長大鐵路隧道機械化施工配套技術經濟分析研究

湯憲高，單向華，魏志宏，孫國新

(1．中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009;2．鐵道部經濟規劃研究院，北京 100038)

0 引言

我國的鐵路隧道施工機械化配套技術的應用和研究始于20世紀80年代，建設衡廣復線大瑤山隧道時期首次從國外引進液壓鑿巖臺車、混凝土噴射三聯機和模板臺車等大型隧道施工設備，后來在大秦、侯月和京九等鐵路建設項目中推廣應用，逐步形成了多種隧道機械化施工配套技術方案。但隧道大型機械化施工造價較高，受經濟發展水平和投資管理體制等因素的影響，我國鐵路隧道施工大型機械化配套技術的發展速度緩慢。

長大隧道機械化配套技術是在長期的工程實踐中不斷探索完善的，在這個過程中通過工程實踐對隧道機械化配套技術不斷總結和研究，已取得了較多的成果。文獻［1］總結了長大隧道大型機械化施工技術;文獻［2-4］分析研究了長大隧道大型機械化施工配套技術、裝備和效率;文獻［5-8］研究了鑿巖臺車和仰拱模架等大型進口機械和國產非標設備;文獻［9］研究了隧道機械化施工與安全質量的關系。這些研究主要側重于技術和管理方面，對隧道機械化施工的經濟分析研究相對較少。

隧道機械化施工的經濟分析工作曾經隨著鐵路隧道施工機械化配套技術的引進和應用同步開展。20世紀80年代以鉆爆法修建大瑤山隧道時期，鐵道部基建總局就組織開展了雙線隧道大型機械化施工預算定額的編制工作，經過多年的編制和修改，形成了《鐵路雙線隧道工程大型機械化施工預算定額》［10］。但隨著隧道施工新設備的應用和工程造價管理體制的改變，原來編制的隧道工程機械化施工預算定額的局限性不斷顯現，已無法滿足目前的投資控制需求。

隨著我國經濟發展水平的提高和高速鐵路建設規模的增加，人們的安全質量和環保節能意識進一步增強，面對人力成本不斷攀升和長大鐵路隧道大量出現的新形勢，鐵路隧道施工機械化水平的需求需要進一步提高。鐵道部2008年發布了鐵建設函［2008］777號《關于鐵路隧道施工機械配置的指導意見》，2009年立項開展了隧道圍巖穩定性研究，對隧道施工機械化配套技術進行的經濟分析是其中一項重要研究內容。

長大隧道施工機械化配套技術的應用和推廣需要技術和經濟作為支撐。為合理確定和有效控制鐵路建設投資，推動隧道機械化施工技術的健康發展，有必要將長大鐵路隧道機械化施工配套技術的經濟分析研究工作進一步推進。本文以隧道施工機械化配套技術課題研究中的Ⅰ級機械化配套方案為例，對其經濟分析工作進行一些探討。

1 長大雙線鐵路隧道施工Ⅰ級機械化配套方案

隧道施工機械化配套技術研究屬于鐵道部《隧道圍巖穩定性分析研究》課題的子課題《長大隧道施工機械化配套技術與裝備研究》的內容，其目的是通過對長大鐵路隧道鉆爆法施工機械化配套技術的調研，總結分析長大隧道鉆爆法施工中開挖、出砟、噴錨支護、仰拱和二次襯砌等作業線的設備配置，通過科學地分析計算，尋求技術成熟和經濟適用的機械化配套方案。通過對國內外近期隧道施工機械化配套技術的廣泛調研，結合已有的研究成果，經過分析計算提出了長大鐵路隧道施工的機械化配套模式。

其中的長大雙線鐵路隧道施工Ⅰ級機械化配套方案施工進度最快，且有專項配套費用的配置模式，從隧道開挖到混凝土二次襯砌，各作業線均按機械化進行配置。長大雙線鐵路隧道Ⅰ級機械化配套方案確定的具體設備配置如下:

