常规山岭隧道施工阶段方案优化探析

车大兵，陈爱红

(1．中铁隧道股份有限公司，郑州 450003;2．龙厦铁路工程建设指挥部，福建龙岩 364000)

0 引言

山岭隧道工程属于比较特殊的地下工程土建项目，地质条件及施工环境复杂，设计阶段受各种因素、手段和技术条件的制约，所获取的地质勘探资料有限，对隧道围岩地质条件的判断可能存在误差，使得设计文件及图纸可能存在一定的缺陷，施工阶段存在较大的优化空间。

目前的山岭隧道施工技术及方案优化类文献较多。如:文献［1-2］主要是论述隧道施工的关键技术和施工要点;文献［3-4］主要是论述软弱围岩控制变形的支护优化技术;文献［5］主要是论述辅助坑道优化;文献［6-7］主要是介绍隧道的运输组织优化;文献［8-10］主要介绍注浆方面的优化。上述文献多集中于论述隧道施工的单项内容，如关键技术、开挖工法、初期支护、注浆、运输组织及辅助坑道等方面，但是未系统地从整个隧道施工全过程综合、全面地去考虑施工方案的优化问题，对于参考者来说可能存在一定的局限性。本文结合隧道工程实践经验，尝试从全局和总体上对隧道施工的方案优化进行总结和探讨，希望为从事隧道施工的同行提供参考，利于施工阶段方案的优化，对于保证隧道施工质量、安全、工期和节省成本具有重要意义。

1 隧道施工阶段方案优化的原因

1)设计阶段掌握的资料有限，对工程地质条件判断不完全准确，设计方案无法适应隧道的实际地质环境条件，如不进行方案优化，则可能对工程质量、安全及进度造成较大影响，施工阶段需要根据实际地质情况进行优化。

2)设计人员经验不足，设计深度不够，设计未结合施工条件，隧道的设计方案不尽完善，存在优化的可能，以使设计和施工结合更紧密，优化后的方案可实施性更强，更容易避免质量通病，对于保证工程质量和安全很有帮助。

3)施工管理要求，针对隧道作业环境的优化，特别是业主对隧道工期方面的要求，需要对隧道施工组织方案进行优化，以加快施工进度，缩短工期。

4)既有的方案施工可操作性差，成本较高，优化后的方案容易实施，且能够获得较好的社会和经济效益。

2 隧道施工阶段方案优化的目标

施工阶段为优质高效地完成隧道修建任务，针对隧道工程的具体情况，在施工过程中针对隧道施工进行优化，以确保工程质量和安全，并达到较好的经济社会效益，同时促进隧道施工技术的进步，施工优化的目标主要包括以下几点。

1)实施性好。优化后的方案具有较强的可实施性，方便施工，能够满足工程质量和安全，并取得较好的社会经济效益。

2)缩短施工工期。有利于提高施工进度，满足建设工期要求。

3)保证安全质量。满足设计规范要求的质量标准，施工过程安全达标。

4)降低施工成本。优化后的方案有利于节省成本，提高盈利水平，能够达到较好的社会经济效益。

3 隧道施工阶段方案优化的原则

施工阶段隧道方案优化需要根据工程具体情况，优化后的隧道施工方案需要满足隧道工程管理的各项目标，优化方案时主要基于以下原则。

1)安全原则。优化后的方案需要满足隧道的安全施工要求。

2)质量原则。优化后的方案实施后要能够确保隧道工程质量符合设计和规范要求。

3)环保原则。优化后的方案符合环保、水保要求，不破坏环境。

4)实用原则。优化后的方案需满足设计功能要求，不能降低设计的功能标准。

5)受益原则。优化后的方案能够降低成本，得到较好的社会经济效益。

4 隧道施工阶段方案优化类型

4．1 隧道主体结构施工优化

隧道主体结构施工阶段的优化除少数为设计方面主动进行外，多数需要施工单位提出方案优化的原因及建议，并上报监理、业主及设计方面批准后才能实施。广义上说涉及到的施工方案的变更等都属于设计优化，需要设计单位同意，并提供变更或者优化方案以后，施工单位才能够施工，否则擅自施工需要承担不能验工计价的风险。

施工方案的优化选择受以下主要因素影响:设计技术标准、工程地质及水文地质情况、机械设备配置情况、工期要求和成本影响等。方案优化要立足于安全、质量、进度及成本等方面进行综合考虑，隧道工程施工优化主要包括以下类型。

