常規山嶺隧道施工階段方案優化探析

車大兵，陳愛紅

(1．中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003;2．龍廈鐵路工程建設指揮部，福建龍巖 364000)

0 引言

山嶺隧道工程屬于比較特殊的地下工程土建項目，地質條件及施工環境復雜，設計階段受各種因素、手段和技術條件的制約，所獲取的地質勘探資料有限，對隧道圍巖地質條件的判斷可能存在誤差，使得設計文件及圖紙可能存在一定的缺陷，施工階段存在較大的優化空間。

目前的山嶺隧道施工技術及方案優化類文獻較多。如:文獻［1-2］主要是論述隧道施工的關鍵技術和施工要點;文獻［3-4］主要是論述軟弱圍巖控制變形的支護優化技術;文獻［5］主要是論述輔助坑道優化;文獻［6-7］主要是介紹隧道的運輸組織優化;文獻［8-10］主要介紹注漿方面的優化。上述文獻多集中于論述隧道施工的單項內容，如關鍵技術、開挖工法、初期支護、注漿、運輸組織及輔助坑道等方面，但是未系統地從整個隧道施工全過程綜合、全面地去考慮施工方案的優化問題，對于參考者來說可能存在一定的局限性。本文結合隧道工程實踐經驗，嘗試從全局和總體上對隧道施工的方案優化進行總結和探討，希望為從事隧道施工的同行提供參考，利于施工階段方案的優化，對于保證隧道施工質量、安全、工期和節省成本具有重要意義。

1 隧道施工階段方案優化的原因

1)設計階段掌握的資料有限，對工程地質條件判斷不完全準確，設計方案無法適應隧道的實際地質環境條件，如不進行方案優化，則可能對工程質量、安全及進度造成較大影響，施工階段需要根據實際地質情況進行優化。

2)設計人員經驗不足，設計深度不夠，設計未結合施工條件，隧道的設計方案不盡完善，存在優化的可能，以使設計和施工結合更緊密，優化后的方案可實施性更強，更容易避免質量通病，對于保證工程質量和安全很有幫助。

3)施工管理要求，針對隧道作業環境的優化，特別是業主對隧道工期方面的要求，需要對隧道施工組織方案進行優化，以加快施工進度，縮短工期。

4)既有的方案施工可操作性差，成本較高，優化后的方案容易實施，且能夠獲得較好的社會和經濟效益。

2 隧道施工階段方案優化的目標

施工階段為優質高效地完成隧道修建任務，針對隧道工程的具體情況，在施工過程中針對隧道施工進行優化，以確保工程質量和安全，并達到較好的經濟社會效益，同時促進隧道施工技術的進步，施工優化的目標主要包括以下幾點。

1)實施性好。優化后的方案具有較強的可實施性，方便施工，能夠滿足工程質量和安全，并取得較好的社會經濟效益。

2)縮短施工工期。有利于提高施工進度，滿足建設工期要求。

3)保證安全質量。滿足設計規范要求的質量標準，施工過程安全達標。

4)降低施工成本。優化后的方案有利于節省成本，提高盈利水平，能夠達到較好的社會經濟效益。

3 隧道施工階段方案優化的原則

施工階段隧道方案優化需要根據工程具體情況，優化后的隧道施工方案需要滿足隧道工程管理的各項目標，優化方案時主要基于以下原則。

1)安全原則。優化后的方案需要滿足隧道的安全施工要求。

2)質量原則。優化后的方案實施后要能夠確保隧道工程質量符合設計和規范要求。

3)環保原則。優化后的方案符合環保、水保要求，不破壞環境。

4)實用原則。優化后的方案需滿足設計功能要求，不能降低設計的功能標準。

5)受益原則。優化后的方案能夠降低成本，得到較好的社會經濟效益。

4 隧道施工階段方案優化類型

4．1 隧道主體結構施工優化

隧道主體結構施工階段的優化除少數為設計方面主動進行外，多數需要施工單位提出方案優化的原因及建議，并上報監理、業主及設計方面批準后才能實施。廣義上說涉及到的施工方案的變更等都屬于設計優化，需要設計單位同意，并提供變更或者優化方案以后，施工單位才能夠施工，否則擅自施工需要承擔不能驗工計價的風險。

施工方案的優化選擇受以下主要因素影響:設計技術標準、工程地質及水文地質情況、機械設備配置情況、工期要求和成本影響等。方案優化要立足于安全、質量、進度及成本等方面進行綜合考慮，隧道工程施工優化主要包括以下類型。