1)開挖作業線。配置2臺三臂液壓鑿巖臺車作為開挖鉆孔設備，兼作錨桿鉆孔設備。鑿巖臺車配置工作籃，以進行隧道測量劃線、炸藥裝填等作業。

2)支護作業線。采用濕噴機械手進行噴射混凝土作業，濕噴機械手的理論噴射能力不小于20 m3/h。

3)裝運作業線。配置高性能大容量裝載機裝砟設備以及大噸位低排放自卸車運砟設備。

4)仰拱作業線。配置自行式仰拱棧橋和移動模架、仰拱挖裝挖掘機、運砟自卸車和混凝土輸送車。

5)防水板作業線。采用防水板鋪設臺車，既能減輕作業人員勞動強度，又能提高防水板鋪設速度和鋪設質量。

6)二次襯砌作業線。配置新型無門架式模板臺車、混凝土輸送泵、混凝土運輸車及混凝土攪拌站。

為保持合理施工步距，仰拱及混凝土襯砌作業線一般配置2套設備。

2 雙線鐵路隧道施工Ⅰ級機械化配套方案經濟分析和研究重點

雙線鐵路隧道施工Ⅰ級機械化配套方案經濟分析研究屬于《長大隧道施工機械化配套技術與裝備研究》的內容，其目的是結合確定的配套方案，通過對樣本隧道實際施工情況的調查與測定，核算出長大雙線鐵路隧道施工Ⅰ級機械化配套方案在合理施工組織條件下的經濟指標，分析其與傳統鉆爆法在建造費用和施工工期上的差別。

2．1 配套方案差異分析研究

首先針對雙線鐵路隧道施工Ⅰ級機械化配套方案的6條作業線進行差異分析，旨在尋求經濟分析工作的重點。作業線差異分析見表1。

針對表1隧道機械化施工設備配套技術的差異性分析，將重點對鑿巖臺車開挖和機械手噴射混凝土的循環時間測定、機械手噴射混凝土回彈率、鑿巖臺車開挖超挖量、初期支護和二次襯砌混凝土回填量、仰拱棧橋、模架、臺架等研發設備的計算與攤銷模式、隧道綜合進度及定額進度取定等項目進行重點研究。

2．2 鑿巖臺車開挖超挖量研究

由于液壓鑿巖臺車自身結構原因，鑿巖臺車鉆鑿周邊眼時產生的外插角比手持風動鑿巖機產生的外插角要大。工程實踐證明，鑿巖臺車(TamRockT12)鉆鑿周邊孔的外插角一般為3～5°。外插角的大小與鑿巖機結構尺寸和鉆臂推進梁范圍內的洞壁支護狀況密切相關。一般而言，鑿巖機尺寸越大，鉆臂推進梁越短，推進梁范圍內的支護厚度越大，產生的外插角就越大。

外插角的客觀存在導致鉆孔底部超出開挖輪廓，爆破后會產生超挖;受隧道圍巖結構構造和施工操作水平影響，隧道超挖也客觀存在。根據規范，圍巖收斂變形、拱架預留沉落、測量允許誤差、施工允許誤差以及超前管棚、超前錨桿、超前小導管輪廓線下的楔形坍落都屬于難以避免的技術性超挖。

按現行鐵路定額的工程量計算規則，隧道專業在計算工程數量時是根據開挖凈斷面提供的工程數量，難以避免的技術性超挖要在定額中合理考慮。為此，對樣本隧道23個開挖循環的超挖情況進行統計，從測定的數據分析可知，Ⅲ級圍巖的平均線性超挖為27 cm，Ⅳ級圍巖的平均線性超挖為28．3 cm，Ⅴ級圍巖的平均線性超挖為31．7 cm。結合現行鐵路隧道施工規范可知，雙線鐵路客專隧道用鑿巖臺車開挖比用常規風鉆開挖延米超挖量要多3．81～6．43 m3(占設計開挖斷面的 2．9% ～4．4%)。

表1 作業線差異分析表Table 1 Comparison and contrast between Grade I mechanized construction and conventional construction

2．3 支護混凝土回填量研究

由于鑿巖臺車鉆孔開挖比傳統的風鉆鉆孔開挖產生的超挖量要多，其多超挖部分要用初期支護的噴射混凝土或二次襯砌混凝土進行回填。為合理取定鑿巖臺車開挖情況下機械手噴射初期支護混凝土定額子目和二次襯砌混凝土定額子目的混凝土材料消耗量，對2011年7—9月施作的175．8 m范圍內的仰拱及回填、247．58 m范圍內的拱墻襯砌混凝土消耗情況和212．7 m范圍內的初期支護噴射混凝土消耗情況進行了統計分析，結果如表2和表3所示。

