软弱围岩高铁隧道全断面机械化施工改进与效益解析
１ 工程概况
哈牡客运专线的玉白隧道为单洞双线结构，全长３３０２ｍ，位于哈尔滨市阿城区玉泉镇这一严寒区域。隧道的起讫里程是ＤＫ０７２＋１１４至ＤＫ０７５＋４１６，最大覆岩厚度为１６０ｍ。作为大断面隧道，它的设计符合单洞双线铁路的通行标准，为列车双向行驶提供了足够空间。从岩性方面来看，玉白隧道的大部分区段处于剥蚀构造的中低山区，地质状况复杂，节理发育程度高。洞身范围内的岩体较为破碎，围岩稳定性欠佳。
２ 全断面机械化施工作业线
玉白隧道工程在施工设备配置上构建了全面的机械化作业体系，各系统协同配合保障施工高效推进。开挖系统配备２台ＨＴ１１３三臂凿岩台车，为隧道开挖提供强劲动力；运输系统由３台ＺＬ５０Ｇ侧卸装载机（斗容５ｍ³）、５台ＣＱ３２５０自卸卡车（载重２５ｔ）及２台ＰＣ２２０挖掘机组成，形成高效物料转运链路。支护系统采用２台ＳＰ１５００湿喷机械手配合１台ＭＧ５００三臂拱架安装车，确保支护作业质量与效率；仰拱施工依托１台自行液压栈桥，防水工程由１台多功能铺挂台车完成，二衬系统则通过１台液压模板台车保障浇筑质量。养护系统配备ＷＨ-８０雾化车与ＪＱＪ-Ⅱ检测台车各１台，辅助设备包含１台ＴＹＧ-１２沟槽模板台车，以及超前钻机（ＺＬＪ-３５０／ＣＭＪ２-１５）、ＳＩＲ-４０００地质雷达、ＤＫ４０变频风机、ＴＰ２０３地质预报系统及ＴＳ６０全站仪等配套检测设备。
３ 工序优化措施及效果分析
玉白隧道工程借助“互联网＋云平台”技术架构，于２０１６年４月至１１月对进口段１８６次掘进循环数据实施全周期追踪与多维度分析，整个过程分为三个阶段：４～６月为技术验证期，７～８月为操作培训期，９～１１月为成果稳定期，通过分阶段推进实现施工流程的持续优化。
工序耗时分析（图１）清晰显示，钻孔爆破与喷锚支护是构成施工周期的两大关键节点，这两个工序成为影响施工效率的关键环节。
本文着重从优化钻孔爆破工艺、提升喷锚支护质量及合理优化开挖进尺这三个关键方面进行研究。
３．１ 优化钻孔爆破方案
３．１．１ 三臂凿岩台车标准化作业流程
在三臂凿岩台车标准化作业流程方面，设备调度需满足全断面开挖的空间要求。测量定位后严格实施三级定位控制：机械定位确保台车底盘距掌子面０.８～１.０ｍ，工作面平整度误差≤３ｃｍ；管线配置同步完成３８０Ｖ动力电缆与１０ＭＰａ高压水管敷设；液压校准依据“双基准点＋轴线平行”原则调整推进梁，控制末端偏差＜２ｃｍ。钻孔作业严格执行“先周边后中心”的爆破孔序（详见图２作业流程图解）。
３．１．２ 控制爆破工艺
在周边眼装药的过程中，为提高光面爆破的效果（炮孔痕迹保存率≥８５％），减少超挖（控制在１０ｃｍ内）、欠挖现象，采用环向切缝聚能管掏槽结合纵向切缝管定向断裂控制爆破技术，该技术能够有效增大孔距，减少炸药的使用量，解决超挖的问题。其中，环向切缝聚能管采用ＰＶＣ管制作而成，长度为８５ｃｍ，外径４０ｍｍ、内径３６ｍｍ，壁厚为２ｍｍ，具体结构为３３ｃｍ×２（２节乳化炸药药卷），出于便于装药操作目的，预留１９ｃｍ空隙。环向切缝按三等分方式布置，切缝宽度为２４ｍｍ，间隔１２０°，环向切缝之间的距离为２～６ｃｍ。
环向切缝聚能管设置于掏槽孔的孔底设置，可通过能量汇聚效应将爆炸能量集中于切缝方向，预先制作好的炮泥填充孔口未装药的部分，填充长度为０.５～１ｍ。
