公路軟巖隧道施工成本控制研究

摘要：隨著公路交通工程建設標準的提高，隧道工程在公路建設項目中占比越來越高，其中軟巖隧道的比重較高。軟巖隧道地質條件差，施工進度緩慢，易發生塌方、施工變形，造成施工成本增加。本文對軟巖隧道施工成本影響因素進行分析研究，提出控制施工成本的管理和技術措施。

關鍵詞：軟巖隧道；施工成本；成本控制

一、軟巖隧道施工特點

軟巖可分為膨脹性軟巖、高應力軟巖、節理性軟巖、復合型軟巖等四大類別，其主要特性有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性、易擾動性。軟巖的上述特性造成隧道施工存在如下問題，導致隧道掌子面坍塌、初支變形侵限。

（1）隧道開挖后，在地應力和水的作用下，巖石結構發生變化，強度大幅降低，產生較大的可塑性，自穩能力降低。

（2）隧道開挖后，軟巖在空氣、應力的作用下產生鱗片狀解體，造成圍巖失穩坍塌。

（3）隧道開挖支護后，周邊圍巖約束力發生改變，產生體積膨脹，造成初支變形。

（4）隧道初期支護后，圍巖變形時間長、變形量大，易造成初支結構破壞，初支侵入二襯限界。

（5）隧道圍巖抗擾動能力差，施工震動、地下水侵蝕、暴露風化等因素易造成圍巖失穩坍塌。

鑒于軟巖隧道易坍塌、易變形的工程特性，軟巖隧道施工應遵循“管超前、小斷面、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”的原則。施工單位采用超前注漿小導管或管棚超前支護；采取臺階法、中隔壁法、交叉中隔壁法、側壁導坑法等小斷面分部開挖方法，每循環開挖1～2榀鋼架間距；開挖后及時按設計要求進行初期支護；加強監控量測，根據監測結果動態調整預留變形量和支護參數；縮短仰拱、二襯與掌子面的距離，初支、襯砌盡早封閉成環。

二、軟巖隧道施工成本超支原因

軟巖隧道的圍巖特點和施工方法決定了其施工成本高、管理難度大，具體而言，主要體現在以下五個方面：

（1）短進尺、小斷面開挖，施工進度較緩慢，單位工程量人工、機械費用較高。

（2）開挖時超挖控制難度大，超挖量大導致初支噴射混凝土超耗嚴重并且噴射作業時間長，人工、機械、材料費用均超支。

（3）因圍巖自穩性差、變形量大，施工中易出現掌子面塌方、初支變形侵限等問題，處理塌方、變形所需時間較長，期間大量人員、設備窩工。

（4）軟巖隧道一般開挖預留變形量較大，如果實際變形量小于預留變形量，則將造成二襯混凝土材料超耗。

（5）施工工期長，通風、照明、排水等用電費用增加。

三、軟巖隧道施工成本控制措施

（一）超挖控制措施

1.規范超前小導管施工

軟巖隧道常采用注漿小導管作為超前支護手段。超前小導管一端與已施作的鋼拱架連接，另一端插入未開挖穩定巖體，對拱部開挖臨空的巖體形成支撐，通過管內注漿向周邊擴散，對拱部圍巖進行固結，增強松散軟弱圍巖的穩定性，使開挖后圍巖不至于在初期支護施作前發生失穩破壞甚至坍塌。

在實際施工中，為了節約時間和材料，施工單位往往忽視超前小導管注漿質量，注漿壓力、注漿量不符合要求甚至不注漿。當拱部圍巖比較松散破碎時，因圍巖未能得到有效固結，開挖后容易出現大量拱頂掉渣，造成嚴重的超挖，甚至可能因掉渣形成圍巖應力集中而導致塌方。因此，軟巖隧道超前小導管應嚴格保證注漿質量，在拱部形成有效的固結圈，不但可以大幅減少超挖量，而且能有效預防塌方。

為了便于施工，一般在型鋼拱架腹板上割孔，從孔內打設超前小導管，超前小導管打設時需有一定的外插角，保證小導管從下一榀鋼拱架上方穿過。施工時應嚴格控制外插角角度：一是防止外插角過小侵界，造成下一榀鋼拱架無法安裝到位；二是防止外插角過大，開挖時小導管下方巖體掉落而引起超挖。

2.采用光面爆破工藝

以往軟巖隧道采用爆破法開挖時，因對炮孔半孔率無要求，常有施工班組為了節約火工品成本、加快裝藥速度，周邊眼與其他炮眼一樣實施連續裝藥、導爆管雷管起爆，造成爆破后超欠挖大、開挖線參差不齊，受力結構及穩定性差，并且周邊眼連續裝藥爆破對輪廓線外圍巖擾動較大，產生裂隙較多，從而影響圍巖穩定性。

