银西高铁特殊地层隧道修建技术研究与应用

马新民

（银西铁路有限公司，宁夏 吴忠751100）

0 引言

银西高铁自东南向西北依次横跨陕西、甘肃、宁夏三省（自治区），作为连接陕甘宁革命老区的首条高速铁路，对于推动革命老区发展、连接关中天水经济区、陇东地区和沿黄城市带将起到重要作用，线路依次穿越咸阳塬、长武塬、早胜塬、董志塬等几大典型黄土塬区，巨厚的土层分布及丰富地下水为隧道建造技术研究提供了机遇和挑战。

银西高铁正线全长约617 km，设计时速250 km，基础设施预留提速条件，隧道按照时速350 km的断面设计，全线隧道全长146.325 km（33座），其中甘宁段隧道全长84.180 km（22座），黄土塬区隧道断面大、数量多、段落长，地质复杂，给隧道修建带来极大困难，迫切需要理论上的进一步发展与突破和技术上的探索与创新。银西高铁要实现在黄土高原上的庆阳设站，隧道线路需穿越世界最大黄土塬——董志塬，上塬、下塬的隧道工程难以避免穿越软塑黄土夹层带、黄土古土壤层、高含水率黄土层、红黏土膨胀地层及长段落不同岩土的接触带等。依托早胜3号、上阁村、驿马1号、庆阳等典型隧道，重点研究软塑黄土、古土壤及红黏土膨胀地层等大断面隧道工程的修建技术，并积极开展新技术、新材料、新设备、新工法的研究，优化提升施工组织、施工方案及工艺，并确保施工中隧道安全、质量、进度、成本可控，增强环境保护能力，有针对性地研发新产品，推动专业技术进步，为类似工程建设提供借鉴。

1 陇东黄土高塬地质地理特征研究

银西高铁穿越世界最大黄土塬——董志塬，约700 km2，横跨庆阳市四县区，是面积最大、土层最厚、保存最完整的黄土塬面，堪称“天下黄土第一塬”；塬面平坦宽阔，微向东南倾斜，塬中心倾角近1°，边缘倾角3°～8°，塬周边冲沟发育，切割深度一般为150～200 m，白垩纪地层在冲沟底部或侧部有出露；黄土塬表层为第四系上更新统黄土，厚度为10～15 m，黄土具有湿陷性，对浅埋隧道有影响。第四系中更新统黄土，厚度为150～190 m；黄土塬地下水水位埋深40～75 m，黄土梁峁地区大于100 m，冲沟地下水埋深5～20 m，潜水含水层黄土处于饱和软塑状态，对隧道稳定性具有很大影响［1］。老黄土地层中的黄土古土壤及下伏新近系泥岩（红黏土层）具有弱膨胀性，均对隧道稳定性具有一定影响。穿过软塑黄土地层的上阁村隧道地质剖面见图1（位于甘肃省庆阳市宁县境内）。

图1 上阁村隧道地质剖面图

1.1 软塑黄土工程地质特征

软塑黄土具有含水率高、强度低、自稳能力差等特点。软塑黄土地层隧道施工风险高、难度大，极易发生施工灾害，主要表现为变形过大侵限、初支喷层开裂、钢拱架扭曲、拱脚失稳和仰拱底鼓等现象，局部地段甚至发生塌方等，不仅影响施工安全和质量，也对后期运营带来不利影响［2-7］。

陇东黄土塬区软塑黄土位于潜水含水层上部，厚度20～40 m，下伏相对隔水底板，该区域中更新统黄土层上部土质颗粒较粗，结构疏松，孔隙裂隙发育，是主要的含水层，也是地下水的储存空间和运移通道，下部由于黏质黄土多，压缩程度较高，透水性较差，为相对隔水层。

这种特殊地层组合使地下水汇集于隔水层之上一定范围内，该范围黄土浸水软化达到软塑状态，往往呈层状分布于地下水位线附近，含水率介于27.2%～29.7%，干密度为1.53～1.57 g/cm3，饱和度95%～102%，称为软塑黄土层。软塑黄土含水量高、强度低、自稳能力差，对隧道修建影响严重（见图2）。