4．1．1 隧道洞口工程優化

隧道洞口優化主要包括洞口位置、洞門結構形式等的優化，優化后的方案應利于保證洞門結構安全，降低對環境的破壞，且能與周圍環境景觀相協調。

1)進洞方案優化。部分項目隧道洞口位于陡坡，洞口橋隧相連，現場缺乏正常進洞的條件，對此可改變思維，從距離洞口較近的有利地形場地條件處開橫洞進洞，進洞后往兩端施工，避免正常進洞施工的安全、工期和成本風險。如雅瀘高速大相嶺隧道進口處山高坡陡，橋隧相連，隧道洞口位于半山坡，現場不具備正常進洞條件，如果需要修建便道至洞口，則便道修建難度大，成本高，安全風險大，不利于及時進行隧道施工，施工階段根據現場實際情況進行了進洞方案的優化，經過方案比選，采用修建約130 m的施工橫洞作為進洞方案，正洞采用反打出洞施工，使隧道能夠及早進洞，減少施工干擾，加快施工進度，取得了較好的效果。大相嶺隧道進口橫洞進洞方案示意圖見圖1。

2)洞口位置優化。隧道洞口一般需貫徹早進晚出的原則，避免洞口深挖路塹破壞環境。但是有些隧道洞門位置處為深挖路塹，不利于保持邊仰坡的穩定，對此可以改變洞門位置，增加明洞，利于安全施工且利于環保。

3)洞門結構形式優化。洞門的結構形式和類型盡量與周圍環境景觀相協調，與周圍景觀融為一體。山東濟萊高速上游隧道洞門原設計為端墻式，結構整體和環境不太協調。后來經過優化改為削竹式，并通過洞頂景觀設置，使得洞門與周圍景觀保持一致，效果較好，獲得了建設單位的好評。

4．1．2 開挖方案優化

鉆爆法施工隧道的開挖方案比較成熟，如在特定的地質條件及施工要求前提下，根據現有設備資源情況進行適當的優化，可能對于提高施工進度，保證施工安全和節省施工成本很有幫助。

1)開挖工法的優化。隧道的常規開挖工法根據不同圍巖狀況主要有全斷面法、臺階法、CD法、CRD法和雙側壁導坑法等，基本上都比較成熟。針對具體的情況，可以對開挖工法進行適當的優化，如部分特殊環境條件下的隧道施工，如果對地表沉降控制要求非常高，如要確定合理的開挖支護工況，需要施工單位聯合科研院所或者設計單位進行分析優化，采用有限元法及專業軟件分析，以確定特殊地質和環境條件下的最安全的施工工況，利于隧道施工安全，保護周邊建構筑物的穩定和環境。在大斷面硬巖隧道施工中，可以將全斷面優化為大導洞超前臺車開挖，多功能臺架后行擴挖成型施工，在保證施工進度的情況下控制超欠挖，減少爆破震動速度，達到進度和效益的統一。

圖1 大相嶺隧道進口橫洞進洞方案示意圖(單位:m)Fig．1 Plan of Daxiangling tunnel accessed from cross tunnel(m)

2)爆破效果優化。在石質隧道開挖施工中，需要不斷進行減震爆破及光面爆破優化，可以減少炸藥用量，減少爆破振動對結構的不利影響，提高爆破效果，減少超欠挖，對于成本控制非常關鍵。

3)開挖斷面優化。根據監控量測數據調整預留變形量數據，如果開挖后變形很小，則可以減小預留變形量，不僅可減少開挖方量，節省火工品消耗，同時還可有效減少后期二次襯砌混凝土數量，節約成本。

4．1．3 隧道支護方案優化

初期支護參數對控制圍巖及隧道變形有重要作用，合理的初期支護參數不僅能有效控制圍巖及隧道的變形，而且能夠降低施工成本。施工過程中地質條件比設計的要差，則需優化加強襯砌支護參數，確保安全，施工過程中地質條件比設計的要好，則可減弱襯砌支護參數，需要根據地質條件及監控量測數據進行動態施工和優化。

此處的支護方案優化主要指加強優化，加強初期支護主要有2種方法，一是加大噴混凝土的厚度、加密鋼架間距或者縮小錨桿間距，二是改變噴混凝土的性能，提高鋼架的規格和采用抗拔力大的錨桿。