表2 二次襯砌混凝土消耗情況統計表Table 2 Consumption of secondary lining concrete

表3 噴射混凝土消耗情況統計表Table 3 Consumption of shotcrete

綜合以上統計的二次襯砌混凝土和初期支護噴射混凝土的消耗情況，按圍巖級別推算的延米超挖回填混凝土量和平均線性超挖情況見表4。

表4 延米混凝土回填量和平均線性超挖情況表Table 4 Correlation between backfilling concrete quantity and average linear overbreak

由表4可以看出，在鑿巖臺車開挖條件下，推算的Ⅲ級圍巖的平均線性超挖為28．5cm，Ⅳ級圍巖的平均線性超挖為30．1cm，Ⅴ級圍巖的平均線性超挖為28．1cm。與前面鑿巖臺車開挖工程數量研究中得到的平均線性超挖數據(Ⅲ級圍巖27．0 cm，Ⅳ級圍巖28．3 cm，Ⅴ級圍巖31．7 cm)雖稍有差異，但還是比較接近的。經分析，造成的差異主要是由圍巖實際沉降量與設計預留沉降量不符合，以及立拱地段拱架體積占用支護空間等原因造成的。

由于噴射混凝土價格較二次襯砌混凝土價格高，為降低造價，在工程實踐中往往會盡可能多用二次襯砌混凝土來回填超挖部分，但這必須以滿足安全質量為前提。開挖基面噴射混凝土平整度較差會產生應力集中，并會導致隧道防水質量受影響。如果因混凝土噴射量不足發生坍塌等安全事故，將會對隧道建設造成更為惡劣的影響。

2．4 濕噴機械手噴射混凝土回彈率研究

目前長大隧道施工中普遍使用了混凝土濕噴機械手(目前長大隧道施工中最受歡迎的機械之一)，它的使用既提高了工作效率，又減少了混凝土回彈量，同時使隧道內的作業環境和工作條件均得到了極大的改善。

為合理確定混凝土濕噴機械手噴射混凝土定額的材料消耗，采用鋪設彩條布收集回彈料的方法，對樣本隧道在不同圍巖條件下使用濕噴機械手(Sika-PM500PC)噴射混凝土的回彈率進行了測定。

通過對樣本隧道DK137+324～+320全斷面施工Ⅲ級圍巖段、DK135+968～+966臺階法施工Ⅳ級圍巖段和DK135+971～+970．2臺階法施工Ⅴ級圍巖段噴射混凝土情況的現場測定，得到的噴射混凝土回彈率為19% ～24%(Ⅲ級圍巖段的回彈率為19．6%，Ⅳ級圍巖段的回彈率為20．0%，Ⅴ級圍巖段的回彈率為23．8%)。

設備生產廠家提供的資料顯示，Sika-PM500PC混凝土噴射機械手的回彈率一般在10%以下，澳大利亞捷肯E3混凝土噴射機械手的回彈率也在10%左右。一些施工單位的匯報資料中顯示的回彈率一般在8%～13%。通過調查發現:施工單位、生產廠家、經濟分析研究人員對噴射混凝土回彈率的計算方法各不相同，有的是以回收噴射混凝土量除以實際拌制混凝土量計算的，有的是以回收噴射混凝土量除以實際噴射混凝土量(總拌制量-運輸和噴射作業損耗量)計算的，而經濟分析研究人員是以回收噴射混凝土量除以巖面實際附著混凝土量計算的。

2．5 仰拱棧橋、模架、臺車(架)等研發設備的攤銷模式研究

在機械化配套方案中，仰拱模架、全自動液壓仰拱棧橋、簡易仰拱棧橋、門架式襯砌模板臺車、防水板鋪設臺車、襯砌蒸汽養護臺架、溝槽移動模板等均為研發的非定型產品，生產廠家和現場使用單位有的還處于磨合和完善之中。

起初計劃把液壓仰拱棧橋和仰拱模架作為機械設備考慮，后經反復研究，認為就其結構組成而言仍可劃分為主體結構、行走系統、液壓系統和電氣系統4個部分。為保持與現行鐵路隧道工程預算定額計算規則統一，便于使用和調整，決定仍采用現行鐵路預算定額中定型鋼臺模的編制模式，按不同結構重量和機械價值，分主體結構、行走系統、液壓系統和電氣系統4個部分分別考慮攤銷次數和殘值回收。