4．1．1 隧道洞口工程优化

隧道洞口优化主要包括洞口位置、洞门结构形式等的优化，优化后的方案应利于保证洞门结构安全，降低对环境的破坏，且能与周围环境景观相协调。

1)进洞方案优化。部分项目隧道洞口位于陡坡，洞口桥隧相连，现场缺乏正常进洞的条件，对此可改变思维，从距离洞口较近的有利地形场地条件处开横洞进洞，进洞后往两端施工，避免正常进洞施工的安全、工期和成本风险。如雅泸高速大相岭隧道进口处山高坡陡，桥隧相连，隧道洞口位于半山坡，现场不具备正常进洞条件，如果需要修建便道至洞口，则便道修建难度大，成本高，安全风险大，不利于及时进行隧道施工，施工阶段根据现场实际情况进行了进洞方案的优化，经过方案比选，采用修建约130 m的施工横洞作为进洞方案，正洞采用反打出洞施工，使隧道能够及早进洞，减少施工干扰，加快施工进度，取得了较好的效果。大相岭隧道进口横洞进洞方案示意图见图1。

2)洞口位置优化。隧道洞口一般需贯彻早进晚出的原则，避免洞口深挖路堑破坏环境。但是有些隧道洞门位置处为深挖路堑，不利于保持边仰坡的稳定，对此可以改变洞门位置，增加明洞，利于安全施工且利于环保。

3)洞门结构形式优化。洞门的结构形式和类型尽量与周围环境景观相协调，与周围景观融为一体。山东济莱高速上游隧道洞门原设计为端墙式，结构整体和环境不太协调。后来经过优化改为削竹式，并通过洞顶景观设置，使得洞门与周围景观保持一致，效果较好，获得了建设单位的好评。

4．1．2 开挖方案优化

钻爆法施工隧道的开挖方案比较成熟，如在特定的地质条件及施工要求前提下，根据现有设备资源情况进行适当的优化，可能对于提高施工进度，保证施工安全和节省施工成本很有帮助。

1)开挖工法的优化。隧道的常规开挖工法根据不同围岩状况主要有全断面法、台阶法、CD法、CRD法和双侧壁导坑法等，基本上都比较成熟。针对具体的情况，可以对开挖工法进行适当的优化，如部分特殊环境条件下的隧道施工，如果对地表沉降控制要求非常高，如要确定合理的开挖支护工况，需要施工单位联合科研院所或者设计单位进行分析优化，采用有限元法及专业软件分析，以确定特殊地质和环境条件下的最安全的施工工况，利于隧道施工安全，保护周边建构筑物的稳定和环境。在大断面硬岩隧道施工中，可以将全断面优化为大导洞超前台车开挖，多功能台架后行扩挖成型施工，在保证施工进度的情况下控制超欠挖，减少爆破震动速度，达到进度和效益的统一。

图1 大相岭隧道进口横洞进洞方案示意图(单位:m)Fig．1 Plan of Daxiangling tunnel accessed from cross tunnel(m)

2)爆破效果优化。在石质隧道开挖施工中，需要不断进行减震爆破及光面爆破优化，可以减少炸药用量，减少爆破振动对结构的不利影响，提高爆破效果，减少超欠挖，对于成本控制非常关键。

3)开挖断面优化。根据监控量测数据调整预留变形量数据，如果开挖后变形很小，则可以减小预留变形量，不仅可减少开挖方量，节省火工品消耗，同时还可有效减少后期二次衬砌混凝土数量，节约成本。

4．1．3 隧道支护方案优化

初期支护参数对控制围岩及隧道变形有重要作用，合理的初期支护参数不仅能有效控制围岩及隧道的变形，而且能够降低施工成本。施工过程中地质条件比设计的要差，则需优化加强衬砌支护参数，确保安全，施工过程中地质条件比设计的要好，则可减弱衬砌支护参数，需要根据地质条件及监控量测数据进行动态施工和优化。

此处的支护方案优化主要指加强优化，加强初期支护主要有2种方法，一是加大喷混凝土的厚度、加密钢架间距或者缩小锚杆间距，二是改变喷混凝土的性能，提高钢架的规格和采用抗拔力大的锚杆。