采取間隔裝藥、導爆索起爆的光面爆破工藝，周邊眼爆破能分布較均勻，能夠有效減少超欠挖，使隧道周邊形成規則的拱形輪廓線，提高圍巖的自穩性。

3.邊墻超挖控制措施

軟巖隧道通常采用三臺階開挖工藝，在中臺階開挖時，因中臺階環向一般呈倒弧形且設計上無圍巖防護措施，容易發生崩落、垮塌，造成超挖。其主要解決措施有以下三點：

（1）嚴格控制開挖進尺，每次開挖支護不超過兩榀鋼架間距。

（2）在中臺階環向增設超前小導管或超前錨桿，對開挖臨空面形成一定支護。

（3）分層開挖，分層初噴封閉。適時調整中臺階開挖時機，利用上臺階噴射混凝土作業時開挖中臺階，邊開挖邊采用噴射混凝土對巖面進行初噴封閉。

（二）塌方、初支侵限預防措施

1.塌方預防措施

除超前小導管注漿和光面爆破能有效預防塌方外，軟巖隧道施工還應做好如下塌方預防措施：

（1）重視超前地質預報工作，靈活利用TSP、地質雷達、地質鉆探、超深炮孔等多種超前地質預報手段，探明掌子面前方圍巖破碎狀態、地下水分布情況，結合掌子面揭示的圍巖巖性、裂隙、走向，合理確定每循環開挖進尺、分部開挖方法及初期支護參數。同時，可在開挖過程中根據炮孔鉆進情況對圍巖軟硬破碎情況進行判斷，適時調整當班開挖作業的進尺。

（2）裂隙發育的巖體中常常富含裂隙水，開挖后出現涌水，容易引起塌方。可以從掌子面打設長尺或短尺排水孔進行預排放，減少前方巖體內含水量，降低開挖后涌水引發塌方的風險。軟巖隧道施工現場應常備一臺液壓潛孔鉆機、若干管棚材料，在作業班組中配備幾名能操作鉆機的人員，在需要進行超前排水或施工洞內超前管棚時，能夠立即開展施工，減少工期延誤及人員設備窩工損失。

（3）為了防止圍巖因松動、掉塊、風化引起塌方，開挖后應立即初噴混凝土對圍巖進行封閉，初噴后再打設錨桿、架立鋼架、復噴混凝土至設計厚度。

2.初支侵限預防措施

軟巖隧道圍巖自穩性差、承載力低，采取分部開挖時對初支結構擾動次數多，初支結構閉合成環所需時間較長，初支變形量大、持續時間長。其主要表現為噴混凝土開裂剝落、鋼拱架扭曲等，可能造成初支侵入二襯限界甚至初支坍塌，對隧道施工安全和施工進度產生嚴重影響。根據隧道初支變形原因，結合大量工程實踐經驗，可采取如下措施預防初支變形侵限：

（1）適當加大初支鋼架型號，縮小鋼架間距，提高初支結構承載能力。

（2）采用臺階法施工時，在滿足作業空間的條件下，盡量縮短臺階長度，減少初支結構開口暴露時間，盡早封閉成環，形成閉合穩定受力結構。軟巖變形段落上臺階長度一般控制為3～5m，中臺階長度一般控制為15～20m，同一斷面從上臺階開挖至仰拱閉合成環時間盡量控制在20天以內。

（3）加大開挖預留變形量，大變形段落可以將預留變形量提高至30～50cm。但初支過大的變形將導致結構破壞失效，預留變形量不宜過大。

（4）采用三臺階施工時，在中臺階增設臨時仰拱，并對兩側拱腳圍巖采用小導管或大鋼管鎖腳注漿加固，提高地基承載力和初支結構穩定性，可以有效控制初支變形。

（5）對于特別軟弱的大變形地，段初期支護可采用雙層拱架支護方式，即兩層型鋼拱架、兩層噴射混凝土，分兩次進行支護。先施作第一層拱架及噴射混凝土，讓圍巖發生一定變形，釋放部分壓力，然后施作第二層拱架及噴射混凝土，增加支護強度，控制最終變形量，防止初支侵限。經大量的工程實踐，該支護方式在控制初支變形方面有良好效果。

（6）加強初支質量控制，初期支護施工質量缺陷往往是造成初支大變形的重要原因。在施工過程中，首先，應嚴格按照設計、規范要求控制拱架間距和垂直度，保證拱架線型順適、連接螺栓緊固，當上臺階拱腳收斂變形較大時，施工中臺階時為保證中、上臺階拱架能夠順利連接，應對變形較大的拱架進行校正或拆換處理。其次，每個臺階的鋼架拱腳應落在堅實地基上或采用墊板（墊塊）墊實，初支變形較大的地段，應加大墊板面積、增加墊板剛度，以墊板的反力來約束限制變形。再次，嚴格按照設計要求施工徑向錨桿和鎖腳錨桿，特別是錨桿的錨固必須可靠有效，錨固力符合要求，墊板與巖面緊貼或錨桿與鋼架焊接牢固。最后，噴射混凝土飽滿平整，背后不留空洞，防止空洞處初支應力集中產生變形。

