吳 煒， 覃偉華， 羅福君

(1. 中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司， 北京 100038； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 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。目前鄭萬高鐵湖北段以相關(guān)科研成果為依托，利用大型機械化開挖設(shè)備和相關(guān)工藝配套措施，實現(xiàn)了軟弱圍巖大斷面機械化開挖，在保證施工安全、工程質(zhì)量的前提下，有效提高了施工進度。

隧道軟弱圍巖大斷面機械化開挖不是簡單利用大型機械進行開挖作業(yè)，而是一整套包括超前加固、開挖、支護、實時監(jiān)控等全工序的施工工法，需要根據(jù)項目實際情況優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。李洋等[1]通過優(yōu)化超前支護及初期支護方案提高圍巖自穩(wěn)能力，驗證了隧道軟弱圍巖機械化配套施工技術(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-支護結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了臺階法和大型機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種工法對圍巖壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律。王志堅[3]基于鄭萬高鐵湖北段地質(zhì)條件，提出掌子面穩(wěn)定性綜合分級方法及穩(wěn)定性控制措施，并對超前支護和洞身支護參數(shù)進行了優(yōu)化。仇文革等[4]依托鄭萬高鐵新莊嶺隧道工程，采用現(xiàn)場實測、數(shù)值計算、理論分析等手段對隧道穩(wěn)定性和初期支護各組成部分的支護效能進行了研究，并基于經(jīng)濟性提出相應的初期支護優(yōu)化對策。湯憲高等[5]通過對長大隧道施工機械化配套技術(shù)研究及實際施工情況的調(diào)查與測定，提出了不同圍巖條件下的施工機械化配置，并計算出在合理施工組織條件下的經(jīng)濟指標。

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參數(shù)優(yōu)化，以及鐵路隧道一般機械化施工的經(jīng)濟性研究方面，尚缺乏對于軟弱圍巖大斷面機械化施工工法的經(jīng)濟性研究。本文以優(yōu)化后的鄭萬高鐵軟弱圍巖大斷面機械化施工設(shè)計圖為基礎(chǔ)，根據(jù)施工現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)，補充完善現(xiàn)行鐵路造價標準，分析軟弱圍巖大斷面機械化施工工法對概算的影響因素，并量化各種因素的影響程度。通過對鄭萬高鐵隧道軟弱圍巖大斷面機械化開挖工法的經(jīng)濟性開展研究，以期為此類工法的推廣及進一步優(yōu)化提供參考。

1 軟弱圍巖大斷面機械化施工工程量對比

為實現(xiàn)軟弱圍巖大斷面機械化施工，鄭萬高鐵隧道在Ⅳ、Ⅴ級圍巖設(shè)計上對開挖、襯砌、支護等工程量進行了優(yōu)化，其中，Ⅳa級圍巖延米工程量優(yōu)化見表1，Ⅳb、Ⅴa級圍巖延米工程量優(yōu)化見表2。

表1 Ⅳa級圍巖延米工程量優(yōu)化對比表

表2 Ⅳb、Ⅴa級圍巖延米工程量優(yōu)化對比表

通過對比可以發(fā)現(xiàn)， Ⅳ、Ⅴ級圍巖大斷面機械化施工設(shè)計圖較原設(shè)計圖: 1)開挖量減少； 2)超前加固措施增加，其中，Ⅳb、Ⅴa級圍巖超前支護由小導管改為管棚； 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級圍巖襯砌由鋼筋混凝土改為素混凝土，并增加襯砌養(yǎng)護臺車養(yǎng)護。

2 大斷面機械化施工經(jīng)濟性對比方案

2.1 對比方案設(shè)計

為體現(xiàn)社會平均水平，經(jīng)濟性對比以概算為基礎(chǔ)。本文設(shè)計了3套概算編制方案，體現(xiàn)了工程量優(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?yōu)化對大斷面機械化施工經(jīng)濟性的影響，方案Ⅰ、方案Ⅱ與方案Ⅲ綜合對比可以得到工藝工法變化對大斷面機械化施工經(jīng)濟性的影響。

