川藏鐵路施工組織技術研究

□ 魏 強 李照星

(1.中國國家鐵路集團有限公司,北京 100844; 2.鐵科院(北京)工程咨詢有限公司,北京 100081)

川藏鐵路是我國西藏自治區對外運輸通道的重要組成部分,是引導產業布局、促進沿線國土開發、整合旅游資源的黃金通道,也是鞏固國家邊防安全的戰略要道。

川藏鐵路東起四川省成都市,向西經雅安、康定、昌都、林芝、山南,終于西藏自治區拉薩[1]。線路經過四川盆地、川西高山峽谷區、川西高山原區、藏東南橫斷山區、藏南谷地區5個地貌單元,東連成都樞紐與中東部地區,向西通過既有青藏鐵路和規劃的新藏鐵路,連接西北、新疆等地區。其中拉薩—林芝段正在修建,雅安—林芝段是本項目研究的對象,是川藏鐵路修建難度最大的段落。

一、工程特點及建設模式

(一)工程特點

1. 極端災害風險

(1)地震、洪水、雪崩等突發性地質及氣候災害頻繁,未知災害風險極大地增加了工程建設的復雜性以及施工組織面臨的高度安全風險。

(2)復雜地質隧道、高墩長橋等地質災害和施工安全風險極高。隧道內施工存在巖溶、暗河,煤層及采空區;瓦斯、天然氣、有毒等有害氣體,以及高地應力、高地熱等復雜地質條件,面臨塌方、突水(泥、石)、爆炸、大變形、巖爆、高地熱等一系列的施工安全風險;高墩長橋施工面臨山谷風、洪水暴雪等極端天氣以及地形狹窄的地理環境等不利因素。

2.工程異常艱巨

(1)施工組織難度極大。超大橋隧比例對川藏鐵路施工組織提出了嚴峻的挑戰:隧道工程施工資源及機械設備管理難點多、技術方案復雜并處于動態管理狀態;橋梁工程地處溝谷地形,坡陡谷深,運輸道路及施工場地狹窄,大型構件多,規劃組織復雜。

(2)建設周期超長,有效施工期短。川藏鐵路工程建設工期超10年以上,但由于人員機械降效大,特殊風季、雨季、冬季、晝夜大溫差等因素使有效工期短。兩方面不利因素耦合產生放大效應,使施工隊伍組織及穩定、施工計劃及技術方案策劃等具有很大的未知性,形成了工程組織管理上極大地挑戰。

(3)工程保障難度極大。在高原作業需要特殊的設備以及維護、物資材料進場及物流組織、電力與通信保障設施薄弱、施工人員生活物資及健康保障、維護社會穩定等,對施工組織提出了非常高的要求。

(二)工程建設模式

國家層面成立各有關部門及機構企業參與的川藏鐵路建設領導機構,中國國家鐵路集團受國家委托,具體負責川藏鐵路建設。設立川藏鐵路有限公司,作為項目法人按照市場機制進行項目決策與運作;成立川藏鐵路工程建設指揮部,作為項目管理機構承擔項目建設管理責任。

二、相關理論與實踐綜述

(一)施工組織設計的發展及定義

1.施工組織設計的發展

施工組織設計是上世紀50年代發展起來的一種管理模式,歐美等國家把施工組織設計視為工程項目管理的一部分,叫做“施工組織計劃”、 “施工準備”或者“工程項目管理計劃”。 1928年蘇聯在建造第聶伯爾水電站時，編制了有資料可查的首個施工組織設計,很好地指導了第聶伯爾水電站項目的開展。隨著關鍵線路法(CPM)、網絡計劃(PERT)以及信息技術的應用,施工組織設計編制水平及對項目建設的指導取得了較為突出的效果。我國水利、公路等行業也普遍采用施工組織設計技術,出臺了相關的行業規范,對工程建設管理起到了很好的提升作用。

上世紀50年代,我國設置鐵路施工組織設計機構。上世紀80年代開始,國內鐵路建設迅速發展,1982年出臺了鐵路工程施工組織設計編制規定。隨著鐵路建設特別是高速鐵路的發展,我國鐵路施工組織技術、設計理論、組織管理水平不斷提高,鐵路部門先后頒發《鐵路基本建設工程施工組織設計編制辦法》(〔82〕鐵基字1394號)、《鐵路工程建設工期定額(試行)》(建標〔1991〕235號)、《鐵路工程施工組織調查與設計辦法》(鐵建設〔2000〕95號)、《鐵路工程施工組織設計指南》(鐵建設〔2009〕226號)、《鐵路工程施工組織設計規范》(Q/CR 9004—2015)、《鐵路工程施工組織設計規范》(Q/CR 9004—2018)[2](以下簡稱“規范”)等一系列標準規范,在鐵路建設中發揮著越來越重要的作用。