（三）二襯混凝土超耗控制措施

隧道施工中二襯混凝土超耗問題大部分是由二襯厚度超厚造成的。二襯厚度超厚的原因：一是開挖測量及初支拱架安裝不準確，初支后凈空斷面偏大；二是初支實際變形量小于預留變形量，其剩余空間需用二襯混凝土填補。

軟巖隧道一般初支變形量較大，并且可能存在變形不均勻的現象，嚴格、科學設置預留變形量，使預留變形量盡可能接近實際變形量，否則將導致初支侵限或二襯大幅超厚。

隧道在進行開挖及支護施工完成后，需要對隧道進行拱頂沉降及凈空收斂監控，根據監控量測結果優化調整初期支護的支護參數、預留沉降量，以保證現場施工質量、安全。軟巖隧道一般每5m布設一個監測斷面，每個斷面設置一個拱頂下沉監測點，4個水平收斂監測點。當隧道變形較大或較復雜時，監測斷面距離應加密至2～3m。

為了更加準確科學地總結隧道圍巖變形規律，軟巖隧道施工應適當加大監測頻率，延長監測時間。根據監測數據繪制拱頂沉降曲線和凈空收斂曲線，以此作為初期支護參數調整和預留變形量設置的依據。當隧道周邊各部位變形量差異較大時，施工時應適當調整開挖尺寸，調整初支拱架高度及水平位置，在隧道環向不均勻地設置預留變形量，確保圍巖變形基本穩定時，初支凈空限界尺寸基本一致，不至于二襯局部嚴重超厚。

（四）人工成本控制措施

軟巖隧道施工月進尺約為30～50m，地質條件差的月進尺甚至只有10～20m，施工強度均衡性較差，且經常會穿插塌方處置、變形處置等計劃外工作內容，因此，勞務班組不適宜采用計件工資，一般實行固定工資或保底工資＋加班工資的制度。軟巖隧道施工進度慢、施工難度大及采用非計件工資制度，提高了項目人工成本控制的難度，施工單位需要采取更加深入、細致、有針對性的管理措施，才能將人工成本控制在合理范圍內。

首先，軟巖隧道施工難度大、成本高、作業人員流動性大，分包隊伍惡意停工、要求調整單價、退場等問題層出不窮，往往給施工單位造成巨大的經濟和信譽損失。為避免或減少這些問題的發生，施工單位宜采取小班組勞務分包模式，將隧道施工勞務按工序分為開挖、支護、二襯、輔助等小班組，各自簽訂分包勞務合同。

其次，施工人員工資水平逐年攀升，為了控制隧道施工人工成本，應優化施工工藝、設備，提高隧道施工機械化率，長大隧道應積極推行使用鑿巖臺車、濕噴機械手、立架臺車、自動防水板臺車的先進設備，減少作業人員的數量，減少人工成本支出。

最后，應加強施工現場組織管理，特別是開挖支護工序轉換時的銜接問題，力爭做到無縫銜接，在上個工序完成前盡量完成下個工序的人員、機具準備工作，減少時間浪費，提高生產效率。

（五）機械成本控制措施

在隧道施工中常用大型機械設備主要有挖掘機、裝載機、自卸汽車、混凝土罐車等，一個洞口至少備配1臺挖掘機、1臺裝載機、3臺自卸汽車、2臺混凝土罐車。如果使用租賃設備，每年租賃費用非常高。在軟巖隧道施工中，特別是長、特長軟巖隧道，一般施工工期較長，為降低機械使用成本，盡量使用自有設備或購置新設備。隧道施工中挖掘機、裝載機使用頻率高，一般無替換設備，一旦發生故障，開挖支護將無法作業，造成大量人員和設備窩工。因此，挖掘機、裝載機應選用質量可靠、成色較新的設備，可以降低故障率，同時施工現場應儲備一定量的易損件備件，配備一名能夠完成一般維修的修理人員，發生故障時盡快完成搶修，減少停工造成的損失。

在機械管理工作中，空壓機與通風設備管理較為關鍵。工程開工前，施工單位應該嚴格管理設備的使用情況。空壓機和通風機每臺功率達100kW，是隧道施工用電較高的主要設備。施工單位應安排專人管控空壓機和通風設備的開關，在作業面不需要使用時及時關閉，減少用電量。在保證隧道內的空氣氧質量濃度、有害氣體質量濃度符合標準的前提下，為降低通風機負荷，減少用電量，可以采用移動式霧炮機噴霧輔助降塵。

四、結語

公路軟巖隧道施工工期長、材料易超耗、人員設備窩工問題突出，成本控制難度較普通隧道大幅增加，施工單位需要根據軟巖隧道施工特點及成本控制難點，從施工準備階段開始至施工結束的全過程中，采取有針對性的管理措施、技術措施，全方位地控制人工、機械、材料成本，減少不必要的工期損失，最大限度地控制施工成本。

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作者簡介：朱嘯宇（1981年），男，四川省西充縣人，本科，高級工程師，研究方向為公路市政工程施工管理。