某高原鐵路施工工期影響因素及控制措施研究

劉晉南,錢 昊,陳華軍,許龍飛

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

引言

某高原鐵路沿線山高谷深，人跡罕至，線路穿越橫斷山、念青唐古拉山等山脈，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等河流[1]，具有“顯著的地形高差”“強烈的板塊活動”“頻發的山地災害”“敏感的生態環境”“惡劣的氣候條件”“薄弱的基礎設施”六大工程環境特征[2]。

該鐵路除兼具西南山區鐵路的艱險、西北高原鐵路的缺氧、東北平原鐵路的高寒外，還具有超長工期、沿線基礎設施落后且不易修建等自身難點，合理的建設工期對提高工程質量、控制建設投資有著重要的現實意義，因此，有必要結合某高原鐵路建設條件，系統分析某高原鐵路工期影響因素，合理調整土建工程工期指標，進一步確定某高原鐵路建設工期，并針對提出施工工期風險防范措施合理性的建議。

現有研究中，國內學者從不同角度出發對某高原鐵路施工工期影響因素進行了研究。田四明等[3-4]主要從高應力軟巖大變形、硬巖巖爆、高地溫、活動斷裂、富水構造等5種重大不良地質的工程特征和主要危害出發，針對某高原鐵路雅安至林芝段特殊地質條件，提出了相應的處置原則和工程對策；郭輝等[5]以某高原鐵路大跨度橋梁為工程背景，分析了高原高寒復雜艱險環境下橋梁建設面臨的挑戰，針對橋梁結構耐久性、抗震設計等提出了相關對策和建議；周路軍等[6-7]從某高原鐵路隧道TBM適應性角度出發，通過分析不良地質條件下TBM適應性問題，提出相關應對措施，從而提高隧道施工速度；薛翊國等[8]從某高原鐵路工程地質條件出發，總結出其主要不良地質條件與工程地質問題并提出相關研究建議。但目前對大型臨時工程、生態環境等對施工工期的影響研究較少，且關于各影響因素對施工工期產生的具體影響研究甚少。

1 鐵路施工工期影響因素

1.1 復雜地質情況及頻發地質災害對施工工期的影響

該鐵路線路“跨七江穿八山、六起六伏”，被公認是“最具挑戰的鐵路工程”[9]。根據已經掌握的地質勘察資料，沿線面臨著諸多不良地質，主要有：多年或季節性凍土、冰雪災害、危巖落石與崩塌、硬巖巖爆、軟巖大變形、瓦斯、斷層及構造破碎帶、高密卵石層、高地/巖溫、高地應力、冰磧層涌水流坍、風積沙、泥石流、坍塌滑坡等，給工程建設帶來了很大的不確定性。

(1)板塊運動活躍、地震頻繁強烈

該鐵路所經區域位于歐亞板塊與印度洋板塊碰撞形成的造山帶，是世界上最年輕的山系之一，也是我國目前地震最為活躍的區域，高烈度地震引起的危巖落石、崩塌、滑坡、泥石流等次生地質災害可能對鐵路工程的建設和運營安全構成危害，頻繁的高烈度地震災害也增大了滿足抗震設計要求的復雜性和施工建設中的難度。

(2)易發生滑坡、泥石流、雪崩等突發性地質災害

該鐵路沿線地形地勢具有高海拔、大高差的特點，夏季降水豐沛且集中，雨水流過海洋性冰川區易形成出冰裂縫，冬季易出現暴雪增加冰川積雪厚度。川西高原山區冬季最低氣溫可降至-15～-20 ℃，冰雪霜凍時間較長，年降雨量在600～900 mm；藏東高原區最低氣溫可降至-20～-30 ℃，降雨量450～1 127 mm，降雨量的90%集中在每年5月～9月。因特殊的地質條件和區域環境，容易發生突發性崩塌、滑坡、泥石流、危巖落石、洪水、雷爆等地質災害；受全球氣候變暖的宏觀影響，川藏沿線在氣溫回升時候易發生突發性濕雪崩災害；同時，氣溫較低、季風較大和連續降雪量大月份的時候，川藏沿線易發生突發性干雪崩等自然災害。