2.施工組織設計的定義

施工組織設計是對施工活動實行科學管理的重要計劃手段,是對工程建設順序、建設工期、資源配置、施工技術方案、安全質量管理等要素做出的統籌安排。根據建設項目特點,通過技術經濟比選,選擇施工方案,確定施工進度,設置臨時工程,并對項目在人力、物力和財力、時間和空間、技術和組織等方面做出全面科學合理的安排,為施工順利開展提供前提條件、指導依據和基礎保證[3]。

在高速鐵路施工組織設計探索、發展過程中,針對質量要求高、控制因素多、接口工程復雜、內外部協調量大等特點,需要確定工程實施的詳細的計劃,這個計劃就是施工組織設計。其縱向覆蓋了項目決策、設計、交易和施工等建設全過程,橫向覆蓋了建設項目設計方案、施工方法、工期節點、現場布置、資源配置、建設投資和管理措施等全要素,涉及建設、設計、施工、監理、審批和管理等多個參建單位,因此被稱為“指導項目建設的綱領性文件”。

3.施工組織設計的分類

“規范”依據不同的建設階段將施工組織設計分為五類,具體內容見表1。

表1 施工組織設計分類

(二)研究基礎

1.施工組織設計規范的提升

2018年對“規范”進行了全面修訂,集成了當時鐵路工程施工組織實踐的最新成果。一是將環保、水保、勞動衛生防疫管理“三同時”要求納入施工組織重點管理內容。二是強化投資控制,科學合理的確定各類工期指標參考值,均衡安排生產,提高投資效益,降低投資成本。三是突出“質量安全”核心,建設“精品工程”。對質量安全采用專門章節,提高要求;結合行業最新政策,將提前介入、采用四新工藝、紅線管理、標準化評定、竣工驗收等內容納入施組管理。四是加強信息化管理,建設“智能鐵路”。實施施工組織設計信息化管理,編制專門章節,將最新成果和要求納入施組管理,推廣應用BIM技術。五是強化目標管理,加強施組執行情況考核。六是堅持問題導向原則。全面分析近年來鐵路建設施工組織設計管理存在的問題,汲取鐵路建設中諸如“六位一體”安全質量及投資要求、提前介入、“一體化”施工等成功經驗,為鐵路建設管理提供技術支撐。

2.工程管理平臺的應用

鐵路工程管理平臺形成了安全、質量、進度、投資、設計、綜合管理等7個體系,開發了試驗檢測、超前地質預報等45個業務系統,基本覆蓋了全路鐵路建設項目,實現了工程建設主要業務的信息化管理。其中,施工組織設計管理實現了動態控制和智能編排,重點管理內容包括:(1)EBS和施工日志是施組動態管理的基礎。(2)問題庫預警是施組動態管理的前提條件,形成以問題為導向的進度管理工作機制。(3)根據規范工期指標,收集現場實際指標,建立了工期指標庫,實現了施工組織設計斜率圖的分級自動調整,同時對工期之后的項目實現了報警管理職能。

3.質量管理體系的提升

經過多年的建設實踐,我國鐵路建設安全質量管理形成了以信譽評價為載體的過程管理、以紅線管理為抓手的質量控制和開工、驗收以及過程管理標準化的綜合管理體系,質量控制取得了良好效果,質量水平上了新臺階。在施工組織設計規范中已經明確了聯調聯試、沉降變形、混凝土徐變等紅線控制,規范了靜態驗收、動態驗收、初步驗收、安全評估、達標評定等驗收程序。

4.新基建帶動新技術的應用

高速鐵路智能建造技術的應用,改變了既有的生產組織方式和建設管理方式。如路基自動壓實技術、預制拼裝技術、箱梁自動監測技術、隧道機械化配套技術、軌道板(枕)智能化工廠生產技術、安全空間自動監測技術等先進技術和工藝的應用,改善了工程資源組合方式,降低了安全質量控制成本和工程資源利用成本,為建立多目標決策下工期與經濟雙優管理模式奠定了基礎。