2．6 隧道綜合進度及定額取定進度研究

在隧道施工中，正常施工往往受到工序轉換、供電線路檢修等多種因素的影響，用測時法對單工序循環時間進行測定很難涵蓋這些因素。為彌補測時法對循環外時間考慮不足的缺陷，對樣本隧道的實際進度進行了統計，以便采用綜合進度對工序單循環實測的人工和機械消耗量進行修正，使編制的定額符合社會平均水平。

從樣本隧道2009年5月至2010年12月共計550 d(扣除了因設計標準調整引起的非正常停工63 d)的統計情況來看，采用Ⅰ級機械化配套方案施工的雙線鐵路客專隧道的月單口最高進度為244．6m，月均綜合進度為136 m(Ⅲ級圍巖月均進度170 m，Ⅳ級圍巖月均進度102 m，Ⅴ級圍巖月均進度62 m)。而鐵建設2009［226］號《鐵路工程施工組織設計指南》關于隧道施工工期的指導意見中明確的進度指標是:“Ⅲ級圍巖月進度為100～130m，Ⅳ級圍巖月進度為55～80m，Ⅴ級圍巖月進度為35～50 m。”

樣本隧道的進度指標是實際統計得到的，其中包括工序轉換、檢測檢查、開挖步距及機械狀況等因素的影響。而《鐵路工程施工組織設計指南》中的工期指標是編寫者分析多個采用小型機械施工的新建鐵路隧道的統計資料后綜合取定的進度指標。為了保證編制的定額符合社會平均水平，在樣本隧道統計進度和《鐵路工程施工組織設計指南》進度兩者之間綜合取定了一個偏上限值，作為確定Ⅰ級機械化配套方案施工的隧道的定額水平之依據。取定的定額月進度指標見表5。

表5 取定定額月進度指標表Table 5 Monthly driving rate m/月

3 隧道施工機械化Ⅰ級配套方案經濟分析研究成果

3．1 補充編制配套方案有關機械的臺班費用定額

通過對隧道施工機械化Ⅰ級配套方案重點項目的研究分析，結合在樣本隧道現場測定和收集的資料，補充編制了進口三臂液壓鑿巖臺車、進口混凝土噴射機械手、拱架安裝機等進口和國產研發設備的機械臺班費用定額。

3．2 補充編制配套方案有關項目的預算定額

通過對Ⅲ、Ⅳ和V級圍巖條件下的鑿巖臺車開挖、混凝土濕噴機械手噴射作業的有關作業時間和綜合效率進行測定，結合重點項目研究分析得到的鑿巖臺車開挖超挖量、噴射混凝土的回彈率和回填量、二次襯砌的回填量以及仰拱棧橋、仰拱模架、新型無門架式模板臺車等非標設備的技術參數，建立了采用Ⅰ級配套方案施工隧道的預算定額編制模型，補充編制了三臂鑿巖臺車開挖、出砟、機械手噴射混凝土、液壓棧橋、仰拱模架、無門架模板臺車等項目的預算定額。

3．3 隧道施工機械化Ⅰ級配套方案經濟效果分析

用補充編制的機械臺班費用定額、補充預算定額和現行鐵路定額，按現行的鐵路概預算編制辦法和工料價格標準，選取4個雙線鐵路客專長大隧道，對Ⅰ級機械化配套方案施工和傳統小型機械施工預計發生的建造費用進行了對比分析(見表6)。由對比分析可知，采用Ⅰ級機械化配置方案施工的隧道，其建造費用比采用傳統小型機械施工的隧道增加約17%。如考慮鑿巖臺車鉆爆超挖造成的出砟和回填混凝土(噴射混凝土和二次襯砌混凝土)費用，隧道的建造費用增加約20%。

表6 機械化施工隧道建造費用對比分析表Table 6 Analysis on cost of tunnels constructed by mechanical means

經分析，隧道建造費用增加的主要原因是施工機械設備費用投入較大，同時由于鑿巖臺車自身結構原因導致隧道超挖量增大，引起出砟量、噴射混凝土和二次襯砌混凝土回填量以及鋪設防水板數量的增加。