1)支護方案優化。砂漿錨桿變更為自進式注漿錨桿，增加錨桿長度，格柵鋼架或型鋼鋼架加強，增加支護剛度與強度，控制初期支護過大變形。

2)注漿參數的優化。針對不同的地質條件，通過對漿液參數的優化，以達到注漿堵水加固的效果，并能節省工期和成本。

3)初噴混凝土優化。針對部分隧道工程圍巖軟弱破碎的情況，需要初期支護盡早發揮作用，以控制圍巖變形。可以采用摻早強劑的噴射混凝土或者摻鋼纖維等，能夠顯著增強初期支護噴射混凝土的早期強度，改善結構受力條件，有效控制結構變形，保證安全，或者加大噴射混凝土強度等級等措施。

如在蘭渝鐵路木寨嶺隧道正洞高地應力軟巖地質環境下開挖時，主要初期支護參數優化后采用H175型鋼支撐，間距0．75 m，網噴C30混凝土厚33 cm，可有效地控制圍巖變形。

4．1．4 隧道二次襯砌方案優化

1)混凝土配合比優化。根據不同的砂石原料及含水量，調整水泥用量，將混凝土強度控制在規范允許范圍內，滿足設計要求即可，如果一直不調整配合比，可能會浪費很多水泥，對于控制成本不利。

2)仰拱施工優化。為滿足運輸通行，以前仰拱施工一般采用半幅施工方式，這種施工方式弊病很多，不利于結構的受力，且施工縫易滲漏水，安全隱患多。現在一般均優化為仰拱棧橋方式，以保證車輛運輸暢通，仰拱一次開挖成型整體澆筑，利于結構受力，形成整體結構，利于控制變形和保證結構安全。仰拱棧橋效果見圖2。

3)襯砌模板臺車的優化。隧道施工二次襯砌從以前的組合鋼模板發展到現在的整體式模板臺車，雖提高了施工功效，保證了二次襯砌施工質量，但目前的整體式模板臺車基本上一個隧道下來就無法再用，只能當廢鐵處理，無法重復利用實在可惜。高速公路設計斷面都差不多，可以通過優化襯砌模板臺車的設計，將襯砌臺車的主體支架設計成通用的，增加模板可調范圍，則以前隧道施工的襯砌臺車經過整修可以用于類似斷面隧道的施工，可以節省成本。

圖2 仰拱棧橋施工效果圖Fig．2 Ⅰnvert trestle

4．2 隧道輔助坑道優化

隧道施工的輔助坑道主要包括斜井、豎井和平導等，優化內容主要包括位置、坡度及開挖斷面。

1)位置優化。在部分長大鐵路隧道中，為實現長隧短打的目的，可能會設置1座或多座斜井，利用斜井進行正洞的施工。實際施工時，可以根據實際的地質地形條件、施工能力、技術水平和裝備資源等情況，對斜井位置或數量進行優化，可能會達到優化資源配置，減少斜井數量的目的。萬源至達州高速大巴山隧道本來設置有1座通風豎井(深度412．142 m)，施工過程中發現該通風豎井位置條件差，豎井深度大，施工難度高，經過調研，即使在不設置通風豎井的情況下，隧道的運營通風也是滿足設計要求的，所以經過優化，施工階段取消了該通風豎井，節省了工程投資。

2)坡度優化。部分項目將特長隧道的大坡度有軌運輸斜井優化為小坡度無軌運輸斜井，有軌運輸斜井坡度大，施工設備投入多，安全風險大，礦車提升能力限制了隧道開挖的施工進度，施工速度慢，在有條件的情況下盡量改變斜井的設置位置，降低斜井的坡度至無軌運輸施工的范圍，利于實現快速施工，并盡可能減少施工投入，節省成本。如雅瀘6標斜井為長度達到1 000 m以上，坡度大于50%的長陡坡斜井，進場后根據現場實際勘測情況，綜合地質、運輸條件尤其是成本等多方面的因素考慮，決定對原設計進行優化，對斜井井口位置進行調整，由原來的有軌運輸調整為現在的無軌運輸。優化后的方案不僅保證了工期，而且優化設計后的斜井比原設計斜井總投入費用節約近1 132萬元。

3)開挖斷面優化。部分斜井斷面為單車道形式，如果通過斜井承擔正洞的施工任務比較重，則可將單車道斜井優化為雙車道斜井，以提高運輸效率，加快施工速度。龍廈鐵路象山隧道斜井斷面優化后的方案能夠充分利用斜井斷面、最大限度地預留作業空間，可以提高斜井的出碴運輸以及斜井的通風能力，更加合理地利用現場資源，加快正洞工程施工進度。

