公路軟巖隧道施工成本控制研究

摘要：隨著公路交通工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，隧道工程在公路建設(shè)項(xiàng)目中占比越來越高，其中軟巖隧道的比重較高。軟巖隧道地質(zhì)條件差，施工進(jìn)度緩慢，易發(fā)生塌方、施工變形，造成施工成本增加。本文對軟巖隧道施工成本影響因素進(jìn)行分析研究，提出控制施工成本的管理和技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：軟巖隧道；施工成本；成本控制

一、軟巖隧道施工特點(diǎn)

軟巖可分為膨脹性軟巖、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理性軟巖、復(fù)合型軟巖等四大類別，其主要特性有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性、易擾動性。軟巖的上述特性造成隧道施工存在如下問題，導(dǎo)致隧道掌子面坍塌、初支變形侵限。

（1）隧道開挖后，在地應(yīng)力和水的作用下，巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)度大幅降低，產(chǎn)生較大的可塑性，自穩(wěn)能力降低。

（2）隧道開挖后，軟巖在空氣、應(yīng)力的作用下產(chǎn)生鱗片狀解體，造成圍巖失穩(wěn)坍塌。

（3）隧道開挖支護(hù)后，周邊圍巖約束力發(fā)生改變，產(chǎn)生體積膨脹，造成初支變形。

（4）隧道初期支護(hù)后，圍巖變形時間長、變形量大，易造成初支結(jié)構(gòu)破壞，初支侵入二襯限界。

（5）隧道圍巖抗擾動能力差，施工震動、地下水侵蝕、暴露風(fēng)化等因素易造成圍巖失穩(wěn)坍塌。

鑒于軟巖隧道易坍塌、易變形的工程特性，軟巖隧道施工應(yīng)遵循“管超前、小斷面、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”的原則。施工單位采用超前注漿小導(dǎo)管或管棚超前支護(hù)；采取臺階法、中隔壁法、交叉中隔壁法、側(cè)壁導(dǎo)坑法等小斷面分部開挖方法，每循環(huán)開挖1～2榀鋼架間距；開挖后及時按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初期支護(hù)；加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果動態(tài)調(diào)整預(yù)留變形量和支護(hù)參數(shù)；縮短仰拱、二襯與掌子面的距離，初支、襯砌盡早封閉成環(huán)。

二、軟巖隧道施工成本超支原因

軟巖隧道的圍巖特點(diǎn)和施工方法決定了其施工成本高、管理難度大，具體而言，主要體現(xiàn)在以下五個方面：

（1）短進(jìn)尺、小斷面開挖，施工進(jìn)度較緩慢，單位工程量人工、機(jī)械費(fèi)用較高。

（2）開挖時超挖控制難度大，超挖量大導(dǎo)致初支噴射混凝土超耗嚴(yán)重并且噴射作業(yè)時間長，人工、機(jī)械、材料費(fèi)用均超支。

（3）因圍巖自穩(wěn)性差、變形量大，施工中易出現(xiàn)掌子面塌方、初支變形侵限等問題，處理塌方、變形所需時間較長，期間大量人員、設(shè)備窩工。

（4）軟巖隧道一般開挖預(yù)留變形量較大，如果實(shí)際變形量小于預(yù)留變形量，則將造成二襯混凝土材料超耗。

（5）施工工期長，通風(fēng)、照明、排水等用電費(fèi)用增加。

三、軟巖隧道施工成本控制措施

（一）超挖控制措施

1.規(guī)范超前小導(dǎo)管施工

軟巖隧道常采用注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)手段。超前小導(dǎo)管一端與已施作的鋼拱架連接，另一端插入未開挖穩(wěn)定巖體，對拱部開挖臨空的巖體形成支撐，通過管內(nèi)注漿向周邊擴(kuò)散，對拱部圍巖進(jìn)行固結(jié)，增強(qiáng)松散軟弱圍巖的穩(wěn)定性，使開挖后圍巖不至于在初期支護(hù)施作前發(fā)生失穩(wěn)破壞甚至坍塌。

在實(shí)際施工中，為了節(jié)約時間和材料，施工單位往往忽視超前小導(dǎo)管注漿質(zhì)量，注漿壓力、注漿量不符合要求甚至不注漿。當(dāng)拱部圍巖比較松散破碎時，因圍巖未能得到有效固結(jié)，開挖后容易出現(xiàn)大量拱頂?shù)粼?，造成?yán)重的超挖，甚至可能因掉渣形成圍巖應(yīng)力集中而導(dǎo)致塌方。因此，軟巖隧道超前小導(dǎo)管應(yīng)嚴(yán)格保證注漿質(zhì)量，在拱部形成有效的固結(jié)圈，不但可以大幅減少超挖量，而且能有效預(yù)防塌方。

