銀西高鐵彬縣隧道施工關鍵技術

徐興國

(中鐵十一局集團第一工程有限公司 湖北襄陽 441104)

1 工程概況

銀西高鐵彬縣隧道位于陜西省彬州市境內，全長14 251.32 m，最大埋深約280 m。隧道區域為黃土梁源溝壑區，地面相對高差約320 m，梁源呈東北西南走向，東北高西南低，邊緣破碎，溝壑發育，支溝下切較深，多呈“V”字形，兩岸邊坡高陡，交通極其不便。隧道通過的地層主要有第四系全新統滑塌堆積層、洪積層，上、中更新統風積黃土，中更新統沖積細砂，白堊系下統礫巖與砂巖互層，侏羅系中統砂巖、頁巖[1]。設有1座單車道、2座雙車道無軌運輸斜井輔助施工，1＃斜井－284.49 m、2＃斜井－1 568.81 m、3＃斜井－1 102.35 m。1＃、3＃斜井按永久工程設計，其中1＃斜井設置為緊急出口，3＃斜井井底設置一處避難所。

2 工程難點分析

隧道地質為砂質富水弱成巖，圍巖未擾動時，穩定性較好，干燥狀態下巖石抗壓強度能達到35 MPa。實際施工時，存在“機械挖不動、爆后成泥砂、水泡成泥巴、軟化流塑狀”等工程特性[2－4]，這種工程特性對隧道施工的影響主要有以下幾方面:

2.1 砂質富水弱成巖出渣工效低

隧道地層為砂質富水弱成巖，地下水主要類型為黃土孔隙潛水和基巖裂隙水。隧道開挖爆破后圍巖呈粉細狀，與基巖裂隙水混合后成泥漿(見圖1、圖2)，存在如下問題:一是裝載機裝渣漏料嚴重，需2臺挖機接力出渣，且在出渣過程中需對平臺坡道反復修整，裝渣效率低；二是采用三臺階七步開挖法，設備工作空間受限；三是車輛進出通行困難，出渣時間長，運輸效率低；四是粉細砂爆破后污染仰拱初支面，清理困難，施工進度慢。一般無水或圍巖強度高隧道，正常出渣時長3.5 h，彬縣隧道受以上因素影響，每車出渣時間延長約3 min，每循環出渣時長4.5 h，比正常情況下增加1 h。

圖1 中臺階水泡成泥巴，反復修理平臺坡道

圖2 下臺階水泡成泥巴，挖機出渣困難

2.2 掌子面月進度受仰拱進度制約影響大

Ⅳ級圍巖掌子面的正常進度3.2～3.6 m/d(進尺長度2～3 m、每循環耗時15～20 h)，完成12 m時間為:3.33～3.75 d。Ⅳ級圍巖仰拱完成12 m仰拱的時間為:4.2 d。仰拱、掌子面進度不匹配，按滿足步距的要求，存在掌子面定期等待施工的情況。主要影響原因:一是，爆后馬上初支掌子面通道會切斷，不能均衡作業；二是，爆后不清，下導后回填，拱腳被水泡，安全風險大；三是初支緊跟后回填，清淤工作量大，仰拱進度跟不上掌子面進度。

2.3 富水地層防排水質量隱患多

隧道斜井最長1 660 m，掌子面距洞口均超過2 km以上，地下水發育，砂巖地層易沉淀抽水困難，施工防排水質量隱患多。特別是2＃斜井的新增支洞，設計坡度為14%，均為砂巖，滲流水量大。存在如下問題:一是開挖時洞渣、滲流水均積在掌子面，渣水混合，裝載機出渣時漏料嚴重，效率低；二是水泵極易被泥砂掩埋，導致水泵干燒損壞而無法排水；三是水中含砂率大，堵塞主排水泵及管道，從而導致掌子面積水嚴重，耽誤施工。

3 關鍵技術

3.1 砂質富水弱成巖三臺階同步快速施工技術

根據圍巖地質特性結合監控量測數據對彬縣隧道砂質富水弱成巖地段三臺階七步開挖工法進行優化調整:

隧道左側開挖數據為上臺階左側長6 m，中臺階左側長15 m，下臺階長17 m，上臺階距離開挖輪廓線頂高度5.0 m，上中臺階之間高度3.0 m，中下臺階之間高度3.2 m。

隧道中間開挖數據為上臺階長8 m，中臺階長30 m，上臺階距離開挖輪廓線頂高度5.0 m，上中臺階之間高度3.0 m，中臺階從掌子面至仰拱方向緩慢降坡1.9 m，與簡易棧橋相接[5－9]。

隧道右側開挖數據為上臺階長8 m，中臺階長24 m，下臺階長6 m，上臺階距離開挖輪廓線頂高度5.0 m，上中臺階之間高度3.0 m，中下臺階之間高度3.2 m，詳見圖3。

圖3 三臺階平面布置(單位:m)

其主要工藝流程為:

