摘要:混凝土工程是铁路工程重要的组成部分。研究拌合站合理的机械配置对于铁路项目的施工组织具有极其重要的意义。本文以隧道工程为例，结合现场实际的施工组织和施工进度，确立隧道施工的合理的施工组织和施工进度。以此为基础，结合隧道断面的基本参数合理确定隧道工程中日混凝土的最大需求量。根据不同型号搅拌机的相关参数与实际生产效率，合理确定搅拌机型号与数量的合理配置。研究发现搅拌机的型号和数量应该合理考虑其实际生产效率，同时应与工程现场混凝土日高峰需求量相匹配，以达到机械的合理配置与高效利用。
关键词:施工方案;施工进度;混凝土工程;拌合站;搅拌机;铁路隧道
混凝土工程是铁路建设中的重要组成部分。文献［1］中明确规定，铁路工程所需的混凝土应采用自动化拌合站进行集中生产，以满足相应的铁路工程质量要求。因此，一般铁路工程均采用独立建立拌合站拌制混凝土。文献［2］对铁路建设中混凝土集中拌合站设置方案进行了研究，并分析了拌合站设置方案对于铁路工程造价的影响。文献［3］给出了铁路工程中不同混凝土拌合站的布置形式。文献［4］提出了优化铁路混凝土拌合站的方法，文献［5］以常规混凝土拌合站的机械配置和主要技术参数为参照，分析了混凝土拌合站的生产能力，同时探究了混凝土拌合站的布设方案。实际施工中，合理地结合各个工点的施工进度以及日最大混凝土需求量设置混凝土搅拌机的型号与数量是非常重要的。一方面，可以满足工点的混凝土需求量，另一方面，可以充分合理利用资源，避免机械设备资源的浪费。本文以华东地区某在建城际铁路的一个长大隧道为例，通过对隧道工程的施工方案和施工进度进行合理的假设和分析，并结合隧道断面的相关参数，计算隧道工程施工中日最大混凝土需求量。以此为基础，考虑不同型号搅拌机的实际生产效率，通过计算比较，确定满足本隧道工程混凝土日最大需求量的搅拌机型号与数量组合，以达到机械的合理配置与高效利用，同时节省工程投资［6］。
1工点概况
华东地区某在建城际铁路(设计时速350km/h)的控制工程为一长大隧道，全长18.226km，共设置三个斜井。现拟为该隧道的2#和3#斜井工区设置一个拌合站(两斜井工区总长8.49km)。该拌合站距离2#斜井0.75km，距离3#斜井4.5km，施工运输便道利用既有道路。本文研究模型的示意图如图1所示。隧道2#和3#斜井工区为Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级围岩。具体分布情况如表1所示。
2隧道施工方案
由表1可知，该隧道存在Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级三种不同的围岩。根据设计文件，Ⅱ级围岩采用全断面法开挖，Ⅲ和Ⅳ级围岩采用台阶法开挖。本隧道的洞身掘进方案采用凿岩台架钻眼，光面爆破，部分软弱围岩段采用机械配合人工开挖或人工持风镐开挖。Ⅳ级围岩采取超前小导管预注浆超前支护，采用三台阶法施工。本隧道的衬砌采用复合式衬砌。复合式衬砌由初期支护、防水隔离层与二次衬砌组成［7－10］。Ⅱ级围岩采用曲墙加底板结构形式，Ⅲ～Ⅳ级围岩的衬砌结构采用曲墙带仰拱形式，初期支护采用喷射混凝土，二次衬砌采用模筑混凝土。混凝土由拌和站集中拌和，混凝土搅拌输送车运输，二次衬砌、仰拱及底板均采用泵送入模灌注施工，振动棒振捣密实。
3隧道施工进度
隧道的混凝土工程主要包括初支喷射混凝土、拱墙衬砌和底板或者仰拱填充［11，12］。本文利用不同围岩级别不同工序日最快进度所需要的混凝土量，综合计算出2#和3#斜井工区日最大混凝土需求量。根据本项目的设计文件，表2给出了隧道工程不同施工工序的日最快进度以及对应的混凝土需求量。根据表1，隧道工程施工进度如下:(1)掌子面日进深:Ⅱ级围岩的日进深为6m，月进度为180m(每月按照30天计算，下同);Ⅲ级围岩的日进深为4m，月进度为120m;Ⅳ级围岩的日进深3m，月进度为90m。(2)拱墙衬砌按照每段12m，每2天一次循环进行施工，月进度为180m。(3)仰拱或者底板一般每2天一个循环。仰拱的节段长度为12m，月进度为180m;底板一般按照30m每节段，月进度为450m。与文献［13］进行对比可以发现，该斜井工区Ⅱ级围岩的掌子面月进度为180m，略大规范中的最大值175m/月，Ⅲ和Ⅳ级围岩最大月进度在规范所给值范围之内。
4日最大混凝土需求量
实际施工过程中，同一掌子面往往不可能同一天初支喷射混凝土、拱墙衬砌浇筑和仰拱填充。本文计算为了考虑富余量，认为隧道工程日最大混凝土需求量即为所有掌子面三种工序同一天发生时混凝土的总需求量。本文所考虑的两个斜井工区存在Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级围岩。隧道工程日最大混凝土需求量可按照每个斜井工区不同围岩分布长度的权重结合表2中的日最快进度和日最大混凝土需求量计算。计算中考虑两个斜井共4个掌子面同时施工，且日最大混凝土需求量发生在每个掌子面都需要进行初支喷射混凝土、拱墙衬砌和仰拱填充(底板)施工。(1)2#斜井工区:Ⅱ级围岩长度占总工区长度的77.4%，Ⅲ级围岩长度占总工区长度的22.0%，Ⅳ级围岩长度占总工区长度的0.5%。