(3)隧道施工中遭遇的地質災害風險程度高

隧道工程是某高原鐵路建設的重點工程，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。

①準確獲取地質信息困難

因隧道埋深大，所處地區人跡罕至，環境惡劣，地勘條件極差，導致準確獲取地質信息困難。施工過程中可能造成TBM卡機、姿態失控、塌方、人員及設備損傷等重大工程事故。

②嚴重軟巖大變形和深大斷層破碎帶的風險

鐵路線位途經歐亞板塊與印度洋板塊碰撞隆升形成的板塊縫合帶，構造地質作用強烈，深埋長大隧道的高地應力大變形及穿越深大斷層破碎帶問題突出。軟巖大變形引起初支變形，直接抱死刀盤、護盾，造成后配套通過困難；斷層破碎帶易造成突泥涌水、大塌方，風險高，造成TBM被卡，卡機事故處理難度大，將造成工期極大的延誤。

③強烈巖爆的風險

深埋長大隧道的高地應力巖爆問題突出。強烈或極強巖爆可能導致設備報廢、人員傷亡等重大工程損失。

④反坡掘進突泥涌水風險

該鐵路線路大部分隧道為大坡度單面坡隧道，反坡掘進問題突出；同時穿越深大斷裂分布廣泛，突泥涌水風險高。大面積淋水會惡化洞內環境，降低作業效率，突泥涌水可能導致施工設備被淹被埋及人員傷亡，風險極高。

⑤高地溫與高溫水風險

該鐵路高地熱和高溫水風險高，預計有15個隧道可能存在高溫熱害。高地溫與高溫水惡化洞內人員作業環境，導致設備過熱無法正常工作，貫入度、掘進速度極低，刀具磨耗數量、成本急劇增加，換刀次數和換刀時間嚴重增加，縮短主軸承的使用壽命，工期、成本大幅度增加。

1.2 橋隧工程對施工工期的影響

(1)橋隧比例高，作為控制性工程的隧道，其順利貫通對總工期的保障起著至關重要的作用。橋隧總長958.09 km，橋隧比為94.76%，其中，新建橋梁89座，共計119.84 km，占線路長度比例為11.85%；新建隧道72座，共計838.25 km，占線路長度比例為82.91%。

(2)隧道工程施工難點多。超長隧道占比高，全線超過15 km隧道23座，超過20 km隧道16座，超過30 km隧道6座，極大地增加了設計、施工難度。

(3)橋梁工程施工難度大。

橋位多地處溝谷地形，橋位處坡陡谷深，既有運輸道路狹窄，轉彎半徑小，大型施工設備、橋梁構件運輸困難，施工難度大；橋梁墩臺位于山坡上，地形變化多樣，地表構造松散，巖堆及危巖落石等不良地質發育，地質災害較多，施工道路只能單頭掘進，無法多面作業，且土石方開挖量大，防護工程數量大，排水涵洞工程數量較多，施工難度較大、工期較長；橋梁墩臺(拱座)處坡體較陡，可利用的作業平臺和操作空間極其有限，且施工區域集中在橋兩岸邊跨側，另隧道施工還需操作空間，各項工作干擾大，施工效率低。

1.3 高原氣候對施工工期的影響

(1)高原氣候的主要特點是低氣壓、低含氧、高寒、大風。一方面，施工人員在高原氣候操作時，因含氧量低，勞動強度不能過大，勞動效率大幅降低，直接影響施工工效。按照有關職業作息時間的規定，高原每天工作時間為6 h，正常環境下8 h，按此折算施工工效降低至75%；另一方面，大風天氣時間長，裝吊作業受其影響較大，超過六級風速時，一般都要禁止作業，有些橋位大風天氣占全年的1/3以上，有效作業時間受限制。

(2)內燃機械受環境影響敏感程度高，隨著海拔高度的增加，大氣壓強降低，空氣密度減小，空氣中的含氧量也在減少，對于自然吸氣型內燃機，海拔高度每上升1 000 m，其功率、扭矩下降8%～13%、油耗上升6%～9%、熱強度增加2%～5%，當海拔高度上升至3 400 m時其功率降低至65%左右。

(3)海拔高度超過3 000 m的地區，每年11月初至次年3月初氣溫均較低，極端溫度達到-20 ℃。考慮冬季氣溫很低，對混凝土等工程施工質量影響很大，加上沿線道路遇冰雪天氣運輸困難、施工效率極低，該地區一般在每年11月1日至次年3月1日為冬休時間，時間達4個月。