4．3 隧道施工作業環境的優化

廣義的隧道施工環境包括內部環境(即施工作業環境)和外部環境(即周邊環境)。

隧道施工作業環境的優化主要指針對狹義的內部環境優化，良好的隧道施工作業環境是保證隧道工程質量、提高施工效率、維護施工者身心健康和實現工廠化施工的重要條件。隧道施工通風對于保證隧道內部作業環境至關重要。

隧道作業環境的優化主要指優化通風方案，加強通風，改善通風效果，降低隧道內的粉塵濃度，使得作業環境符合規范要求。通風方案的優劣直接決定通風效果的好壞，特別是對于長大隧道，良好的通風方案是確保隧道施工持續均衡高產的重要前提條件，對施工效率影響很大。

4．4 隧道組織管理優化

隧道施工組織管理優化主要包括運輸方案及總體施工組織管理方案的優化。4．4．1 運輸方案優化

運輸方案的優化旨在通過不同的運輸組合，以提高運輸效率，達到快速施工的目的。如太行山隧道7#斜井工區設計為有軌運輸，按照常規做法，通過有軌運輸斜井施工正洞也是采用有軌運輸，但是有軌運輸具有一次性投入大、組織要求高等特點，于是對正洞運輸方案進行優化，采用正洞無軌運輸+斜井有軌運輸的模式，無軌運輸較有軌運輸機動靈活，施工干擾小，作業效率高，在施工組織和施工進度上發揮了很明顯的優勢。

4．4．2 總體施工組織管理方案優化

針對部分短隧道的施工，施工過程中根據現有機械設備配置、現有人員的技術水平和數量、工期要求和施工的難易程度，合理組織隧道的施工。如采取平行作業或順序作業，兩端同時施工或者獨頭掘進，需要根據實際情況進行技術經濟分析，以優化施工資源配置，努力減少施工過程中的人機成本消耗，使施工能夠獲得較好的經濟效益。

4．5 成本管理優化

目前的工程施工市場多數情況下為低價中標，中標后施工成本控制壓力很大。企業正常情況下需要盈利，一直做虧本買賣也就無法生存下去，由于市場競爭激烈，多數企業都是本著先低價中標，然后施工階段通過方案優化變更達到不虧損或略有盈利的目的。

節省成本除包括前文所述的優化混凝土配合比、優化組織管理方式外，還可以有意識地進行隧道內的部分項目的變更設計，以達到隧道施工扭虧為盈的目的。主要包括以下方面。

1)在投標階段對有些隧道工程量清單中的項目認為在施工階段可能優化的，報價比較低，施工階段應該積極運作，進行優化。比如，有些隧道設計支護錨桿類型為砂漿錨桿，可以在斷層破碎帶等不良地質地段變更為自進式注漿錨桿，變更優化項目最好為原投標清單中無量的，達到工程量“無中生有”的目的，就可以重新分析單價，理論上不會虧損。

2)善于利用隧道項目的暫定金做文章。一般長大隧道都有相當數量的預留暫定金，金額大小不等。施工階段需要善于經營，通過在隧道不良地質地段的施工方案、支護參數、注漿加固等手段，盡量將所有的暫定金都能夠驗工，用于急需部位，既保質量，也保安全。

3)善于利用合同條款，有些項目對一次的優化金額進行了限制，不同級別的監理、設計能夠批準的變更金額可能都有相關規定，需要在實際施工中化整為零進行設計變更優化，避免一次變更金額過大，不好操作，以獲得理想的優化效果。

5 體會

1)所有的施工優化最終目的都是為了在保證安全質量的前提下獲得最大的經濟利益和施工利潤，企業本來就是追求價值的，需要的是盈利，在優化的過程中，保證了施工質量，滿足了業主要求的各項目標，而自己也獲得了較好的收益，達到業主和承包商的雙贏效果。

2)每座隧道都有其獨特的工程水文地質及環境條件，本文主要針對隧道施工方案常見的優化類型做了一些總結，但還不夠全面，希望能為從事隧道工程施工的技術人員提供參考。

3)施工方案的優化貫穿于隧道施工的各個階段，自始至終均有優化的可能，需要根據項目的實際情況和具體要求，做出針對性的優化，以期獲得理想的施工管理目標，達到安全、質量、進度和成本等方面優化的目的。

4)施工階段不斷進行隧道方案的優化，是一種施工管理理念，需要持續進行。部分隧道施工技術的優化甚至還可以上升為科技創新、施工工法等成果，需要廣大的施工技術人員持之以恒的進行下去，不斷努力提高現代隧道施工的技術和水平。

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