通过上述一系列工艺优化，钻孔爆破的时间得到了明显缩短，通过对４～６月钻孔爆破时间的统计分析可知，４月份钻孔爆破均耗时７.７７ｈ，５月份均耗时降至６.８８ｈ，６月份均耗时进一步减少到６.５１ｈ，钻孔爆破工序的效率得到了显著提升。
３．２ 提升喷射混凝土质量举措
（１）原材料选用：采用强度高、凝结时间适宜的普通硅酸盐水泥；合格拌合用水；细度模数＞２.５的硬质洁净河砂（含泥量≤３％）；粒径５～１２ｍｍ连续级配碎石（压碎值≤１０％）。
（２）拌合过程：Ｃ２５湿喷配合比按《铁路隧道施工规范》（ＴＢ１０２０４-２０２０）设计（水泥：粉煤灰：砂：石：水：速凝剂：减水剂＝１：０.１５：２.２：２.２：０.４５：０.０４：０.０１）；用ＪＳ５００型拌合站，每班检查配合比及搅拌均匀性≥２次。
（３）喷射要求：喷头距岩面０.６～１.２ｍ且垂直受喷面；喷钢架（保护层≥３ｃｍ）、钢筋网（保护层≥２ｃｍ）时，喷头可倾斜１５°～３０°；作业按分段（≤６ｍ）、分块（≤１０ｍ²）进行。施工按自下而上、先墙后拱顺序，螺旋状喷射（半径１０～１５ｃｍ，后圈压前圈１／３），密实度≥９５％；调节水压０.５～０.７ＭＰａ、喷射距离１.５～２.０ｍ、风压（工作０.４～０.６ＭＰａ，备用０.７ＭＰａ），压力传感器实时监测，回弹量≤１５％。
（４）喷射厚度：厚度＞５ｃｍ时分层（每层３～５ｃｍ），第二层在第一层终凝１ｈ后进行（贯入阻力仪检测）。
（５）养护：终凝２ｈ后（试块试验确定）自动喷淋养护，保持表面湿润（含水率≥９０％），养护≥７ｄ（每天≥４次），７ｄ强度≥设计值７０％；下次爆破与完成间隔≥４ｈ（抗压强度≥１０ＭＰａ）。
（６）后期围护：初喷３～５ｃｍ后，清除工字钢表面混凝土（平整度偏差＜５ｍｍ），补喷至平整（空隙率≤２％）；用ＦＤＮ－Ⅰ型减水剂（掺量３％），减少配料时间２０ｍｉｎ／循环。
４～６月喷锚作业时效分析如图３显示，上述一系列优化措施能够显著节省喷锚施工作业时间。其中，５月平均用时比４月节约１.３７ｈ，降幅约为１８％，成效十分显著；开挖进尺从３.６ｍ增至４.２ｍ，６月平均用时稍有增加，表明通过提高喷锚质量，可以提高效率。
通过对混凝土超耗情况的统计可知，４月份湿喷混凝土用量实际为１８２９ｍ³，而设计用量８１１ｍ³，超耗率达１２５.５％；５月份湿喷混凝土实际用量为２２１６ｍ³，而设计用量为１０５４ｍ³，超耗率达１１０.３％；６月份湿喷混凝土用量实际为２３０６ｍ³，而设计用量为１０５６ｍ³，超耗率为１１８.４％；借助优化配合比、加强拌合过程监控、提高喷射工艺水平等方式，５月份混凝土实际喷射量的平均值以及超耗率相较于４月份都有一定下降，特别是超耗率下降１５.３％，这充分说明了加强混凝土质量管控能够有效降低超耗率。
３．３ 开挖进尺优化
初期３.６ｍ循环进尺暴露出工效瓶颈，工程团队基于ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟平台，建立双工况对比模型：工况Ａ（３.６ｍ进尺）选取ＤＫ０７２＋９１～＋１６３段，模型范围Ｘ轴＝±３０ｍ，Ｙ轴＝-７２～０ｍ，Ｚ轴＝±３０ｍ；工况Ｂ（４.２ｍ进尺）选取ＤＫ０７２＋３５１～＋４３５段（埋深３００ｍ），ｙ轴＝０～-８４ｍ；ｘ、ｚ轴取值同３.６ｍ模型。
拱顶沉降和拱底隆起随开挖步变化见图４，不同进尺应力变化云图见图５。
分析图４、５显示，开挖进尺增加对应力和竖向位移有影响，拱顶沉降最显著，但最大沉降值为３ｍｍ，在规范允许范围（≤３ｍｍ）内。为加快施工进度，７月施工采用４.２ｍ进尺。