4 結論與討論

1)采用Ⅰ級機械化配套方案施工的鐵路客專長大隧道，雖然其建造費用有所增加(約20%)，但其建造速度也大幅提升(約25%)。按建立的匹配模型(Ⅱ級和Ⅲ級圍巖為主)推算，單口掘進2 500 m，工期將縮短7個月(Ⅰ級機械化配套方案合理工期23個月，常規小型機械施工合理工期30個月)。提前7個月竣工投產，將會創造良好的經濟效益和社會效益，綜合效益非常顯著。

2)在進行經濟分析時，是基于目前鐵路隧道施工Ⅰ級機械化配套方案中的關鍵設備均選用進口設備，并在假設隧道設計方案不變的前提下進行的。隨著配套設備國產化的不斷推進和人力成本的進一步攀升，隧道施工機械化施工配套技術的優勢會更加突出。

3)隧道采用Ⅰ級機械化配套方案施工，具有節省勞動力、降低勞動強度和安全風險小等優點，且能提高工作效率。配套應用機械設備施工，不僅減少了施工作業中的人為因素，而且配套設備具有機型成熟、性能穩定和產品壽命期長等特點，這對保證隧道的工程質量具有重要的意義。

對長大鐵路隧道采用Ⅰ級機械化配套方案施工的經濟分析，目前主要是圍繞建造費用進行定量分析，而對工期、安全、質量、環保和職業健康等方面僅進行了定性分析，還需要繼續廣泛收集相關資料，進一步研究工期和安全質量等方面的定量經濟分析。另外，如何對大斷面軟弱圍巖機械化施工進行研究，不斷提高軟弱圍巖機械化施工配套技術水平和其綜合效益，進一步提高隧道施工大型機械設備國產化水平，是需要繼續進一步研究的課題。

［1］ 王夢?。蟋幧剿淼馈?0世紀隧道修建新技術［M］．廣東:廣東科技出版社，2004．

［2］ 軒轅嘯雯．大瑤山隧道機械化施工及存在問題的探討［J］．鐵道建筑，1984(4):10-14．

［3］ 趙華，謝大文，孫國新，等．鐵路雙線隧道施工機械化配套及效率分析［J］．高速鐵路技術，2011(S):23-27．(ZHAO Hua，XIE Dawen，SUN Guoxin，et al．Mechanized matching scheme and efficiency analysis for full section construction of double-line tunnel of PDL［J］．High-speed Railway Technology，2011(S):23-27．(in Chinese))

［4］ 方俊波，黃嘉億，洪開榮，等．長大隧道施工機械化配套技術與裝備研究［J］．高速鐵路技術，2011(S):17-22．(FANG Junbo，HUANG Jiayi，HONG Kairong，et al．Study on mechanical matching and equipment for long tunnel construction［J］．Highspeed Railway Technology，2011(S):17-22．(in Chinese))

［5］ 吳連雄，張興來．蘿峰隧道三臂鑿巖臺車與手持式鑿巖機鉆爆法掘進施工技術比較［J］．公路交通技術，2003(5):90-94．

［6］ 康寶生．液壓鑿巖臺車在客運專線隧道工程中的使用與思考［J］．隧道建設，2007，27(5):95-98，101．(KANG Baosheng．Application of hydraulic rock drilling jumbos in construction of passenger-dedicated railway tunnels［J］．Tunnel Construction，2007，27(5):95-98，101．(in Chinese))

［7］ 馮國春，鄧志剛．鐵路客專隧道簡易仰拱移動模架施工技術［J］．隧道建設，2011，31(2):262-264，271．(FENG Guochun，DENG Zhigang．Technology for casting of inverts of tunnels on passenger-dedicated railways by means of smiple movable formwork trolleys［J］．Tunnel Construction，2011，31(2):262-264，271．(in Chinese))

［8］ 周廷浩．客運專線鐵路長大隧道仰拱襯砌采用簡易棧橋施工技術及經濟分析［J］．鐵道標準設計，2009(4):85-88．

［9］ 張梅．采用先進技術和裝備確保鐵路隧道施工安全和質量［J］．現代隧道技術，2009(3):6-11．(ZHANG Mei．A-dopt advanced techniques to ensure the construction safety and quality of railway tunnels［J］．Modern Tunnelling Technology，2009(3):6-11．(in Chinese))

［10］ 劉青峰，單向華．鐵路雙線隧道工程機械化施工預算定額［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．