鐵路隧道機械化配套應用與施工探討

（中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

近年來我國鐵路隧道建設快速發展，截至2019 年底，中國鐵路營運里程達到13.9 萬km，投入運營的鐵路隧道16 084 座，總長度18 041km，其中2019 年新增開通運營線路鐵路隧道967 座，總長1 710km[1]。為了加快施工進度，提高隧道施工質量和安全性，減輕作業人員的勞動強度，滿足日益緊張的人力需求，鐵路長大隧道機械化配套和施工技術被廣泛采用，但是在應用中，如何做到設備合理配置、科學使用，發揮最佳效能；在管理制度、標準規范、預算定額等政策層面上如何做到科學合理、相輔相成，仍然是擺在我們面前的一大課題。

1 工程概況

以某350km/h 高速鐵路項目為例，標段正線長約34km，其中隧道約占標段總長度的88%，為單洞雙線設計，其余為橋梁和路基。在隧道工程中，Ⅲ級圍巖占30%，Ⅳ級圍巖占54%，Ⅴ級圍巖占16%。標段的控制性工程是一座長約15km的隧道，標段總建設工期為70 個月。

1.1 隧道施工設計理念

隧道施工以“新奧法”原理為基礎，以掌子面穩定性控制、洞身圍巖穩定性控制、掌子面及洞身支護作用為核心，充分發揮圍巖自承能力。利用機械化全斷面開挖減小對圍巖擾動，通過及時支護、快速封閉，及時約束圍巖的變形，減小圍巖擾動范圍，實現支護結構承擔的荷載由松動荷載變為形變荷載。

1.2 隧道施工配套的工藝工法

本工程以隧道施工為關鍵線路，按照3 種類型組織施工：I 級機械化全斷面開挖、II 級機械化大斷面開挖和II 級機械化臺階法開挖。隧道機械化施工工法主要采用全斷面（帶仰拱）工法、大斷面（不帶仰拱）工法和微臺階工法3 種。3 種工法的適用分析如表1 所示，3 種工法施工現場如圖1 所示。

表1 機械化工法適用分析

配套的創新工藝有：超欠挖控制工藝、漲殼式中空注漿錨桿施工工藝、高壓劈裂注漿加固工藝、早強噴射砼工藝、橋模一體自行式仰拱棧橋施工工藝、防水板鋪掛臺車自動鋪設工藝及襯砌分層逐窗澆筑工藝。

圖1 3種工法施工現場

1.3 I級機械化施工進度

隧道采用I 級機械化施工，根據機械化配套設備性能，單作業面綜合平均月進尺133m；其中Ⅲ級圍巖平均月進尺141m，Ⅳ級圍巖平均月進尺92m，Ⅴ級圍巖平均月進尺58m。

1.4 I級機械化設備配置

I 級機械化共分為10 條作業線，設備配置情況如表2 所示。

2 成套機械化施工的影響因素分析

鐵路隧道機械化施工可以提高隧道施工的進度和質量，理應得到全面的推廣應用，但是近年來出現的新情況和新問題，導致隧道機械化施工進度、功效和效益出現較大偏差，推廣應用舉步維艱。通過在建項目分析發現，以下影響因素較大制約著機械化施工的進步和應用。

2.1 隧道定額水平與實際相差較大

1）隧道施工作業環境惡劣，風險相對較高，對施工作業的技術工人要求比較高，相應的人工單價也相對較高。但最新調整的2017 年31 號文隧道工日定額也只有82 元/工日，而市場上隧道工費標準平均在200～300 元/工日，臺車司鉆工和混凝土噴射手等主要大機設備操作手的平均工費在400～600 元/工日，導致工程概預算工費遠低于市場成本價。

2）現行機械化配套定額價格水平低，造價標準沒能及時補充完善。如對某鐵路線隧道機械化配套費用分析顯示，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖I 級機械化施工實際成本分別高于現行定額預算價10.3%、5.2%、7.1%。以本項目為例，鐵路線隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖I 級機械化施工實際成本分別高于現行定額預算價5.7%、14.5%、19.4% 。

3）鐵路隧道工程預算定額自2004 年47 號文實施以來，經過2010 年223 號、2017 年33 號文的兩次修訂以后，在“機械化換人、自動化減人”理念的支持下，人工消耗量大幅壓減，人工費大幅降低，已經脫離市場實際，雖然機械費有所上升，但是人機費合計整體還是下降了約10%。

4）間接費和措施費費率也不斷下調，從2004 年以來的47 號文、223 號文和33 號文三版定額水平看，鐵路隧道工程間接費和措施費費率整體下降了13.8%，與同時期公路隧道工程間接費和措施費費率相比低約30%，而工地現場實際發生的間接費和措施費日益增長卻是顯而易見的。

2.2 安全步距制約著鑿巖臺車效率的發揮

施工中統一的安全步距要求，沒有考慮隧道地質的不可預見性，本身就不是十分的科學合理，因此，國家鐵路局已經廢止了120 號文，但部分建設單位又制定了自己的安全步距，并作為管控重點。鑿巖臺車是I 級機械化施工中的主要配套設備，其在Ⅱ、Ⅲ級圍巖下的開挖能力能夠達到每月300m 甚至更高，但受步距影響，實際僅能達到一半的進度。