2.2 補充新工藝工法單價分析

目前鐵路工程現(xiàn)行定額標準是2017年國家鐵路局發(fā)布的TZJ 2003-2017《鐵路工程預算定額： 第3冊 隧道工程》[6]。對比大斷面機械化施工工藝，現(xiàn)行定額在Ⅳ、Ⅴ級圍巖大斷面開挖、鑿巖臺車施作小導管和管棚、拱架臺車安裝拱架、襯砌養(yǎng)護臺車養(yǎng)護等方面還存在缺失。

為滿足大斷面機械化施工經(jīng)濟性對比概算編制的需要，本文結(jié)合鄭萬高鐵施工現(xiàn)場測定，按照現(xiàn)行鐵路工程預算定額編制方法和原則，補充了相關(guān)單價分析子目，具體子目及其工料機費用組成見表4。

表4 大斷面機械化施工工法補充單價分析

3 大斷面機械化施工經(jīng)濟性分析

3.1 工程量優(yōu)化對經(jīng)濟性的影響

通過對比方案Ⅰ與方案Ⅱ的延米概算差異，能夠分析出各項工程量優(yōu)化時自身延米概算價值的增長幅度，以及對圍巖延米概算指標的影響程度，具體對比見表5-7。

表5 Ⅳa級圍巖工程量優(yōu)化經(jīng)濟性對比分析

表6 Ⅳb級圍巖工程量優(yōu)化經(jīng)濟性對比分析

表7 Ⅴa級圍巖工程量優(yōu)化經(jīng)濟性對比分析

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

對于Ⅳb級圍巖延米概算，影響最大的是超前加固，超前支護由小導管改為管棚，以及增加的噴射混凝土封閉掌子面對圍巖延米概算指標的影響幅度為7.61%；其次是鋼支撐，因取消了臨時鋼支撐對圍巖延米概算指標的影響幅度為-2.74%；綜合分析，Ⅳb級圍巖因工程量優(yōu)化對延米概算指標的影響幅度為3.97%。

對于Ⅴa級圍巖延米概算，影響最大的是超前加固，超前支護由小導管改為管棚，以及增加的噴射混凝土封閉掌子面對圍巖延米概算指標的影響幅度為11.03%；其次是鋼支撐，因取消了臨時鋼支撐對圍巖延米概算指標的影響幅度為-4.07%；綜合分析，Ⅴa級圍巖因工程量優(yōu)化對延米概算指標的影響幅度為3.17%。

3.2 工藝工法變化對經(jīng)濟性的影響

通過對比方案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，就能分析出各項工藝工法變化對自身延米概算價值的增長幅度，以及對圍巖延米概算指標的影響程度，具體對比見表8-10。

表8 Ⅳa級圍巖工藝工法變化經(jīng)濟性對比分析

表9 Ⅳb級圍巖工藝工法變化經(jīng)濟性對比分析

表10 Ⅴa級圍巖工藝工法變化經(jīng)濟性對比分析表

對比發(fā)現(xiàn)，大斷面開挖對不同圍巖延米概算指標的影響幅度為-2.36%～-0.73%，鑿巖臺車施作管棚超前預加固對不同圍巖延米概算指標的影響幅度為2.18%～8.42%，拱架臺車施作鋼支撐對不同圍巖延米概算指標的影響幅度為-0.64%～-0.29%，鑿巖臺車施作鎖腳小導管對不同圍巖延米概算指標的影響幅度為0.46%～0.49%，襯砌養(yǎng)護臺車養(yǎng)護對不同圍巖延米概算指標的影響幅度為0.48%～0.85%。因此，影響大斷面機械化施工經(jīng)濟性的工藝工法主要是大斷面開挖和鑿巖臺車施作管棚。

3.3 大斷面機械化施工經(jīng)濟性綜合分析

通過對3個概算方案的對比分析，分別得到了工程量優(yōu)化和工藝工法變化對經(jīng)濟性的影響程度，見表11。大斷面機械化施工使Ⅳa、Ⅳb、Ⅴa級圍巖延米概算指標分別增長了-9.41%、10.81%和6.24%。