图2 软塑黄土隧道围岩状态及施工灾害

针对软塑黄土大断面隧道，通过研究得到如下成果：

（1）基于软塑黄土层与隧道不同空间关系，提出软塑黄土与隧道空间关系分类，确定软塑黄土层对施工期隧道的影响范围为隧底以下4 m、拱顶以上10 m的设计施工参考值。

（2）通过对隧道初期支护的变形和受力进行分析，首次确定软塑黄土大断面隧道自稳状态下的界限含水率为25.7%、隧底水压力分布为W形、临界动水压力最高可达无高速列车作用下水压力的5倍、围岩脱空范围最大可达6.12%、最大劣化深度可达11 cm的界限值。

（3）通过对软塑黄土围岩隧道现场含水率监测及围岩稳定性变形监控量测，得出黄土地层隧道施工含水率界限值及其施工建议。①当含水率低于20.0%时，可正常开挖；②当含水率为20.0%～25.7%时，启动Ⅱ级预警，需密切关注围岩变形稳定情况，必要时对围岩采取加固措施；③当含水率为25.7%～29.0%时，土体可能由硬塑状转化为可塑-软塑状，围岩变形过大，稳定性下降，必要时启动Ⅰ级预警，采取加强超前支护、洞内帷幕注浆、地表降水、洞内排水等综合辅助措施。

（4）研发了微台阶四步施工工法及大埋深地表降水和地表刚性袖阀管注浆工艺技术。

1.2 古土壤地层岩土工程特性

（1）古土壤物理力学特性。黄土古土壤有自身完整的发育剖面，聚集大量碳酸钙并胶结成形态多样的钙质结核层，含有较高的黏土矿物，遇水膨胀、崩解，失水急剧收缩开裂，具有往复胀缩变形的特点［8-10］。银西高铁黄土塬区隧道穿越的古土壤层处于午城黄土（Q1）中，且处于午城黄土下部。古土壤物理力学特性见表1、表2。

表1 古土壤物理特性统计

表2 古土壤力学特性统计

可见，围岩含水率在不同地方存在差异，但相差很小，围岩古土壤在该区域含水率均一；表明围岩土体干密度较大，土质密实，有利于围岩稳定；根据塑性指数基本大于17可知围岩土体可塑性较好，属于坚硬状态；力学强度较大。

（2）古土壤膨胀特征（见表3）。天然状态下古土壤的膨胀潜势为中，早胜2号隧道和早胜3号隧道3#斜井银川方向上下台阶的古土壤无膨胀性。若隧道出现明显渗水、股水，易使围岩含水量增加，导致围岩吸水膨胀，后期存在衬砌开裂、隧底上拱等病害风险。

表3 古土壤膨胀特征统计

初始含水率变化造成的膨胀率差异较大，不同初始含水率下膨胀率随时间变化规律基本一致，可分为快速上升、缓慢上升、平稳3个阶段；膨胀力与初始含水率呈指数关系；相同初始含水率条件下，重塑土膨胀力约为原状样的5倍。

通过上述研究，针对古土壤膨胀地层大断面隧道得到如下研究成果：古土壤膨胀地层大断面隧道修建过程中隧道基底注浆对土体挤密的范围值，即当注浆压力为1.5 MPa时，土体挤密区域为7～8 m。

1.3 红黏土地层岩土工程特性

1.3.1 物理力学特性

现场取样可发现，红黏土表面呈现棕红色，成分以黏粒为主，结构紧密，裂隙不发育，土质硬，可见大量黑色铁锰质斑点［11-16］。

试验过程严格按照《铁路工程土工试验规程》的试验步骤进行操作，分别获得红黏土物理力学指标（见表4）。

表4 红黏土物理力学指标统计

1.3.2 矿物组分特征

红黏土含水率适中，围岩干密度较大，土质密实，有利于围岩稳定；围岩土体可塑性较好，属于坚硬状态；力学强度较大。

（1）从矿物的定量分析可知，红黏土的黏土矿物含量为24%，主要成分为伊利石、蒙脱石和伊蒙混层矿物，其中伊蒙混层矿物中伊利石含量为8%，蒙脱石含量为9%；粒状矿物含量为72%，主要成分为石英、钾长石、钠长石和方解石。可见红黏土中黏土矿物总量不多，而且黏土矿物中伊利石含量最高，蒙脱石占极少一部分。