1)支护方案优化。砂浆锚杆变更为自进式注浆锚杆，增加锚杆长度，格栅钢架或型钢钢架加强，增加支护刚度与强度，控制初期支护过大变形。

2)注浆参数的优化。针对不同的地质条件，通过对浆液参数的优化，以达到注浆堵水加固的效果，并能节省工期和成本。

3)初喷混凝土优化。针对部分隧道工程围岩软弱破碎的情况，需要初期支护尽早发挥作用，以控制围岩变形。可以采用掺早强剂的喷射混凝土或者掺钢纤维等，能够显著增强初期支护喷射混凝土的早期强度，改善结构受力条件，有效控制结构变形，保证安全，或者加大喷射混凝土强度等级等措施。

如在兰渝铁路木寨岭隧道正洞高地应力软岩地质环境下开挖时，主要初期支护参数优化后采用H175型钢支撑，间距0．75 m，网喷C30混凝土厚33 cm，可有效地控制围岩变形。

4．1．4 隧道二次衬砌方案优化

1)混凝土配合比优化。根据不同的砂石原料及含水量，调整水泥用量，将混凝土强度控制在规范允许范围内，满足设计要求即可，如果一直不调整配合比，可能会浪费很多水泥，对于控制成本不利。

2)仰拱施工优化。为满足运输通行，以前仰拱施工一般采用半幅施工方式，这种施工方式弊病很多，不利于结构的受力，且施工缝易渗漏水，安全隐患多。现在一般均优化为仰拱栈桥方式，以保证车辆运输畅通，仰拱一次开挖成型整体浇筑，利于结构受力，形成整体结构，利于控制变形和保证结构安全。仰拱栈桥效果见图2。

3)衬砌模板台车的优化。隧道施工二次衬砌从以前的组合钢模板发展到现在的整体式模板台车，虽提高了施工功效，保证了二次衬砌施工质量，但目前的整体式模板台车基本上一个隧道下来就无法再用，只能当废铁处理，无法重复利用实在可惜。高速公路设计断面都差不多，可以通过优化衬砌模板台车的设计，将衬砌台车的主体支架设计成通用的，增加模板可调范围，则以前隧道施工的衬砌台车经过整修可以用于类似断面隧道的施工，可以节省成本。

图2 仰拱栈桥施工效果图Fig．2 Ⅰnvert trestle

4．2 隧道辅助坑道优化

隧道施工的辅助坑道主要包括斜井、竖井和平导等，优化内容主要包括位置、坡度及开挖断面。

1)位置优化。在部分长大铁路隧道中，为实现长隧短打的目的，可能会设置1座或多座斜井，利用斜井进行正洞的施工。实际施工时，可以根据实际的地质地形条件、施工能力、技术水平和装备资源等情况，对斜井位置或数量进行优化，可能会达到优化资源配置，减少斜井数量的目的。万源至达州高速大巴山隧道本来设置有1座通风竖井(深度412．142 m)，施工过程中发现该通风竖井位置条件差，竖井深度大，施工难度高，经过调研，即使在不设置通风竖井的情况下，隧道的运营通风也是满足设计要求的，所以经过优化，施工阶段取消了该通风竖井，节省了工程投资。

2)坡度优化。部分项目将特长隧道的大坡度有轨运输斜井优化为小坡度无轨运输斜井，有轨运输斜井坡度大，施工设备投入多，安全风险大，矿车提升能力限制了隧道开挖的施工进度，施工速度慢，在有条件的情况下尽量改变斜井的设置位置，降低斜井的坡度至无轨运输施工的范围，利于实现快速施工，并尽可能减少施工投入，节省成本。如雅泸6标斜井为长度达到1 000 m以上，坡度大于50%的长陡坡斜井，进场后根据现场实际勘测情况，综合地质、运输条件尤其是成本等多方面的因素考虑，决定对原设计进行优化，对斜井井口位置进行调整，由原来的有轨运输调整为现在的无轨运输。优化后的方案不仅保证了工期，而且优化设计后的斜井比原设计斜井总投入费用节约近1 132万元。

3)开挖断面优化。部分斜井断面为单车道形式，如果通过斜井承担正洞的施工任务比较重，则可将单车道斜井优化为双车道斜井，以提高运输效率，加快施工速度。龙厦铁路象山隧道斜井断面优化后的方案能够充分利用斜井断面、最大限度地预留作业空间，可以提高斜井的出碴运输以及斜井的通风能力，更加合理地利用现场资源，加快正洞工程施工进度。