(1)在上循環施作超前時，利用臺架對上臺階拱頂炮眼提前施工。

(2)對上循環噴射混凝土，同時注意保護炮眼。

(3)在隧道上臺階、中臺階、下臺階的開挖斷面處同時鉆孔、清孔，并在孔內裝填炸藥和堵孔。

(4)按照仰拱→下臺階→中臺階→上臺階處的順序起爆裝填的炸藥，爆破后及時通風排煙。

(5)通過挖掘機對上臺階渣土清理至中臺階，修筑臨時通道，將施工臺架運至掌子面，再將鋼架、鋼筋網片、錨桿等施工材料運送至上臺階。

(6)在上臺階開始拼裝拱架、掛鋼筋網片、打設錨桿并施作超前支護，利用臺架對上臺階拱頂炮眼提前施作，并對已經施作的炮眼進行保護。

(7)對中臺階、下臺階、仰拱進行扒渣。待中、下臺階及仰拱扒渣結束后，立即開始拼裝中下臺架及仰拱鋼架、掛鋼筋網片、打設錨桿等常規操作。

(8)上臺階、中臺階、下臺階按施作順序同時對其進行噴射初期支護混凝土。清理場地，開始下循環開挖。

3.2 仰拱雙棧橋快速施工技術

在原有懸臂液壓棧橋靠近掌子面一端設置4 m×4 m接駁過渡墩用于支撐懸臂液壓棧，此外新加一副15 m長簡易棧橋，一側搭至中臺階平臺上，另一側搭接至棧橋搭接平臺，用于仰拱開挖及仰拱初支施工。自行式仰拱液壓棧橋長28 m，一側搭接至棧橋搭接平臺，另一側搭接至已澆筑完成的仰拱填充面上，用于仰拱及填充的施工，見圖4。雙棧橋共同形成2個工作面，解決了仰拱填充跟不上掌子面掘進的進度問題，并將仰拱填充混凝土工序流水作業變為平行作業[10－11]。

圖4 三臺階雙棧橋開挖示意(單位:m)

其主要工藝流程為:

(1)自行式仰拱液壓棧橋下方對應第一板仰拱及填充施工。

(2)簡易棧橋下方仰拱初支開挖2個循環(每循環3 m，長6 m)。

(3)仰拱及填充施工完畢并達到設計強度的50%，前移簡易棧橋，前移棧橋連接平臺及自行式仰拱液壓棧橋。

(4)仰拱初支繼續開挖2個循環(每循環3 m，長6 m)后，進行下一板仰拱及填充的施工，進行循環施工。

3.3 砂質富水弱成巖旋流脫砂排水技術

首先，通過對洞渣取樣篩分，確定了洞渣內砂粒徑分布如圖5所示，粒徑0.075 mm以下砂粒對污水泵抽排無影響，不會堵塞管道及水泵；其次，通過渣漿泵快速抽干掌子面渣水混合物，來控制掌子面水位高度，確保渣土外露水面，不在水中和稀泥；第三，通過渣漿泵將掌子面渣水混合物抽至砂水分離機內，通過振動篩將粒徑0.075 mm以上的沙粒過濾出來，出渣時裝車運走，過濾完的水單獨抽排走[12－13]。

圖5 洞渣內砂粒徑分布

其主要工藝流程為:

(1)渣漿泵將掌子面渣漿混合物抽至砂水分離機內的儲水箱，經抽水泵將水抽至旋流器內，通過旋流器先將大部分水進行分離排至1＃泵站水箱。

(2)余下的泥砂在振動篩上進一步脫水，脫出的水回流至儲水箱，砂在尾部排出，詳見圖6。

圖6 旋流脫砂排水設備布置

(3)經振動篩脫水處理后的污水排至1＃泵站水箱，此時污水內僅含有直徑0.075 mm以下的砂，不會堵塞水泵及排水管路，再采用55 kW×2臥式渣漿泵＋φ200 mm排水管道逐級提升至2＃泵站、3＃泵站，最終排出洞外。

渣漿泵由一臺污水污物泵和兩臺攪拌泵組成，功率為22 kW ＋15 kW ×2，抽水能力180 m3/h，安裝有控制柜動態控制抽水功率。砂水分離機全長4 m、寬2 m、高2.5 m，總重1.5 t，占地小，重量輕，在雙車道洞內使用不干擾通行。

4 應用效果

(1)砂質富水弱成巖三臺階同步快速施工技術在1＃、2＃、3＃斜井及正洞均得到了應用，有效解決了彬縣隧道富水、弱成巖等施工難題，大大提升了施工進度，創造了砂質富水弱成巖隧道月進尺130 m的新紀錄。

(2)仰拱雙棧橋快速施工技術，通過增設簡易棧橋，增加仰拱初支作業面，減少了仰拱開挖爆破對仰拱作業區的干擾與破壞，提高了施工效率。

(3)彬縣隧道支洞高峰出水量為100～120 m3/h，采用旋流脫砂排水技術后，一是解決了掌子面出渣難的問題；二是杜絕了因細砂堵塞造成的水泵損壞；三是解決了排水管道堵塞問題；四是提升了掌子面施工進度。