耗时方面，３.６ｍ进尺每延米需８.９３ｈ，４.２ｍ则为７.８ｈ，每延米节省１.１３ｈ。按每月３０天计算：３.６ｍ进尺循环时间１１.８ｈ，月度进尺８０.６２ｍ；４.２ｍ进尺循环时间１１.５ｈ，月度进尺９２.３１ｍ。４.２ｍ进尺每月增加１１.６９ｍ，在确保安全前提下可显著提升进度。分析可知，通过提高开挖进尺的方式能增加月进尺。
４ 效益和成本分析
图６展示了开挖作业状况，前期有一个磨合过程。９～１１月，随着施工人员对优化措施能熟练掌握，后续月份进尺和用时稳定，平均单循环用时约７.５３ｈ，平均月进尺约９６.２３ｍ，实现了施工过程的稳定高效。
４．１ 机械与人工开挖效益分析
７～１１月开挖数据表明，机械化掘进月均进尺８２.９ｍ，较人工掘进（７５.８９ｍ）提升９.２％（Δ＝７.０１ｍ）。其中，机械开挖主要针对Ⅳ级围岩，Ⅳ级围岩条件相对复杂，施工难度较大；人工开挖大多针对Ⅲ级围岩，这种围岩条件相对较好，施工难度较低，安全性强；综合考虑围岩等客观因素，机械开挖在较为复杂的地质条件下依然能够实现比人工开挖更快的月度进尺，充分体现了机械开挖的优势。
图７关于７～１１月施工数据显示，机械施工超耗率稳定在７２.２％，人工施工达８９.６％；经济性分析表明，机械化施工使混凝土超耗量减少１７.４个百分点，凸显了机械化施工的高效与经济优势，机械开挖能够有效降低材料成本，而且具有较好的稳定性，有利于工程成本的控制。
４．２ 人工和机械开挖成本对比分析
分析成本，人工开挖没有机械开挖方面的优势强，虽然人工开挖在机械运用、配件损耗及油电耗费上支出相对较少，但是机械开挖可减少大量的人工投入，降低人工成本，同时由于施工效率高、管理流程规范，现场管理费也相对较低。人工开挖的总固定成本为１３０３１６０元，机械开挖为１４５９０５０元，前者固定成本较后者少１５５８９０元，这主要是由于机械开挖需要投入大量的机械设备，设备的购置和维护等固定成本相对较高。
在可变成本上，机械开挖在材料开支、机械租赁及配电花费上优于人工开挖，通过精准的施工控制和高效的设备利用，能够降低材料的消耗和设备租赁等费用。
而在人工开支中的间接管理费、人工费等其他方面，两种开挖方式的支出相差不大。经核算，人工开挖单延米可变成本为４６９３０元，机械开挖为４３１２５元，在合理的施工组织下，前者比后者多３８０５元，这表明随着施工规模的扩大，机械开挖在可变成本上的优势会更加明显。
图８为人工开挖与机械开挖的成本差值对比图。从图中能看到，当开挖月进尺为３０ｍ和４０ｍ时，机械开挖总成本高于人工开挖，这是因为在进尺较少的情况下，机械开挖的固定成本分摊较高，导致总成本偏高。经测算，当月进尺达４０.９７ｍ时，两种开挖方式总成本相等，这一进尺数值被称为成本平衡点。
通过成本对比分析发现，当月进尺处于５０～１００ｍ范围时，人工开挖总成本超过机械开挖，且随着月度开挖进尺的增大，机械开挖在总成本上的优势越突出，因为随着进尺的增加，固定成本被分摊得更加均匀，而可变成本上的优势也逐渐显现。
５ 结语
通过玉白隧道工程施工实践表明，优良的光面爆破效果可控制超挖量，缩短循环时间；喷射混凝土质量的提升显著降低了超耗率，并提高了喷锚效率；４.２ｍ开挖进尺在安全与经济性上更优。
成本分析显示，机械化施工在月度进尺超过４０.９７ｍ时总成本低于人工开挖，且随着月度开挖进尺的增大，机械开挖在总成本上的优势越明显。结合“ＰＤＣＡ”管理模式与实时数据监控，可实现施工全过程精细化管控。