铁路隧道工程超挖回填费用计算规则研究

吴 炜， 张恒辉

(1. 中国铁路经济规划研究院有限公司， 北京 100038； 2. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

2017年5月，国家铁路局通过国铁科法〔2017〕33号文发布了《铁路工程预算定额(第3册 隧道工程)》[1](以下简称新定额)等14项铁路工程造价标准。新定额开挖子目消耗量中包含允许超挖及预留变形量，超挖回填的工程数量及方式需由设计单位计算。但目前针对隧道超挖回填量没有相关规范或计算规则能够准确进行定量分析，影响概算编制水平。因此有必要统一超挖回填量的计算规则。

隧道超挖回填工程量的计算及其对隧道施工成本的影响是目前研究的重点。王飞等[2]针对蒙华铁路水平岩层隧道超挖数量进行了统计分析，给出了合理取值； 王国宁[3]根据公路定额，研究了公路隧道超挖回填对施工成本的影响； 王承山[4]从施工技术与管理方面提出控制隧道超挖回填的主要途径。但上述研究都没有给出设计阶段超挖回填量及其费用的计算规则。本文以350 km/h客运专线双线隧道为例，结合相关标准规定，提出铁路隧道超挖回填方式及工程数量的计算规则，并对超挖回填费用的变化进行对比分析。

1 超挖原因及允许超挖值

隧道超挖工程数量是指设计图纸中开挖数量未包含的部分。目前高速铁路隧道设计图纸中的开挖数量包括隧道净空开挖数量和复合衬砌数量，预留变形量与允许超挖量在设计图纸中均无定量体现。

预留变形量是为了充分发挥围岩自承作用，容许初期支护和围岩有一定变形，而将设计开挖线适当扩大的预留量[5]。实际设计时，预留变形量通常参考TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》设计，不同级别围岩预留变形量如表1所示[6]。浅埋、软岩、跨度较大隧道预留变形量取大值，深埋、硬岩、跨度较小隧道预留变形量取小值。本文在计算时，Ⅱ、Ⅲ级围岩预留变形量取为30 mm，Ⅳ级围岩预留变形量取为60 mm，Ⅴ级围岩预留变形量取为90 mm。

表1 不同级别围岩预留变形量

隧道允许超挖量是由于爆破作业扰动、围岩应力释放及施工方法等影响因素造成开挖线适当扩大，但不影响隧道施工质量安全的超挖量。在实际施工中，一般参考Q/CR 9604—2015《高速铁路隧道工程施工技术规程》[7]，各部位平均线性超挖值如表2所示。平均线性超挖值等于超挖横断面积与设计开挖断面周长(不含隧底)的比值。

表2 隧道允许超挖值

隧道实际的开挖断面如图1所示，开挖线是非线性的。

2 超挖工程量分析

从平均线性超挖值的定义可以推导出超挖断面面积等于平均线性超挖值乘以设计开挖断面周长。本文以350 km/h客运专线双线隧道通用参考图(见图2)的不同围岩基础断面为例，计算每延米超挖量。

图1 隧道实际开挖断面示意图

Fig. 1 Sketch of actual excavation cross-section of tunnel

图2 350 km/h客运专线双线隧道通用参考图

Fig. 2 General referenced sketch of double-track tunnel of 350 km/h passenger-dedicated line

从图2可以看出，不同级别围岩的隧道内轮廓面积是一致的，仰拱或底板以上的拱部和边墙开挖外边线近似为同一圆心的圆弧，可以按圆弧来计算拱部和边墙的设计开挖断面周长，圆弧半径是内轮廓半径与复合衬砌厚度之和。而对于仰拱或底板，为简便计算，本文按仰拱混凝土数量与厚度的关系计算允许超挖量。预留变形量超挖量参照允许超挖量计算。新定额不同级别围岩每延米隧道超挖数量见表3。

本文计算的Ⅱ级围岩设计参考图是无仰拱衬砌的，只有底板混凝土。因底板开挖较浅，底板找平混凝土仅10 cm厚，且实际施工时后续捡底工序施工误差能够得到较好控制，再以10 cm计算线性超挖值存在超挖过大的问题。因此本文设定Ⅱ级围岩底板的允许超挖量按底板混凝土的20%计算。