4．3 隧道施工作业环境的优化

广义的隧道施工环境包括内部环境(即施工作业环境)和外部环境(即周边环境)。

隧道施工作业环境的优化主要指针对狭义的内部环境优化，良好的隧道施工作业环境是保证隧道工程质量、提高施工效率、维护施工者身心健康和实现工厂化施工的重要条件。隧道施工通风对于保证隧道内部作业环境至关重要。

隧道作业环境的优化主要指优化通风方案，加强通风，改善通风效果，降低隧道内的粉尘浓度，使得作业环境符合规范要求。通风方案的优劣直接决定通风效果的好坏，特别是对于长大隧道，良好的通风方案是确保隧道施工持续均衡高产的重要前提条件，对施工效率影响很大。

4．4 隧道组织管理优化

隧道施工组织管理优化主要包括运输方案及总体施工组织管理方案的优化。4．4．1 运输方案优化

运输方案的优化旨在通过不同的运输组合，以提高运输效率，达到快速施工的目的。如太行山隧道7#斜井工区设计为有轨运输，按照常规做法，通过有轨运输斜井施工正洞也是采用有轨运输，但是有轨运输具有一次性投入大、组织要求高等特点，于是对正洞运输方案进行优化，采用正洞无轨运输+斜井有轨运输的模式，无轨运输较有轨运输机动灵活，施工干扰小，作业效率高，在施工组织和施工进度上发挥了很明显的优势。

4．4．2 总体施工组织管理方案优化

针对部分短隧道的施工，施工过程中根据现有机械设备配置、现有人员的技术水平和数量、工期要求和施工的难易程度，合理组织隧道的施工。如采取平行作业或顺序作业，两端同时施工或者独头掘进，需要根据实际情况进行技术经济分析，以优化施工资源配置，努力减少施工过程中的人机成本消耗，使施工能够获得较好的经济效益。

4．5 成本管理优化

目前的工程施工市场多数情况下为低价中标，中标后施工成本控制压力很大。企业正常情况下需要盈利，一直做亏本买卖也就无法生存下去，由于市场竞争激烈，多数企业都是本着先低价中标，然后施工阶段通过方案优化变更达到不亏损或略有盈利的目的。

节省成本除包括前文所述的优化混凝土配合比、优化组织管理方式外，还可以有意识地进行隧道内的部分项目的变更设计，以达到隧道施工扭亏为盈的目的。主要包括以下方面。

1)在投标阶段对有些隧道工程量清单中的项目认为在施工阶段可能优化的，报价比较低，施工阶段应该积极运作，进行优化。比如，有些隧道设计支护锚杆类型为砂浆锚杆，可以在断层破碎带等不良地质地段变更为自进式注浆锚杆，变更优化项目最好为原投标清单中无量的，达到工程量“无中生有”的目的，就可以重新分析单价，理论上不会亏损。

2)善于利用隧道项目的暂定金做文章。一般长大隧道都有相当数量的预留暂定金，金额大小不等。施工阶段需要善于经营，通过在隧道不良地质地段的施工方案、支护参数、注浆加固等手段，尽量将所有的暂定金都能够验工，用于急需部位，既保质量，也保安全。

3)善于利用合同条款，有些项目对一次的优化金额进行了限制，不同级别的监理、设计能够批准的变更金额可能都有相关规定，需要在实际施工中化整为零进行设计变更优化，避免一次变更金额过大，不好操作，以获得理想的优化效果。

5 体会

1)所有的施工优化最终目的都是为了在保证安全质量的前提下获得最大的经济利益和施工利润，企业本来就是追求价值的，需要的是盈利，在优化的过程中，保证了施工质量，满足了业主要求的各项目标，而自己也获得了较好的收益，达到业主和承包商的双赢效果。

2)每座隧道都有其独特的工程水文地质及环境条件，本文主要针对隧道施工方案常见的优化类型做了一些总结，但还不够全面，希望能为从事隧道工程施工的技术人员提供参考。

3)施工方案的优化贯穿于隧道施工的各个阶段，自始至终均有优化的可能，需要根据项目的实际情况和具体要求，做出针对性的优化，以期获得理想的施工管理目标，达到安全、质量、进度和成本等方面优化的目的。

4)施工阶段不断进行隧道方案的优化，是一种施工管理理念，需要持续进行。部分隧道施工技术的优化甚至还可以上升为科技创新、施工工法等成果，需要广大的施工技术人员持之以恒的进行下去，不断努力提高现代隧道施工的技术和水平。

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