為了便于施工，一般在型鋼拱架腹板上割孔，從孔內(nèi)打設(shè)超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管打設(shè)時需有一定的外插角，保證小導(dǎo)管從下一榀鋼拱架上方穿過。施工時應(yīng)嚴(yán)格控制外插角角度：一是防止外插角過小侵界，造成下一榀鋼拱架無法安裝到位；二是防止外插角過大，開挖時小導(dǎo)管下方巖體掉落而引起超挖。

2.采用光面爆破工藝

以往軟巖隧道采用爆破法開挖時，因?qū)ε诳装肟茁薀o要求，常有施工班組為了節(jié)約火工品成本、加快裝藥速度，周邊眼與其他炮眼一樣實(shí)施連續(xù)裝藥、導(dǎo)爆管雷管起爆，造成爆破后超欠挖大、開挖線參差不齊，受力結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性差，并且周邊眼連續(xù)裝藥爆破對輪廓線外圍巖擾動較大，產(chǎn)生裂隙較多，從而影響圍巖穩(wěn)定性。

采取間隔裝藥、導(dǎo)爆索起爆的光面爆破工藝，周邊眼爆破能分布較均勻，能夠有效減少超欠挖，使隧道周邊形成規(guī)則的拱形輪廓線，提高圍巖的自穩(wěn)性。

3.邊墻超挖控制措施

軟巖隧道通常采用三臺階開挖工藝，在中臺階開挖時，因中臺階環(huán)向一般呈倒弧形且設(shè)計(jì)上無圍巖防護(hù)措施，容易發(fā)生崩落、垮塌，造成超挖。其主要解決措施有以下三點(diǎn)：

（1）嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，每次開挖支護(hù)不超過兩榀鋼架間距。

（2）在中臺階環(huán)向增設(shè)超前小導(dǎo)管或超前錨桿，對開挖臨空面形成一定支護(hù)。

（3）分層開挖，分層初噴封閉。適時調(diào)整中臺階開挖時機(jī)，利用上臺階噴射混凝土作業(yè)時開挖中臺階，邊開挖邊采用噴射混凝土對巖面進(jìn)行初噴封閉。

（二）塌方、初支侵限預(yù)防措施

1.塌方預(yù)防措施

除超前小導(dǎo)管注漿和光面爆破能有效預(yù)防塌方外，軟巖隧道施工還應(yīng)做好如下塌方預(yù)防措施：

（1）重視超前地質(zhì)預(yù)報工作，靈活利用TSP、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)鉆探、超深炮孔等多種超前地質(zhì)預(yù)報手段，探明掌子面前方圍巖破碎狀態(tài)、地下水分布情況，結(jié)合掌子面揭示的圍巖巖性、裂隙、走向，合理確定每循環(huán)開挖進(jìn)尺、分部開挖方法及初期支護(hù)參數(shù)。同時，可在開挖過程中根據(jù)炮孔鉆進(jìn)情況對圍巖軟硬破碎情況進(jìn)行判斷，適時調(diào)整當(dāng)班開挖作業(yè)的進(jìn)尺。

（2）裂隙發(fā)育的巖體中常常富含裂隙水，開挖后出現(xiàn)涌水，容易引起塌方?？梢詮恼谱用娲蛟O(shè)長尺或短尺排水孔進(jìn)行預(yù)排放，減少前方巖體內(nèi)含水量，降低開挖后涌水引發(fā)塌方的風(fēng)險。軟巖隧道施工現(xiàn)場應(yīng)常備一臺液壓潛孔鉆機(jī)、若干管棚材料，在作業(yè)班組中配備幾名能操作鉆機(jī)的人員，在需要進(jìn)行超前排水或施工洞內(nèi)超前管棚時，能夠立即開展施工，減少工期延誤及人員設(shè)備窩工損失。

（3）為了防止圍巖因松動、掉塊、風(fēng)化引起塌方，開挖后應(yīng)立即初噴混凝土對圍巖進(jìn)行封閉，初噴后再打設(shè)錨桿、架立鋼架、復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

2.初支侵限預(yù)防措施

軟巖隧道圍巖自穩(wěn)性差、承載力低，采取分部開挖時對初支結(jié)構(gòu)擾動次數(shù)多，初支結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)所需時間較長，初支變形量大、持續(xù)時間長。其主要表現(xiàn)為噴混凝土開裂剝落、鋼拱架扭曲等，可能造成初支侵入二襯限界甚至初支坍塌，對隧道施工安全和施工進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。根據(jù)隧道初支變形原因，結(jié)合大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可采取如下措施預(yù)防初支變形侵限：

