基于类比分析法的复杂艰险高原山区铁路施工组织工期指标关键参数研究

时间：2024-07-28

王鹏

中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京100844

铁路建设项目工期计划是施工组织的重要内容，是“六位一体”建设目标之一，确立建设工期目标是规划建设复杂艰险山区铁路的重要任务之一，而确定科学合理的工期指标是计算总工期的前提。

现行Q/CR 9004—2018《铁路工程施工组织设计规范》［1］给出了正常建设条件下的路基、桥梁、隧道、站房、四电等单项工程施工组织设计工期参考指标，但未考虑营业线施工干扰、封锁线路施工及风沙、高原、海洋、原始森林等特殊气候和施工条件等因素使人工、机械降效或停工的影响。在参考使用时，应根据建设项目所处地区实际情况和施工条件，另行分析。高风险工程应在制定风险预案的前提下，根据工程实际情况和施工条件，在规范基础上另行分析确定工期指标［1-4］。

与一般铁路工程相比，复杂艰险高原山区铁路工程所处区域地貌起伏多变，建设规模巨大，建设过程中会遭遇极端气候、恶劣环境、复杂地质及严苛要求等一系列困难和挑战，施工任务极其艰巨，施工组织十分困难。施工组织设计规范给定的工期指标体系不适用于测算该特殊类型铁路工程建设工期。

为科学确定复杂艰险高原山区铁路工程建设工期目标，本文基于类比分析方法，大量调研类似工程工期情况和实际进度指标，结合高原山区铁路所处地域环境和地质条件，综合分析提出影响工期指标的6个主要因素，提出切实可行、符合实际的工期指标体系，为确定高原山区铁路总工期奠定了基础，为国家科学决策提供可靠依据。

1 工期指标研究方法及影响因素分析

1.1 类比分析法

铁路工程建设项目属于线性工程，涉及专业门类众多，施工组织在建设过程中占主导地位。在确定铁路项目施工组织工期目标或控制性工程工期时，一般需要参考施工组织规范中给出的工期指标进行测算。

杨国庆［5］根据设计人员提供的资料和信息，对兰张三四线乌鞘岭特长隧道的施工工期进行详细分析；娄振光［6］根据隧道设计资料和确定的进度指标，对集通铁路克什克腾隧道施工工期进行了分析测算。郭晋恒［7］提出工期参考指标应根据现场收集资料分析、结合工序推导计算和工程实践验证等方法确定。在规范中工期指标不适用情况下，往往采取类似方法，如王兴中［8］分析了营业线施工工期影响因素，测算不同条件下施工工期，给出了营业线封锁施工和不封锁施工工期指标确定方法。

部分学者对于铁路工程项目合理工期开展了计算研究和其他方面的探讨。宇德明等［9］在广泛现场调研、问卷调查等基础上，提出铁路工程项目合理工期确定的5条原则，并建立了铁路工程项目合理工期确定过程模型。李世煇［10-11］针对隧道工程应用典型类比分析法，论证了此类从定性到定量综合集成方法的实用性和有效性。

鉴于艰险高原山区铁路的特殊性，本文利用与拟建项目类型相同的现有项目的设计资料或实测数据进行工程分析［12］，再运用高原降效影响因素综合分析方法，合理确定其施工组织工期指标体系。

1.2 影响因素综合分析

根据高原山区铁路所处地域环境和地质条件，在工期指标分析中重点考虑以下六个因素。

1）高原气候。高原区的低气压、低含氧、高寒、大风等因素降低人员、内燃机械施工以及物料运输等的工效。

2）区域特点。铁路所在地区油品和爆破物品管控、民族政策以及高原生态环保要求严格。

3）施工资源匮乏。沿线地区经济发展比较落后，水泥、钢材等主要物资匮乏，需要从内地生产、制作、购置和运输。

4）地形地貌。地形变化多样，地表构造松散，岩堆及危岩落石等不良地质发育，生态环境脆弱，地质灾害较多，影响桥梁、隧道的施工。

5）难以准确获取地质信息。大部分隧道埋深大，所处区域人烟稀少，环境恶劣，地质勘察条件差，准确获取地质信息很困难。

6）隧道施工难度大。受软岩大变形、强烈岩爆、反坡掘进突泥涌水、高地温与高温水等不良地质和恶劣施工条件等影响，隧道施工难度大。

以上因素中，第1项是影响工期指标的决定因素，在工期指标测算时要确定受高原气候影响的效能降低幅度；第2～6项是影响工程建设的重要因素，在总工期以及工序安排上要考虑留有余地。

2 工期指标关键参数研究

2.1 在建项目调研

高原山区铁路除兼具西南山区铁路的艰险、西北高原铁路的缺氧、东北平原铁路的高寒外，还具有沿线基础设施落后、隧道工程较多、施工难度大等特点。考虑到隧道为控制性工程，因此重点调研类似工程项目。调研项目的工程概况见表1。

表1 调研项目的工程概况

2.2 钻爆法施工隧道工期指标调研类比分析

1）钻爆法施工隧道调研分析

统计了郑万高铁13座双线隧道、成昆复线小相岭双线隧道、兴泉铁路27座单线隧道、川藏铁路拉林段38座单线隧道、成兰铁路跃龙门双洞单线隧道和平安双洞单线隧道以及多条铁路的辅助坑道实际施工进度情况。不同机械化配套情况下隧道施工进度统计见表2。