圖1 川藏鐵路施工組織研究技術路線圖

三、主要研究內容和研究思路

(一)川藏鐵路施工組織技術的研究需求

1. 在大臨工程和過渡性工程的設計和建設模式上,應進行重點研究和規劃。結合大型工程建設的成功經驗,創新性移植,如施工道路、施工用水、供電方面,可以參照水利工程施工組織的模式進行建設。同時突破既有組織模式和規范,研究石料生產系統、物流基地、TBM組裝場、施工營地等按照大臨工程的模式進行設計和建設。

2. 需要確定川藏鐵路的工期指標體系?？偨Y類似環境鐵路建設的工期指標,充分考慮高原對人體及機械的降效因素,合理確定各種工法指標,合理安排控制性工程的施工組織。

3. 物流組織與規劃需要重點研究。TBM等大型物流設計進場路徑規劃、物資進場物流組織、分級倉儲的基地建設規劃、施工道路分級規劃且與地方道路的結合等,需要進行認真研究。

4. 施工組織順序及隧道施工專項方案、針對性的質量安全保障措施等也要重點研究。

(二)主要研究目的與研究內容

本研究的主要目的是為川藏鐵路可行性研究以及初步設計提供可行的、盡可能翔實的施工組織方案及工程經濟方面的技術資料支撐。主要內容包括:一是通過充分調研類似鐵路、公路、水利水電等大型工程的施工組織情況,研究建立適合川藏鐵路的施工組織工期指標體系,分析影響因素,提出全線建設總工期建議、工程建設順序等施工組織總體方案;二是通過調研沿線施工資源分布現狀,研究全線生產要素及物資供應、存儲方案,提出施工輔助工程與輔助企業的配置方案;三是通過調研沿線通訊網絡資源情況,分析既有工程建設管理平臺狀況,研究提出適合川藏鐵路的智能化施工組織信息平臺方案。

(三)研究思路和技術路線

本研究是實用性的研究,同時要進行突破既有規范框架下管理理念和思路的創新,因此十分注重實踐調研,采取實地調查研究、大型工程項目經驗總結、專家咨詢討論等方法和形式,同時注重了一定的基礎理論研究。技術路線圖如圖1所示。

四、取得重要研究成果和創新突破

(一)管理理論創新

1.提出施工組織設計的新框架

工程施工組織設計總體框架豐富了鐵路工程施工組織設計架構,增加了輔助工程、輔助企業和信息化管理系統等構成要素;完善了鐵路工程施工組織設計架構,對原有的要素進行了補充和完善,如在“資源配置”要素中增加了“物資存儲基地”等內容;重建了架構內各要素的相互關系。川藏鐵路工程施工組織設計總體框架與一般鐵路工程施工組織設計總體框架關系與對比如圖2所示。與現行標準規定的一般鐵路工程施工組織設計總體框架(如圖2左所示)相比,主要增加了輔助工程配置、輔助企業配置和信息化管理系統三項內容。川藏鐵路施工組織設計總體框架中各項要素之間的相互關系如圖3所示。

圖2 川藏鐵路與一般鐵路工程施工組織設計總體框架關系與對比

圖3 川藏鐵路工程施工組織設計主要內容相互關系

2.創新施工組織設計重點內容的概念

為了適應川藏鐵路工程建設管理需要,本文課題在鐵路工程建設中開創性提出了輔助工程和輔助企業的概念。這兩個概念的提出,對原來的大臨工程所包含的內容進行了進一步細化,根據臨時工程的作用和性質,更加突出功能導向,進行分類管理,體現了川藏鐵路工程建設“精細化”管理思路。

(1)輔助工程。主要指施工企業為了進行建筑安裝工程施工,根據施工組織設計設置的大臨工程,包括施工道路、臨時電力線、臨時給水設施、臨時通信基站、施工營地等,一般鐵路工程建設中屬于大臨工程的范疇。由于川藏鐵路建設環境條件惡劣,地形地貌多變,地質條件復雜,各種災害頻發,在這樣的條件下進行鐵路工程建設與一般鐵路工程建設有著很大的不同。一般鐵路建設中不需要建設單位對臨時工程過多關注,由施工單位自行設計、建造即可。但在川藏鐵路工程建設中,建設單位必須重視部分大臨工程的勘察設計、建設管理、災害監控和應急救援,將這部分大臨工程也即輔助工程和正式工程進行一體化管理。

