi)的機(jī)械費(fèi)增加約180 萬(wàn)元；I 級(jí)機(jī)械化成套設(shè)備投入大約是II 級(jí)的3.5 倍。與工程合同價(jià)格相比，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，I 級(jí)機(jī)械化配套每延米施工成本分別高出2.6%、11.1%和15.8%。

不同的配套級(jí)別，其施工成本也是不一樣的，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，I 級(jí)機(jī)械化配套每延米施工成本分別高于II 級(jí)配套12%、14.7%和12.3%。

另外，I 級(jí)機(jī)械化配套作業(yè)最適應(yīng)于連續(xù)的II、Ⅲ級(jí)圍巖全斷面施工，然而由于隧道地質(zhì)千差萬(wàn)別，頻繁變化的圍巖級(jí)別導(dǎo)致I 級(jí)機(jī)械化配套的效率不能充分發(fā)揮，造成嚴(yán)重窩工，以本項(xiàng)目為例，項(xiàng)目圍巖級(jí)別多為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，設(shè)備功效只能發(fā)揮到50%～70%之間，與人工開(kāi)挖進(jìn)度相差無(wú)幾，設(shè)備投入與產(chǎn)出嚴(yán)重失衡。

2.5 部分工序不配套

目前，隧道施工中的裝藥工序仍然由人工完成，時(shí)間較長(zhǎng)，且炸藥單耗多，在機(jī)械化施工中仍是一個(gè)短板，需要研制配套的裝藥臺(tái)車和使用新型炸藥來(lái)解決。

2.6 設(shè)備操作維保成本增加

機(jī)械化配套施工使用的專用設(shè)備多，要求設(shè)備操作和維保人員具備較高的技術(shù)水平和專業(yè)素養(yǎng)，僅僅依靠設(shè)備廠家提供的售后技術(shù)服務(wù)和培訓(xùn)服務(wù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就要求施工單位對(duì)全電腦鑿巖臺(tái)車、濕噴機(jī)械手、鉆錨注一體臺(tái)車等作業(yè)人員進(jìn)行長(zhǎng)期的、持續(xù)的培訓(xùn)，而且由于隧道施工條件差，多種原因造成設(shè)備作業(yè)人員流動(dòng)大，作業(yè)培訓(xùn)和人員流失無(wú)疑將產(chǎn)生較大的費(fèi)用。

3 對(duì)機(jī)械化施工的建議

以鑿巖臺(tái)車、混凝土濕噴機(jī)械手和自行式仰拱棧橋?yàn)橹饕涮自O(shè)備的隧道機(jī)械化施工的本質(zhì)是安全高效，比傳統(tǒng)的以人工為主的隧道施工方式有著顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)機(jī)械化作業(yè)可以有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)勞動(dòng)者的健康，符合國(guó)家對(duì)建設(shè)高素質(zhì)產(chǎn)業(yè)工人的倡導(dǎo)[3～4]。但在以下方面還需要完善和配套。

3.1 在政策方面

1）規(guī)范配套 因機(jī)械化施工設(shè)備配置種類多、占用空間大以及相互間配套不成熟，與現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范、施工規(guī)范以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等不相適應(yīng)，各級(jí)規(guī)范和檢查條款一定程度上制約了機(jī)械化施工的正常進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與工法相適應(yīng)的快速施工，需探討與之配套的相關(guān)規(guī)范規(guī)則的適應(yīng)性問(wèn)題。

2）定額匹配 建筑市場(chǎng)沒(méi)有針對(duì)機(jī)械化施工制定相應(yīng)的定額，要研究制定符合市場(chǎng)和施工實(shí)際的機(jī)械化施工定額。

3）設(shè)計(jì)匹配 要研究與機(jī)械化施工相適應(yīng)的工法工藝，在設(shè)計(jì)階段就充分考慮機(jī)械化施工以及機(jī)械設(shè)備的特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)與地質(zhì)、與施工工法和工藝相配套，充分發(fā)揮機(jī)械化施工效益。

4）規(guī)模匹配 機(jī)械化施工設(shè)備配置成本明顯增加，在市場(chǎng)規(guī)劃階段就要進(jìn)行系統(tǒng)的布局和籌劃，最大程度地使工程規(guī)模接近機(jī)械化配套規(guī)模，攤薄成套設(shè)備配置成本，最大程度發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備效益，節(jié)約配套投入。

3.2 在設(shè)備配套方面

不同工序設(shè)備效率的匹配。要研究解決以鑿巖臺(tái)車為核心的“移動(dòng)式”流水作業(yè)線與以襯砌臺(tái)車為核心的“固定式”流水作業(yè)線，在施工效率上的匹配，提高設(shè)備配套效率。

部分設(shè)備與工法的匹配。要研究解決門架式拱架安裝臺(tái)車在欠挖處理和鎖腳錨桿施工工序中作用的發(fā)揮，以及對(duì)臺(tái)階法工況的適應(yīng)性，減少工序時(shí)間；要提升防水板鋪掛臺(tái)車在固定焊接方面自動(dòng)化作業(yè)的能力[5]。

部分工序機(jī)械化程度的提高。要研究提高裝藥工序的機(jī)械化程度，研究提高鋼筋安裝綁扎效率的工裝工藝，有效解決裝藥和鋼筋綁扎工序效率低的短板。

3.3 在工人產(chǎn)業(yè)化方面

要依靠社會(huì)以及專業(yè)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鑿巖臺(tái)車、濕噴機(jī)械手、鉆錨注一體臺(tái)車等設(shè)備操作人員的市場(chǎng)化，補(bǔ)齊相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈條，降低企業(yè)的社會(huì)化成本。

3.4 在管理制度方面

機(jī)械化施工受地質(zhì)影響較大，頻繁變化的地質(zhì)和不相適應(yīng)的地層都是機(jī)械化施工的大忌，地質(zhì)是不可改變的，要推廣應(yīng)用機(jī)械化施工，充分發(fā)揮機(jī)械化施工的效益，提高施工單位的積極性，只有通過(guò)改變現(xiàn)有機(jī)制和項(xiàng)目組織模式來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)，建議在組織模式上采用單價(jià)合同結(jié)合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，同時(shí)，施工單位和項(xiàng)目部在施工管理機(jī)制和考核機(jī)制方面，也需要進(jìn)一步完善。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，成套設(shè)備機(jī)械化施工、信息化和智能化應(yīng)用是隧道施工發(fā)展的方向，代表著隧道施工的創(chuàng)新和未來(lái)。唯有以地質(zhì)條件和圍巖分類為前提，在設(shè)備配套、定額配套、規(guī)范配套和政策配套以及工法相適應(yīng)的情況下，通過(guò)信息化、智能化的協(xié)同管理，充分發(fā)揮成套設(shè)備的高效率，才是成套設(shè)備機(jī)械化施工的核心所在。