（1）適當(dāng)加大初支鋼架型號，縮小鋼架間距，提高初支結(jié)構(gòu)承載能力。

（2）采用臺階法施工時，在滿足作業(yè)空間的條件下，盡量縮短臺階長度，減少初支結(jié)構(gòu)開口暴露時間，盡早封閉成環(huán)，形成閉合穩(wěn)定受力結(jié)構(gòu)。軟巖變形段落上臺階長度一般控制為3～5m，中臺階長度一般控制為15～20m，同一斷面從上臺階開挖至仰拱閉合成環(huán)時間盡量控制在20天以內(nèi)。

（3）加大開挖預(yù)留變形量，大變形段落可以將預(yù)留變形量提高至30～50cm。但初支過大的變形將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞失效，預(yù)留變形量不宜過大。

（4）采用三臺階施工時，在中臺階增設(shè)臨時仰拱，并對兩側(cè)拱腳圍巖采用小導(dǎo)管或大鋼管鎖腳注漿加固，提高地基承載力和初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以有效控制初支變形。

（5）對于特別軟弱的大變形地，段初期支護(hù)可采用雙層拱架支護(hù)方式，即兩層型鋼拱架、兩層噴射混凝土，分兩次進(jìn)行支護(hù)。先施作第一層拱架及噴射混凝土，讓圍巖發(fā)生一定變形，釋放部分壓力，然后施作第二層拱架及噴射混凝土，增加支護(hù)強(qiáng)度，控制最終變形量，防止初支侵限。經(jīng)大量的工程實(shí)踐，該支護(hù)方式在控制初支變形方面有良好效果。

（6）加強(qiáng)初支質(zhì)量控制，初期支護(hù)施工質(zhì)量缺陷往往是造成初支大變形的重要原因。在施工過程中，首先，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)、規(guī)范要求控制拱架間距和垂直度，保證拱架線型順適、連接螺栓緊固，當(dāng)上臺階拱腳收斂變形較大時，施工中臺階時為保證中、上臺階拱架能夠順利連接，應(yīng)對變形較大的拱架進(jìn)行校正或拆換處理。其次，每個臺階的鋼架拱腳應(yīng)落在堅(jiān)實(shí)地基上或采用墊板（墊塊）墊實(shí)，初支變形較大的地段，應(yīng)加大墊板面積、增加墊板剛度，以墊板的反力來約束限制變形。再次，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工徑向錨桿和鎖腳錨桿，特別是錨桿的錨固必須可靠有效，錨固力符合要求，墊板與巖面緊貼或錨桿與鋼架焊接牢固。最后，噴射混凝土飽滿平整，背后不留空洞，防止空洞處初支應(yīng)力集中產(chǎn)生變形。

（三）二襯混凝土超耗控制措施

隧道施工中二襯混凝土超耗問題大部分是由二襯厚度超厚造成的。二襯厚度超厚的原因：一是開挖測量及初支拱架安裝不準(zhǔn)確，初支后凈空斷面偏大；二是初支實(shí)際變形量小于預(yù)留變形量，其剩余空間需用二襯混凝土填補(bǔ)。

軟巖隧道一般初支變形量較大，并且可能存在變形不均勻的現(xiàn)象，嚴(yán)格、科學(xué)設(shè)置預(yù)留變形量，使預(yù)留變形量盡可能接近實(shí)際變形量，否則將導(dǎo)致初支侵限或二襯大幅超厚。

隧道在進(jìn)行開挖及支護(hù)施工完成后，需要對隧道進(jìn)行拱頂沉降及凈空收斂監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果優(yōu)化調(diào)整初期支護(hù)的支護(hù)參數(shù)、預(yù)留沉降量，以保證現(xiàn)場施工質(zhì)量、安全。軟巖隧道一般每5m布設(shè)一個監(jiān)測斷面，每個斷面設(shè)置一個拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)，4個水平收斂監(jiān)測點(diǎn)。當(dāng)隧道變形較大或較復(fù)雜時，監(jiān)測斷面距離應(yīng)加密至2～3m。

為了更加準(zhǔn)確科學(xué)地總結(jié)隧道圍巖變形規(guī)律，軟巖隧道施工應(yīng)適當(dāng)加大監(jiān)測頻率，延長監(jiān)測時間。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制拱頂沉降曲線和凈空收斂曲線，以此作為初期支護(hù)參數(shù)調(diào)整和預(yù)留變形量設(shè)置的依據(jù)。當(dāng)隧道周邊各部位變形量差異較大時，施工時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整開挖尺寸，調(diào)整初支拱架高度及水平位置，在隧道環(huán)向不均勻地設(shè)置預(yù)留變形量，確保圍巖變形基本穩(wěn)定時，初支凈空限界尺寸基本一致，不至于二襯局部嚴(yán)重超厚。