(2)輔助企業。主要指施工企業為了進行建筑安裝工程施工,根據施工組織設計設置的臨時輔助生產企業,包括梁場、鋪軌基地、軌枕廠、拌合站、機械修配廠等,一般鐵路工程建設中屬于大臨工程的范疇。與輔助工程為施工提供“公共服務”且無法計量經濟效益不同,輔助企業主要為特定工程提供“成品”和“半成品”,且數量和成本清晰,是工程造價的組成部分,在施工過程中可以方便計量。這一部分大臨工程的設置,對施工資源的配置具有決定性作用,“規范”的規定已經無法滿足川藏鐵路建設的需要,故將輔助企業單列為施工組織設計的主要內容之一,就是為了更好地發揮其作用,為全線施工提供保障。

(二)重大技術成果

1.形成川藏鐵路工期指標體系,提出建設工期建議

(1)工期指標體系

通過對在建拉林鐵路、成蘭鐵路、玉磨鐵路、大瑞鐵路高黎貢山隧道、已建成的蘭渝鐵路、西成高鐵,在建的黔張常鐵路及敦格鐵路當金山隧道的調研,以及組織管理現狀[4]和工期指標研究的典型案例[5-9],收集工期指標數據作為川藏鐵路工期指標確定的參照。

國內外有關專業組織對高原的海拔高度有不同的定義:國際標準組織ISO定義為1000 m以上,我國工程機械高原適應性研究定義為2000 m以上。根據相關文獻及現場實測,對于在高原地區使用的自然吸氣柴油機,海拔高度每增加1000 m,其功率下降10%。川藏鐵路在極端困難的環境下建設,對人工和施工機具都帶來的工效降低的影響。川藏鐵路平均海拔3600 m,工期指標在94號文施工工期基礎上考慮《鐵路概預算編制辦法》國鐵科法〔2017〕30號文、〔2017〕31號文[10-11]及《公路工程基本建設項目概算預算編制辦法》(JTG B06—2007)[12]中對高原地區施工措施增加費根據海拔高度的不同,相應費用增加幅度的規定,按24%進行降效。

表2 川藏鐵路沿線主要地區海拔高程表

表3是調研有關線路隧道施工指標,表4是川藏鐵路隧道建議采用指標。

(2)合理工期建議

根據不同的施工資源配置和輔助設施設置,進行了10年、12年、15年不同目標工期分析,考慮到川藏鐵路極其復雜的地形地質條件,建設存在不確定性因素較多,同時及早發揮效益,適當留有余地,建議總工期暫按10～12年安排。

同時提出了統一實施、分段建成的總體施工組織方案:天府至朝陽湖段,4年左右建成開通投產;雅安至康定段,可滿足提前1～2年建成條件,可作為試驗段進行高原行車試驗,為全線正式通車進行技術和運營組織的儲備;康定至林芝段,10～12年建成通車。全線統一開通。

2.提出川藏鐵路施工組織信息化管理架構

川藏鐵路工程施工組織設計總體框架中，將信息化管理系統作為單獨的保障措施，從“管理措施”要素中獨立出來,在原有鐵路工程管理平臺的感知層、傳輸層、數據存儲層、數據資源層、系統服務層、系統應用層、系統表現層等7個層級結構,以及系統管理、基礎數據管理、施工方案管理、計劃管理、進度管理以及首頁的信息集成展示6大模塊的基礎上,將進度管理與BIM模型深入融合以及升級施組進度推演算法,對現有模塊調整和完善,增加實際工期案例庫和工程線運輸調度等功能,以支撐川藏鐵路施工組織智能化。這樣的信息化管理系統已經遠遠超出了“信息化管理措施”的內涵,對川藏鐵路工程建設保障作用大大強化,與“管理措施”一樣對工程的質量、進度、投資、計劃、安全以及物資調度、防災檢測、預警應急等具有在機制、制度和手段等方面發揮關鍵的保障作用。

五、下一步重點工作建議

施工組織設計作為施工組織活動的總體計劃安排,符合整個工程管理活動的特征,即在情境管理特征下,根據實際情況,不斷調整優化,以達到施工組織設計確定的目標。川藏鐵路的特點更加決定了施工組織設計動態管理的重要性,建議做好以下幾個方面。