1.4 脆弱的生態環境對施工工期的影響

鐵路所經地區環境敏感、生態脆弱，途經“青藏高原生態屏障”和“黃土高原-川滇生態屏障”兩大國家生態安全屏障，沿線分布有原始森林、高原草甸、高原濕地、干旱河谷等多種敏感生態系統，涉及國家級自然保護區等生態環境敏感區20余處[10]，雖然隧道工程可大幅減少對地面生態環境的干擾和影響，但工程棄渣量超過1億m3，棄渣場的選址極其困難，環境保護和水土保持任務艱巨。同時因工程位于高原，生態脆弱，環保要求高，臨時征地(項目駐地、施工道路及棄渣場等)審批周期較長，可能會影響工期。

1.5 大型臨時工程對施工工期的影響

鐵路沿線基礎設施薄弱，公路交通等級較低，鋼材、水泥等建筑材料匱乏，既有道路運輸能力不足，建設期間的物流組織非常困難，同時電網覆蓋、外部電源薄弱，諸多區域無通信公網覆蓋，建設管理及后期保障難度極大。

(1)鐵路沿線公路交通以國道G318、G317及省道S215、S217、S501為骨架，僅有少量鄉村公路與國省道相連，多數道路無法滿足TBM等大型施工機械設備的運輸要求，同時大量重、難點控制工程遠離既有道路，又缺少設置輔助作業面的條件。

(2)鐵路施工供電負荷大，外部電源條件差，通信基礎設施缺乏，需補強加密電網覆蓋、外部電源、通信基站等才能滿足施工要求。

(3)鐵路工程區域主要江河分布在低海拔部位，高海拔部位水資源缺乏。工程線路長，線形工程用水點分散，水源點可能距離用水點遠、提水揚程高。某高原鐵路主要經過高寒低溫地區，泵站、水池及管道極易發生凍死或爆裂，需要采取保溫和防凍措施。該高原鐵路隧道工程占比較大，施工供水比較集中。

(4)該高原鐵路地處高寒低溫區域，氣候寒冷。工程所經過地區多為高山峽谷，經濟欠發達、人煙稀少；區域具有地勢起伏大，平坦區域少，不良地質較多、地質災害頻發，沿線生態脆弱、環境敏感、環保要求高等特點，適宜項目的砂石料加工廠、拌和站等選址困難。

1.6 施工資源匱乏對施工工期的影響

該鐵路所在地區經濟發展普遍比較落后，施工區域水泥、鋼材、鋼梁、索鞍、主纜等主要物資均很匱乏，為滿足施工需要均須從內地生產、制作、購置，部分資源存在短期內使用量集中等特點，如水泥；部分資源存在著運輸尺寸、質量超標等特點，如鋼梁、索鞍、主纜等。所有物資供應均存在著運輸距離遠、道路狀況較差，途中遇堵車、道路改造施工、道路山洪災害、山體滑坡、冰雪災害等風險，以上均對施工工期造成不同程度的影響。

2 工期指標確定原則

鐵總建設﹝2018﹞94號文《鐵路工程施工組織設計規范》[13]中規定：規范工期參考指標已綜合考慮了正常的設備檢修、工序間的合理間歇等影響因素，使用時不再調整。但上述規范未考慮營業線施工干擾及要點封鎖線路施工、風沙、高原、海洋、原始森林等特殊氣候和施工條件等因素對人工、機械降效或停工的影響，使用時尚應根據建設項目所處地區實際情況和施工條件另行分析。高風險工程應在制定風險預案的前提下，根據工程實際情況和施工條件，在本規范基礎上另行分析確定工期指標。

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1 000 m以上，我國工程機械高原適應性研究定義為2 000 m以上。

該鐵路建設環境極端困難，人工和施工機具都存在一定的工效降低。(國鐵科法﹝2017﹞30號文[11]、﹝2017﹞31號文[12])《鐵路概預算編制辦法》中明確了高原地區不同海拔施工定額增加幅度，某高原鐵路平均海拔3 800 m，相應工天定額增加22%，施工機具臺班定額增加34%。同時，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1 000 m，其功率下降10%。但考慮到高原鐵路隧道工程比重大，高海拔線位隧道主要采用電力驅動的大型機械化配套設備施工，施工機械設備功效的降低主要是由操作人員的降效引起，因此施工降效系數按工日降效22%考慮。