表2 不同机械化配套情况下隧道施工进度统计

在调研基础上，主要从以下三个方面进行分析。

①高原隧道施工实际降效测算。主要分析高原区（拉林铁路）和非高原区（兴泉铁路）的隧道施工实际进度指标，见表3。

表3 高原区与非高原区隧道施工月进度对比

由表3可见，高原区隧道不同围岩施工进度相对于非高原区不同围岩施工进度降效幅度在11%～16%。考虑高原山区铁路特殊条件，在测算指标时按15%降效幅度考虑。

②不同机械化配套施工实际进度指标分析。以郑万高铁为例进行统计分析，见表4。

表4 郑万高铁隧道施工高度机械化和中度机械化月进度统计

由表4可见，机械化配套模式的隧道开挖月进度较无机械化配套指标有所增加，其中中度机械化配套月进度Ⅲ、Ⅳ、V级围岩分别增加了6%、12%、16%；高度机械化配套月进度Ⅲ、Ⅳ、V级围岩分别增加了20%、21%、44%。高度机械化配套较中度机械化配套施工月进度分别增加了13%、8%、25%。可见，机械化配套能明显提高不同围岩级别下的隧道施工进度指标。因此，对于艰险高原山区铁路隧道施工，在条件允许情况下，应尽可能采取机械化配套施工。

③隧道断面大小对施工进度影响分析。在高度机械化配套情况下，对比分析成兰跃龙门双洞单线隧道和郑万及成昆复线小相岭隧道的平均进度，见表5。

表5 单双线隧道施工月进度对比

由表5可见，在不同围岩级别下，双线隧道比单线隧道施工进度略快。

2）艰险高原山区铁路钻爆法施工隧道工序和指标测算

在前述统计分析基础上，对高原山区铁路钻爆法施工隧道进行专题测算。综合考虑各类别配套模式，按现场施作顺序将每个单循环分解成一定施工工序，测定各工序施工时间，得出单个循环施工总时间，从而得出不同围岩、不同施工方法的施工进度指标。对单线、双线、辅助坑道不同机械化配套（高度、中度、基本）、不同围岩级别和施工方法下的施工工序进行分解，对进度指标进行理论计算。以双线高度机械化配套Ⅱ级围岩进度指标分析为例进行计算，施工工序时间见图1，月度进度指标见表6。

图1 Ⅱ级围岩全断面钻爆法单个循环各施工工序时间

表6 双线高度机械化配套Ⅱ级围岩月进度指标

由表6可见，当连续作业时，Ⅱ级围岩采用全断面开挖，按单循环3.5 m开挖进尺、9.1 h作业时间，月工作日按28 d、每日24 h，计算可得月进度为258 m。实际施工中，必须考虑工序转换、机械维修、自然灾害等可能发生的不利因素以及高原降效。因此，不连续作业按每月正常施工23 d、高原降效按85%考虑，计算可得艰险高原山区铁路钻爆法隧道在双线高度机械化配套Ⅱ级围岩月进度指标推荐值为180 m。其他情况类似计算，可得出艰险高原山区铁路钻爆法施工隧道进度指标基准值，见表7。

表7 钻爆法施工月进度指标计算基准值 m

2.3 TBM施工隧道工期指标调研类比分析

从20世纪50年代以来，经过半个世纪的发展，TBM掘进技术已相当成熟，被广泛应用于世界各国能源、交通、水利、国防等部门的地下工程建设。目前，使用TBM已建成的隧道有秦岭隧道、桃花铺1号隧道、磨沟岭隧道、中天山隧道、西秦岭隧道、重庆地铁、青岛地铁等，正在使用TBM施工的有高黎贡山隧道等。对国内外铁路、水利水电、公路、地铁等领域等25个项目的TBM应用情况进行了详细调研并统计分析，列出了其中8个项目应用情况，见表8。

表8 部分国内外项目TBM应用情况

续表8

通过对各项目TBM施工的设备直径、设备类型（敞开式、单护盾、双护盾）、隧道规模、施工组织、不良地质应对措施、施工经验及教训等进行了分析和总结，得出各项目TBM隧道实际施工进度与Q/CR 9004—2018基本符合，因此艰险高原山区铁路TBM隧道一般地段的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ围岩掘进进度推荐值应考虑高原实际情况，并参考规范下限值选取。特殊地质条件下结合类比分析确定，见表9。

表9 艰险高原山区铁路隧道TBM施工月进度指标推荐值m

2.4 其他专业工程工期指标类比分析

国内外有关专业组织对高原的海拔高度有不同的定义［13-14］：国际标准组织ISO定义为1 km以上，我国工程机械高原适应性定义为2 km以上。

在高原地区进行工程建设，必然会对人工和施工机具产生影响，引起相关费用增加。根据相关文献及现场实测［15］，对于在高原地区使用的自然吸气柴油机，海拔高度每增加1 km，功率下降10%。

在Q/CR 9004—2018施工工期基础上，综合考虑文献［16］中“根据海拔高度的不同，对高原地区施工措施增加费增加幅度”的规定，同时类比分析调研项目相关专业的指标情况，提出路基、桥梁等专业工程工期指标计算按照24%幅度进行降效的原则。

高原山区便道工程比照公路工程，因此在计算高原山区便道工程施工进度指标时参照文献［17］中关于高原地区施工增加费费率情况的规定。

结合相关规范规定并参照类似工程，考虑降效原则，分别测算艰险高原山区铁路路基工程中路基填筑、路堑开挖、过渡段、地基处理和防护与支挡结构，桥梁工程中桥梁基础、墩台身、水中基础、悬浇连续梁、移动模架现浇梁、支架现浇梁、涵洞、轨道工程及便道工程的工期指标，得出各专业工程工期指标推荐值。艰险高原山区铁路制架梁的工期指标推荐值见表10。

表10 艰险高原山区铁路制架梁工程施工进度指标推荐值