(一)施工組織動態管理方法

1.頭腦風暴反復優化法

施工組織設計編制及不斷調整的目的是適時對工程建設進行指導,因此各參建單位對施工組織設計的深刻理解非常重要。指導性施工組織設計動態調整反復優化法主要程序為:建設總指編制施組調整大綱→各實施單位組織編寫各管段內實施性施組→建設單位組織集中進行施組匯總調整→建設單位組織集中審查→各單位進行學習吸收→建設單位與各實施單位就各標段實施性施工組織設計進行討論、對接和確定。其中建設單位組織集中進行施組匯總、調整是主要階段,在該階段主要領導親自參與,與各參建單位主要業務人員采取頭腦風暴法進行了反復討論,研究確定各重要工程的施工方案和施工計劃。

2.“兩會三報”調度法

“兩會三報”調度法是指建設單位依托調度中心及信息管理系統平臺,建立“日報、周報、生產調度月報和調度周例會、月度生產例會”制度,強化工程調度管理,對工程進展信息進行全面收集和動態管理。建立日報制度的目的，是對全線重點工程的完成情況以及存在問題、解決措施及解決時間等進行全面的動態控制,日報內容根據工程的進展情況進行不斷調整。周報和周例會制度是進行建設管理的重要手段,周報全面反映了全線一周工程進展情況,包括征地拆遷方面的進展、投資完成情況、各重點工程的進展情況等,周例會進行研究部署。月度生產調度分析例會以及月報，專門分析各標段生產進度、投資完成情況,并通過會議進行工作總結、問題分析、研究制定措施,并部署下一階段重點工作計劃和重要工作。

3.關鍵工期節點卡控表格法

將施工組織的關鍵線路上的關鍵時間節點、進展情況、影響因素以及實際進展列在一張表格上,定期進行對比分析,對出現的新的偏差采取措施進行糾正。表格主要完成時間節點包括:路基工程、路基防護工程、隧道貫通、隧道二襯完成、特殊結構梁、架梁、電纜槽貫通、無砟軌道、道岔鋪設、軌道鋪通、軌道精調、防護柵欄、四電用房、雨棚及站臺鋪裝、站房客服區裝修、客運標識、四電所亭、纜線敷設、軌旁信號設備安裝、10 kV供電、客服系統、公跨鐵立交橋具備防災設備安裝條件、防災、牽變所選址意見書、牽引站站址位置確定、牽變所驗收、牽變所外部電源通電、新建動車運用所具備Ⅱ級檢修能力、靜態驗收完成具備聯調聯試條件、具備開通條件等。

表3 鉆爆法施工進度指標

表4 川藏隧道施工進度指標(鉆爆法)

圖4 川藏鐵路工程管理平臺總體架構

4.“施組斜率圖”法

利用信息化手段和大數據分析技術,實時對施組斜率圖中的隧道工程、特殊結構橋梁工程、制架梁工程、鋪軌工程、四電工程等的進展曲線進行對比分析,計算落后施工的天數,調整關鍵線路,采取工程措施,進行工期目標的調整。

5.“四抓”工作法

“四抓”是指“抓早、抓小、抓細、抓實”。“抓早”就是早發現、早處理影響工程進展和安全質量的隱患,盡快處理;“抓小”就是不能放過任何一個可能制約施組落實的小問題,真正做到防微杜漸;“抓細”就是對重點工程和關鍵工點的工藝工法進行細致分析,仔細核算現場人、財、機、物、法、環等生產要素配置能否滿足施組要求;“抓實”就是要解決日常管理不到位、嚴不起來、落不下去的問題,耐心細致做好指導、檢查和督促工作,確保節點工期可控。

(二)施工組織動態管理措施

1.全面抓實管理責任

參建單位主要領導親自上手,指導做好施工組織的編制、執行和過程優化。建設管理隊伍做到人人了解施組、人人參與施組、人人執行施組,真正形成逐級負責、閉環管理的工作局面,確保項目建設按照目標要求順利推進。

2.加大監控考核力度

充分利用問題考核通報、信用評價扣分、停標處理等手段,解決現場存在的質量安全隱患和合同履約不力等問題;進一步規范建設單位合同管理行為,落實設計、施工、監理、檢測等參建各方責任;加大對參建單位投入的人員、設備、儀器等開展履約檢查和考核力度,確保參建單位兌現投標承諾,認真檢查承包人“架子隊”設立和農民工工資支付保障資金賬戶的建立情況,維護鐵路建設市場秩序;通過加大監控考核力度,消除影響工程組織推進的不利因素,為工程組織創造良好條件?！?/p>