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2.3 質量驗收標準的變化導致成本增加

隧道襯砌厚度不允許有負的施工誤差，為了規避“紅線”風險，隧道現場施工普遍采用的策略是主動超挖，寧超勿欠。I 級機械化采用鑿巖臺車開挖，受臺車鉆臂外插角（2°～5°）[2]、初支端頭至掌子面的長度、開挖進尺等因素的影響，形成超挖，同時超挖部分還需要用大量的噴射混凝土和二襯混凝土回填，造成嚴重的超耗，導致成本增加。近年來數據統計顯示，噴射混凝土超耗率在143%～230%，富水區域超耗率在350%～550%。

表2 I級機械化設備配置表

2.4 機械化成套設備投入產出不成比例

機械化施工成套設備投入大，鐵路隧道機械費用預算普遍偏低。以本項目為例，I 級機械化施工單作業面成套設備配置原值約4 318 萬元，比工程合同內的機械費增加約2 214 萬元；II 級機械化施工單作業面成套設備配置原值約1 236 萬元，比工程合同內的機械費增加約180 萬元；I 級機械化成套設備投入大約是II 級的3.5 倍。與工程合同價格相比，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，I 級機械化配套每延米施工成本分別高出2.6%、11.1%和15.8%。

不同的配套級別，其施工成本也是不一樣的，經現場數據對比分析，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，I 級機械化配套每延米施工成本分別高于II 級配套12%、14.7%和12.3%。

另外，I 級機械化配套作業最適應于連續的II、Ⅲ級圍巖全斷面施工，然而由于隧道地質千差萬別，頻繁變化的圍巖級別導致I 級機械化配套的效率不能充分發揮，造成嚴重窩工，以本項目為例，項目圍巖級別多為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，設備功效只能發揮到50%～70%之間，與人工開挖進度相差無幾，設備投入與產出嚴重失衡。

2.5 部分工序不配套

目前，隧道施工中的裝藥工序仍然由人工完成，時間較長，且炸藥單耗多，在機械化施工中仍是一個短板，需要研制配套的裝藥臺車和使用新型炸藥來解決。

2.6 設備操作維保成本增加

機械化配套施工使用的專用設備多，要求設備操作和維保人員具備較高的技術水平和專業素養，僅僅依靠設備廠家提供的售后技術服務和培訓服務是遠遠不夠的，這就要求施工單位對全電腦鑿巖臺車、濕噴機械手、鉆錨注一體臺車等作業人員進行長期的、持續的培訓，而且由于隧道施工條件差，多種原因造成設備作業人員流動大，作業培訓和人員流失無疑將產生較大的費用。

3 對機械化施工的建議

以鑿巖臺車、混凝土濕噴機械手和自行式仰拱棧橋為主要配套設備的隧道機械化施工的本質是安全高效，比傳統的以人工為主的隧道施工方式有著顯著優勢，同時機械化作業可以有效降低勞動強度，保護勞動者的健康，符合國家對建設高素質產業工人的倡導[3～4]。但在以下方面還需要完善和配套。

3.1 在政策方面

1）規范配套 因機械化施工設備配置種類多、占用空間大以及相互間配套不成熟，與現行的設計規范、施工規范以及驗收標準等不相適應，各級規范和檢查條款一定程度上制約了機械化施工的正常進行，無法實現與工法相適應的快速施工，需探討與之配套的相關規范規則的適應性問題。

2）定額匹配 建筑市場沒有針對機械化施工制定相應的定額，要研究制定符合市場和施工實際的機械化施工定額。

3）設計匹配 要研究與機械化施工相適應的工法工藝，在設計階段就充分考慮機械化施工以及機械設備的特點，使設計與地質、與施工工法和工藝相配套，充分發揮機械化施工效益。

4）規模匹配 機械化施工設備配置成本明顯增加，在市場規劃階段就要進行系統的布局和籌劃，最大程度地使工程規模接近機械化配套規模，攤薄成套設備配置成本，最大程度發揮現有設備效益，節約配套投入。

3.2 在設備配套方面

不同工序設備效率的匹配。要研究解決以鑿巖臺車為核心的“移動式”流水作業線與以襯砌臺車為核心的“固定式”流水作業線，在施工效率上的匹配，提高設備配套效率。

部分設備與工法的匹配。要研究解決門架式拱架安裝臺車在欠挖處理和鎖腳錨桿施工工序中作用的發揮，以及對臺階法工況的適應性，減少工序時間；要提升防水板鋪掛臺車在固定焊接方面自動化作業的能力[5]。

部分工序機械化程度的提高。要研究提高裝藥工序的機械化程度，研究提高鋼筋安裝綁扎效率的工裝工藝，有效解決裝藥和鋼筋綁扎工序效率低的短板。

3.3 在工人產業化方面

要依靠社會以及專業培訓機構實現鑿巖臺車、濕噴機械手、鉆錨注一體臺車等設備操作人員的市場化，補齊相關產業鏈條，降低企業的社會化成本。

3.4 在管理制度方面

機械化施工受地質影響較大，頻繁變化的地質和不相適應的地層都是機械化施工的大忌，地質是不可改變的，要推廣應用機械化施工，充分發揮機械化施工的效益，提高施工單位的積極性，只有通過改變現有機制和項目組織模式來實現我們的目標，建議在組織模式上采用單價合同結合動態設計，同時，施工單位和項目部在施工管理機制和考核機制方面，也需要進一步完善。

4 結語

綜上，成套設備機械化施工、信息化和智能化應用是隧道施工發展的方向，代表著隧道施工的創新和未來。唯有以地質條件和圍巖分類為前提，在設備配套、定額配套、規范配套和政策配套以及工法相適應的情況下，通過信息化、智能化的協同管理，充分發揮成套設備的高效率，才是成套設備機械化施工的核心所在。