（四）人工成本控制措施

軟巖隧道施工月進(jìn)尺約為30～50m，地質(zhì)條件差的月進(jìn)尺甚至只有10～20m，施工強(qiáng)度均衡性較差，且經(jīng)常會穿插塌方處置、變形處置等計(jì)劃外工作內(nèi)容，因此，勞務(wù)班組不適宜采用計(jì)件工資，一般實(shí)行固定工資或保底工資＋加班工資的制度。軟巖隧道施工進(jìn)度慢、施工難度大及采用非計(jì)件工資制度，提高了項(xiàng)目人工成本控制的難度，施工單位需要采取更加深入、細(xì)致、有針對性的管理措施，才能將人工成本控制在合理范圍內(nèi)。

首先，軟巖隧道施工難度大、成本高、作業(yè)人員流動性大，分包隊(duì)伍惡意停工、要求調(diào)整單價、退場等問題層出不窮，往往給施工單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)和信譽(yù)損失。為避免或減少這些問題的發(fā)生，施工單位宜采取小班組勞務(wù)分包模式，將隧道施工勞務(wù)按工序分為開挖、支護(hù)、二襯、輔助等小班組，各自簽訂分包勞務(wù)合同。

其次，施工人員工資水平逐年攀升，為了控制隧道施工人工成本，應(yīng)優(yōu)化施工工藝、設(shè)備，提高隧道施工機(jī)械化率，長大隧道應(yīng)積極推行使用鑿巖臺車、濕噴機(jī)械手、立架臺車、自動防水板臺車的先進(jìn)設(shè)備，減少作業(yè)人員的數(shù)量，減少人工成本支出。

最后，應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場組織管理，特別是開挖支護(hù)工序轉(zhuǎn)換時的銜接問題，力爭做到無縫銜接，在上個工序完成前盡量完成下個工序的人員、機(jī)具準(zhǔn)備工作，減少時間浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。

（五）機(jī)械成本控制措施

在隧道施工中常用大型機(jī)械設(shè)備主要有挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸汽車、混凝土罐車等，一個洞口至少備配1臺挖掘機(jī)、1臺裝載機(jī)、3臺自卸汽車、2臺混凝土罐車。如果使用租賃設(shè)備，每年租賃費(fèi)用非常高。在軟巖隧道施工中，特別是長、特長軟巖隧道，一般施工工期較長，為降低機(jī)械使用成本，盡量使用自有設(shè)備或購置新設(shè)備。隧道施工中挖掘機(jī)、裝載機(jī)使用頻率高，一般無替換設(shè)備，一旦發(fā)生故障，開挖支護(hù)將無法作業(yè)，造成大量人員和設(shè)備窩工。因此，挖掘機(jī)、裝載機(jī)應(yīng)選用質(zhì)量可靠、成色較新的設(shè)備，可以降低故障率，同時施工現(xiàn)場應(yīng)儲備一定量的易損件備件，配備一名能夠完成一般維修的修理人員，發(fā)生故障時盡快完成搶修，減少停工造成的損失。

在機(jī)械管理工作中，空壓機(jī)與通風(fēng)設(shè)備管理較為關(guān)鍵。工程開工前，施工單位應(yīng)該嚴(yán)格管理設(shè)備的使用情況?？諌簷C(jī)和通風(fēng)機(jī)每臺功率達(dá)100kW，是隧道施工用電較高的主要設(shè)備。施工單位應(yīng)安排專人管控空壓機(jī)和通風(fēng)設(shè)備的開關(guān)，在作業(yè)面不需要使用時及時關(guān)閉，減少用電量。在保證隧道內(nèi)的空氣氧質(zhì)量濃度、有害氣體質(zhì)量濃度符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，為降低通風(fēng)機(jī)負(fù)荷，減少用電量，可以采用移動式霧炮機(jī)噴霧輔助降塵。

四、結(jié)語

公路軟巖隧道施工工期長、材料易超耗、人員設(shè)備窩工問題突出，成本控制難度較普通隧道大幅增加，施工單位需要根據(jù)軟巖隧道施工特點(diǎn)及成本控制難點(diǎn)，從施工準(zhǔn)備階段開始至施工結(jié)束的全過程中，采取有針對性的管理措施、技術(shù)措施，全方位地控制人工、機(jī)械、材料成本，減少不必要的工期損失，最大限度地控制施工成本。

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作者簡介：朱嘯宇（1981年），男，四川省西充縣人，本科，高級工程師，研究方向?yàn)楣肥姓こ淌┕す芾怼?/p>