表11 大斷面機械化施工經(jīng)濟性綜合分析

經(jīng)綜合分析，影響大斷面機械化施工概算的主要因素是超前加固，對于Ⅳa級圍巖，大斷面機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，以及超前支護小導管鉆孔改由鑿巖臺車鉆孔，導致圍巖延米概算指標增長了2.57%。對于Ⅳb、Ⅴa級圍巖，大斷面機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，超前支護也由小導管改為管棚，且改由鑿巖臺車鉆孔施作，導致圍巖延米概算指標分別增長了16.03%和14.40%。同時，由于Ⅳa級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增長了-8.64%， 大斷面機械化施工雖然提高了大部分Ⅳ、Ⅴ級圍巖的延米概算指標，但其較普通機械化施工在進度上具有一定優(yōu)勢。根據(jù)統(tǒng)計分析，對于普通機械化施工隧道，Ⅳ級圍巖平均月進尺約75 m，Ⅴ級圍巖平均月進尺約45 m；而從鄭萬高鐵隧道現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，對于大斷面機械化施工隧道，Ⅳ級圍巖平均月進尺約82 m，Ⅴ級圍巖平均月進尺約55 m，比普通機械化施工分別提高了9.33%和22.22%。因此，大斷面機械化施工具有一定的綜合經(jīng)濟性。

4 結(jié)論與建議

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

2)根據(jù)統(tǒng)計分析，Ⅳ、Ⅴ級圍巖大斷面機械化施工較普通機械化施工月進尺分別提高了9.33%和22.22%，體現(xiàn)出大斷面機械化施工具有一定的綜合經(jīng)濟性。

3)影響大斷面機械化施工經(jīng)濟性的主要因素是超前加固。通過加強掌子面圍巖超前監(jiān)控預測，實時調(diào)整掌子面加固方案，可以進一步優(yōu)化大斷面機械化施工投資，提高經(jīng)濟性。

4)為更加宏觀、準確地分析軟弱圍巖大斷面機械化施工的經(jīng)濟性，今后應進一步總結(jié)軟弱圍巖大斷面機械化施工對降低安全風險、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其經(jīng)濟性進行定量分析。

參考文獻(References)：

[1] 李洋, 馬留闖, 王峰. 古夫隧道軟弱圍巖普通型機械化配套試驗性施工技術(shù)[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(8): 1371.

LI Yang, MA Liuchuang, WANG Feng. Experimental construction technology of conventional mechanized support for weak surrounding rock in Gufu Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(8): 1371.

[2] 于麗, 蔡閩金. 鄭萬高鐵隧道大型機械化配套全斷面法施工圍巖-支護結(jié)構(gòu)相互作用力學特性研究[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(8): 1316.

YU Li, CAI Minjin. Study of mechanical properties of interaction between surrounding rock and supporting structure of Zhengzhou-Wanzhou High-speed Railway Tunnel constructed by full-section method with large-scale machinery[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(8): 1316.

[3] 王志堅. 鄭萬高鐵隧道大斷面機械化施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(8): 1257.

WANG Zhijian. Research on key technology of large cross-sectional mechanized construction of Zhengzhou-Wanzhou High-speed Railway Tunnel[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(8): 1257.

[4] 仇文革, 孫克國, 王立川, 等. 基于圍巖穩(wěn)定性的大斷面隧道初期支護優(yōu)化[J]. 土木工程學報, 2017, 50(增刊2): 8.

QIU Wenge, SUN Keguo, WANG Lichuan, et al. Primary support optimization of large section tunnel based on surrounding rock stability [J]. China Civil Engineering Journal, 2017, 50(S2): 8.

[5] 湯憲高, 單向華, 魏志宏, 等. 長大鐵路隧道機械化施工配套技術(shù)經(jīng)濟分析研究[J]. 隧道建設(shè), 2012, 32(3): 270.

TANG Xiangao, SHAN Xianghua, WEI Zhihong, et al. Economic analysis on mechanical matching in construction of long railway tunnels [J]. Tunnel Construction, 2012, 32(3): 270.

[6] 鐵路工程預算定額: 第3冊 隧道工程: TZJ 2003-2017[S]. 北京: 中國鐵道出版社, 2017.

Budget quota of railway engineering: Book No. 3 tunneling engineering: TZJ 2003-2017[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2017.