a.初支喷射混凝土的混凝土用量:(1.67×6×77.4%+6×4×22.0%+9.44×3×0.5%)×2=26.35m3;b.拱墙衬砌的混凝土用量:(10.81×12×77.4%+10.53×12×22.0%+11.86×12×0.5%)×2=257.83m3;c.底板的混凝土用量:(3.34×30×77.4%+15.87×12×22.0%+17.06×12×0.5%)×2=240.95m3;三部分混凝土用量合计525.13m3，即为2#斜井工区日最大混凝土需求量。(2)3#斜井工区:Ⅱ级围岩长度占总工区长度的81.2%，Ⅲ级围岩长度占总工区长度的12.8%。a.初支喷射混凝土的混凝土用量:(1.67×6×81.2%+6×4×12.8%)×2=22.42m3;b.拱墙衬砌的混凝土用量:(10.81×12×81.2%+10.53×12×12.8%)×2=243.01m3;c.仰拱填充的混凝土用量:(3.34×30×81.2%+15.87×12×12.8%)×2=211.48m3;三部分混凝土用量合计476.91m3，即为3#斜井工区日最大混凝土需求量。综合两个斜井工区日最大混凝土需求量可得拌合站日需供应混凝土最大方量为1002.04m3。
5搅拌机型号与数量
根据相关技术规范与实际情况，通过理论计算可以得到不同型号搅拌机的实际生产效率。组合不同型号和不同数量的搅拌机，对比不同组合是实际生产效率，确定最优搅拌机型号与数量以满足本隧道工程混凝土日最大需求量，同时实现资源的合理配置与优化。根据文献［14］，混凝土拌合站搅拌机的主要参数为其理论生产率，即每小时可以生产的混凝土方量，例如2HZS120表示2台理论生产率为120m3/h的单主机双卧轴式(S)混凝土搅拌站(HZ)。首先根据文献［15］，引入计算拌合站理论生产率的公式:(1)拌合站小时生产率:Qh=n×Qz(1)式中Qh为拌合站理论生产率(m3/h);n为搅拌站配备搅拌机的数量;Qz为根据实际投料时间、实际搅拌周期、实际出料时间等因素确定的单台搅拌机生产率(m3/h)(2)拌合站日生产率:Qd=a×C×t×Qh(2)式中Qh为搅拌机日产率(m3/天);a为日产能力不均衡系数，可取0.5－0.8;C为每天有效工作班数，可取3;t为每班有效工作小时数，可取6－7。(3)拌合站年生产率:Qy=K×y×Qd(3)式中Qy为搅拌机年生产率(m3/年);K为年产能力不均衡系数，可取0.65－0.75;y为年有效工作天数，可取306。实际生产过程中存在很多不确定因素，比如砂石料的供给、混凝土搅拌运输车的运输能力等都可能影响搅拌站的生产效率。本次计算中所有参数取其范围内的中间值，即取日产能力不均衡系数a=0.65，每班有效工作小时数t=6.5，年产能力不均衡系数K=0.7。铁路施工现场最常采用的搅拌机型号是单主机周期式双卧轴强制式搅拌机(HZS)120和180(单位:m3/h)。本文考虑两种主要搅拌机型号与数量配置，即2HZS120和HZS180，分别计算其各自生产能力。(1)验算2HZS120的生产率按照现场测定，HZS120每3min可以生产2.4m3混凝土，每小时产量48m3。2台HZS120型设备每小时可以生产Qh=96m3混凝土，则日生产能力为Qd=1310m3，年生产能力为Qy=280688m3。(2)验算HZS180的生产率按照现场测定，HZS180搅拌机生产10m3混凝土从下料、搅拌、出料共耗费8min，即每小时可以生产Qh=75m3，则日生产能力为Qd=1024m3，年生产能力为Qy=219287m3。现场测定结果与通用图［4］进行对比(其中HZS180按照2HZS180产量的一半计算):对比可知，通用图的结果与测定的结果存在一定差异。测定的结果均小于通用图所给的生产率，但是结果相差不大。两者的差异可能由多种因素引起，比如拌制混凝土的强度:一般来说混凝土的标号越高，其搅拌时间相应变长，导致生产效率降低。通过以上对照分析可以看出:首先，2HZS120和HZS180两种不同配置的搅拌站的生产效率差异比较大，2HZS120拌合站的生产效率大于HZS180拌合站的生产效率;其次，两种不同的拌合站配置均可以满足所研究隧道2#和3#斜井工区的混凝土供应;另外，HZS180拌合站的生产效率更接近两个斜井工区的施工需要。然而实际施工中，考虑到保证混凝土供应的持续性和稳定性，往往选择双机拌合站。因此实际设置拌合站时，本工点选择2HZS120拌合站比较合理。
6结论
本文以隧道工程案例，对混凝土拌合站的搅拌机型号和数量的配置方法进行了研究，提供了针对不同工点拌合站搅拌机配置的计算方法。本方法结合现场实际施工工期、施工组织和施工进度合理安排，以供应范围内所有工点的日最大混凝土需求量为基础，确定最佳搅拌机配置，满足生产要求，避免资源浪费，同时由于不同型号拌合机的生产效率差异比较大，故在计算时充分考虑该差异带来的影响，确保拌合站搅拌机配置的合理性，满足连续供应的施工要求。
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