表3 新定额不同级别围岩每延米超挖量计算表

3 超挖回填工程量分析

允许超挖是施工造成的非设计开挖，为保证工程质量，允许超挖的回填量应按平均线性超挖值全部计算工程量。按照《高速铁路隧道工程施工技术规程》的要求，普通隧道二次衬砌施工时机为水平收敛(拱角7 d平均值)小于0.2 mm/d。设计预留变形量一般稍大于围岩实际变形量，加之围岩收敛的不均匀性，会造成衬砌混凝土数量增大，因此应按普通隧道收敛的平均水平来计算回填工程量。根据在建的张吉怀铁路吉首隧道、郑万铁路向家湾隧道现场衬砌前实测断面值可知，开挖断面实际收敛量为预留量的56%～69%，本文暂以预留变形量的1/3(收敛比为66%)来计算工程量。不同级别围岩每延米不同部位回填工程数量见表4。

表4 不同级别围岩每延米不同部位回填工程数量计算表

铁建设〔2010〕223号《铁路工程预算定额(第3册 隧道工程)》[8](简称为旧定额)中，超挖回填量包含在衬砌定额子目消耗量中。本文以350 km/h客运专线双线隧道通用参考图，按旧定额计算出不同部位每延米隧道考虑的回填数量，结果见表5。

表5 旧定额不同级别围岩每延米超挖量计算表

按照新、旧定额计算的超挖回填量结果对比见图3。可以看出： 在新定额计算规则下，拱墙超挖回填量均小于旧定额计算规则的回填量，但Ⅳ、Ⅴ级围岩的仰拱回填量大于旧定额计算规则的回填量，也导致Ⅳ、Ⅴ级围岩断面回填总量大于旧定额计算规则的回填量。

4 超挖回填方式及费用分析

如上文图1所示，实际施工时为保证防水板背面较为平整，保证防水效果，会利用喷射混凝土将开挖面喷平补齐，造成喷射混凝土量大于设计量。因此本文设定拱墙的允许超挖回填为喷射混凝土方式回填，仰拱或底板在一般情况下因开挖质量能够得到有效控制，设定此部分超挖回填为衬砌混凝土回填。为保证二次衬砌厚度满足设计要求，预留变形量采用衬砌混凝土回填，工程数量为预留变形量的1/3。

按照上文新、旧定额回填量计算的结果，将新定额按初期支护喷射混凝土、二次衬砌模筑混凝土共同回填和旧定额全部二次衬砌模筑混凝土回填2种计算规则的工程数量全部套用新定额进行计算，按通用参考图标准替换混凝土等级，计算2种计算规则下每延米隧道回填数量的定额直接费情况，结果见表6。

图3 新、旧定额计算超挖回填量对比表

Fig. 3 Comparison of backfill quantity of tunnel overbreak by new and existing quotas

表6 新、旧定额不同级别围岩每延米超挖回填定额直接费计算表

从表6计算结果可以看出： 在新定额计算规则下，超挖回填费用增长明显，每延米围岩超挖回填定额直接费增长700～1 100元,导致费用增长的主要原因是喷射混凝土定额每m3基价为495元，比二次衬砌混凝土定额每m3基价(约200元)高一倍多。需要说明的是，如果采用湿喷机械手喷射混凝土定额，因定额每m3基价为455元，新定额计算规则的超挖回填定额直接费每延米会降低110～150元。

同时，在现场实际施工时，隧道有拱架地段根据施工验收标准，一般会采取喷射混凝土回填，保证围岩与拱架间的空隙喷填密实，而无拱架地段则可能根据实际情况以衬砌混凝土回填。因此，本文计算规则采用的回填方式与实际现场还有一些不同，但费用差异不大，为方便设计概算的编制，新定额计算规则可以采用上述回填方式进行概算费用的计算。

5 结论与讨论

本文以350 km/h客运专线双线隧道通用参考图工程量为基准，按照新定额超挖回填计算要求，提出隧道不同围岩超挖回填量费用的计算规则。计算结果显示，新定额350 km/h客运专线双线隧道超挖回填费用涨幅为700～1 100元/延米。

目前对超挖回填的定量分析还较为粗犷，在设计阶段很难准确估计回填数量，仰拱因开挖封闭快，预留变形量收敛较小，实际施工中是否预留变形量还有待商榷，因此本文计算的超挖回填工程数量还有优化的空间。也需要各设计单位广泛收集施工数据，总结超挖回填量的合理范围，提高编制概预算的准确性。