按照有關職業作息時間的規定，高原每天工作時間為6 h，正常環境下8 h，按此折算施工工效降低系數為25%。

綜合上述分析，并通過調研拉林、成蘭等鐵路工程現場施工進度，進度指標可考慮在鐵總建設﹝2018﹞94號文《鐵路工程施工組織設計規范》[13]規定的基礎上，按20%～25%進行降效。同時因“高原氣候、區域特點、施工資源匱乏、地形地貌”等特殊因素對施工工期的影響以及某高原鐵路的地質復雜情況，各種不可預見的地質災害隨時可能發生，造成局部工程反復或者臨時道路阻斷等，各關鍵工序指標可適當考慮1.1～1.2的調整系數，以確保全線工期更符合實際。

3 高原鐵路隧道工期指標

某高原鐵路隧道比重大，通過調研拉林鐵路[14]、成蘭鐵路[15]、玉磨鐵路[16]、大瑞鐵路高黎貢山隧道[17]，建成的蘭渝鐵路[18]、西成高鐵[19]，黔張常鐵路[10]、敦格鐵路當金山隧道[20]，收集現場數據作為該高原鐵路隧道工程工期指標確定的參照，調研分析后的隧道工程施工進度指標如表1、表2所示。

表1 調研分析后的某高原鐵路隧道工程施工進度指標匯總(鉆爆法) m

表2 調研分析后的某高原鐵路隧道工程施工進度指標匯總(TBM) m

4 高原鐵路施工工期

高原鐵路控制性工期工程為隧道工程(關鍵線路隧道工期97個月)，按初步施組安排，綜合鋪軌、站后、聯調聯試及運行試驗等進度安排(關鍵線路工期19個月)，全線總工期在不考慮上述不可預見的風險因素情況下約10年(含準備工作、大臨工程)。

但由于某高原鐵路復雜性及特殊性，存在大量工期風險因素。除上述影響因素外，全線5座重難點隧道擬采用TBM法施工。大規模采用TBM法施工，存在設備被卡、損壞、工效低下等問題，對總工期影響較大。同時，工程所在位置涉及到的征地拆遷、三電遷改、國家電網的布設都是影響工程能否順利開工的前提條件。

綜合考慮上述因素的影響，總工期計算時應適當留有余地，按照施工組織安排，總工期應考慮適度的調整系數，總工期按10～12年控制是較為合理的。

5 施工工期風險的防范措施

(1)針對高原施工工人工作效率降低，應充分保證有效作業時間，降低施工人員的勞動強度；為施工人員提供完善的職業健康保障；盡量使用身體健康的中青年工人。除滿足上述條件下，內地作業人員仍不宜長期在高原地區施工，需定期輪換，因此人員對環境和作業內容需要一定的適應期。

(2)針對高原施工機械設備工作效率降低，應適時掌握天氣變化情況，合理安排施工工序，盡可能地充分使用機械設備。在條件允許的情況下，選用高原設備。為保證設備和機具正常運轉并發揮最大性能，通過空氣增壓等特殊改造，提高內燃機械設備功效，滿足高原、高寒施工需求。

(3)針對隧道工程鉆爆法機械化配套，遵循以“分級配置、少人化、保證施工質量和安全必配、減輕勞動強度和有利提高功效、有利平行作業”為配套原則。大型機械化施工控制工期的隧道工區，采用大型機械化配套；長度>2 km的隧道，正洞及輔助坑道洞口海拔在3 000 m以上的工區，采用大型機械化配套。

2.Ⅲ級圍巖，強烈巖爆段取低值，一般段及輕微巖爆段取高值，中等巖爆段介于高值與低值之間(施工正洞段90 m/月，平導橫洞斜井自身成洞段120 m/月)；

3.Ⅳ級圍巖，中等大變形段取低值，一般段及輕微大變形段取高值；

4.V級圍巖，一般段、輕微大變形段及中等大變形段取高值，嚴重大變形段介于高值與低值之間(施工正洞段35 m/月，平導橫洞斜井自身成洞段45 m/月)；

5.超前周邊注漿段和高水溫段，取V級圍巖段低值；

6.作業環境溫度高于37 ℃的高溫段，進度指標按表1對應段落乘以0.85考慮。

(4)針對冬季施工，應合理安排組織施工，對冬季施工影響較大的混凝土工程，盡可能地安排在氣溫較高時施工，冬季則開展施工準備工作，同時要保證施工道路暢通及物資儲備充分。

(5)針對施工期間大批量使用的水泥、鋼材等大宗建設物資運輸及儲備，為保證遠距離運輸供應，可根據需要設置材料集中存儲轉運場，將水泥等材料大量提前存儲在項目附近區域。對于超尺寸、超重物資的運輸，需加強與運管部門溝通，請其協助超尺寸、超重物資的運輸安全。對運輸道路情況實時掌控，調整運輸路線。

(6)針對影響工程建設的施工道路、臨時電力工程等大型臨時工程，建議應提前實施；針對建設場地有限、大臨工程選址困難等問題，應結合設計文件，合理組織現場踏勘及施工安排，充分規劃好、使用好作業空間。

(7)針對準確獲取地質信息困難，應以洞內超前探測為主，建立不良地質預警系統，長短結合，優勢互補，集成應用多種物探、鉆探技術系統。鉆爆法施工過程中，超前地質預報應采用較為成熟的預報方法，必要時適當采用新技術、新方法。TBM施工過程中，由于施工環境的限制，鉆爆法施工中常用的預報方法難以高效開展。結合大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM掘進段超前預報物探法措施，優先選擇TBM搭載式的彈性波反射法、激發極化法等。

(8)針對軟巖大變形，應遵循“優化輪廓、主動加固、分級控制、強化支護”的基本原則，遵循“快開挖、快支護、快封閉”的理念。機械化配套技術是實現施工“快”的基礎，軟巖大變形段應結合環境條件和作業要求配備自動化程度高的施工機械設備，提高施工效率，降低勞動強度，保證施工質量。對采用TBM施作的隧道，合理選擇TBM型式，預留TBM擴挖設計，以應對大變形；在主機前部區域設置超前支護加固設備；若加固后仍然無法通過，可考慮人工處理，步進通過。

(9)針對強烈巖爆的風險，應遵循“預警先行、主動控制、多機少人、保證安全”的原則，合理選型，采取加強巖爆超前地質預報預測檢測、快速施作錨噴支護，配置足夠的超前鉆孔和超前支護的設備，用以釋放應力加強支護，同時輔以加強光爆效果、噴灑高壓水，加強對人員設備和防護等措施進行綜合防治。

(10)針對高地溫與高溫水風險，遵循“加強地質預報，熱害分級防控，綜合降溫配套，合理適配材料，強化勞動保障”的基本原則，加大送風量，配備制冷裝置，同時應充分考慮施工機械設備電氣、液壓系統受高地熱的影響。

(11)針對反坡掘進突泥涌水風險，應遵循“超前探水、先探后掘、以堵為主、堵排結合、注漿加固、超前支護”的設計原則，設置配備超前探水設備，反坡施工應考慮足夠的排水設備，采用“排水+堵水”相結合的技術方案。

6 結論與建議

(1)某高原鐵路設計施工中應充分考慮高原氣候、區域特點、施工資源匱乏、沿線復雜的地形地貌特征及地質條件對施工工期的影響。

(2)在鐵總建設﹝2018﹞94號文施工工期指標的基礎上，建議工期指標按20%～25%降效，同時各關鍵施工工序工期參考指標可適當考慮1.1～1.2的調整系數，以確保全線工期更符合實際。

(3)高原鐵路隧道斷面形式種類多，施工工法采用基本機械化、高度機械化配套施工，TBM法施工，根據調研在建、已建成的山區鐵路施工進度，提出適用于該高原鐵路的隧道工程進度指標，指導高原鐵路設計施工。

(4)高原鐵路建設影響工期的因素眾多，應做好針對高原氣候、不良地質等風險因素的施工工期風險的預防措施及應急預案，保證鐵路建設順利推進。

(5)考慮到極其復雜的地形地質條件，建設存在不確定性因素較多，某高原鐵路總工期建議按10～12年控制。