（2）红黏土的主要化学成分为SiO2、CaO、Al2O3，其中Si、Al元素的含量主要来源于伊利石，Ca元素主要来源于方解石。这3种化学成分约占土体中所有化学元素总含量的69%。因为红黏土中SiO2、Al2O3含量较高，所以红黏土中硅酸铝盐黏土矿物含量普遍较高。

1.3.3 微观形态特征

红黏土中主要基本单元为凝聚体，凝聚体内部主要为石英、方解石和黏土矿物等，其颗粒大小不等，有铁锰质胶膜或钙质胶膜结合，构成红黏土的基本骨架。

碎屑颗粒以较小的单元体分布于土体中，通常散乱分布，无明显规律可循。

叠聚体单元填充在粒状聚集体空隙中，主要由伊蒙混层、伊利石组成，呈曲片状、蜂窝状或半蜂窝状。这些叠聚体单元具有较大的膨胀潜势，是引起红黏土膨胀的主要因素。

连接体单元分布于其他单元的孔隙中，主要是呈丝缕状的伊利石单体，通过连接节点与方解石接触。这些连接体降低了孔隙的有效透水孔径，使土体的透水性降低，一定程度上限制了土体的膨胀。

1.3.4 红黏土膨胀特征

（1）不同初始含水率原状土样膨胀规律根据含水率明显分为2种模式：土样含水率为3%时膨胀率最大，达到7%；土样含水率为21%及饱和时几乎不膨胀，属于弱膨胀性围岩。

（2）经重塑过程破坏土体自身结构特性后，膨胀潜势与初始含水率呈明显线性关系，初始含水率越低，膨胀潜势越大。与原状土样不同的是，土样含水率为21%与饱和样相比仍有2%左右的膨胀率释放过程，这说明土体本身的结构性制约了膨胀的释放。

2 富水软塑黄土层隧道地表深孔注浆技术研究

2.1 隧道工程地质及难点

上阁村隧道洞身穿越董志塬的低侧，隧道施工最大难点为洞身3 870 m长段落穿越富水软塑黄土夹层，埋深均为80～100 m，含水率高达33%，极易引起围岩渗水软化变形、突发坍塌、地表沉陷及地下水流失等问题。因黄土塬原始垂直地裂缝造成地下水下渗、汇集，开挖后受地下水作用，土体塑性状态发生变化，软塑层范围扩大，围岩稳定性变差，极易发生变形、涌泥、涌水、坍塌等［17］。

2.2 深孔袖阀管预注浆施工方案及实施

上阁村隧道定向超深孔地表袖阀管注浆技术通过研发钻孔精度控制器，提高了钻孔精确度，钻孔倾斜率小于0.3%，注浆孔位可按照设计参数精准控制，且通过研发高强度止浆塞水囊，可实现超深孔水囊泄压，防止了止浆塞卡管问题，不同地层灵活选用注浆材料、调整注浆参数，实现深孔靶向注浆，保证注浆效果。浆液结石体和刚性阀管共同作用，提高了地层稳定性，有效控制结构变形，稳定开挖面，保证隧道开挖安全。

2.3 注浆方案确定

按照门字形注浆加固选择加固范围。地表注浆门字形注浆加固范围注浆设计见图3、图4。其中地表注浆孔布置按照设计要求2.25 m×2.25 m等边三角形梅花形布置，地表钻孔直径为110 mm，注浆扩散半径为1.2 m。

图3 地表注浆加固横断面

图4 地表注浆孔平面布置

2.4 控域工艺

由于注浆孔深达104 m，注浆加固范围在地表以下85 m，如果采用传统水泥-水玻璃双液浆孔外混合的方式，双液浆的泵送行程太长，极易导致双液浆在孔内凝固堵塞注浆管，造成废孔。通过在外圈孔注入双液浆形成止浆帷幕的设计目的难以实现。为解决以上问题，研究了孔内混合双液浆技术，在袖阀管中下入2根芯管，分别注入水泥单液浆和水玻璃浆液，按照浆液配合比控制注入速度，使水泥和水玻璃在孔底混合，精确控制凝固时间，实现了控域注浆的目的。

2.5 地表深孔注浆特点

在深埋富水黄土隧道地质中施作地表注浆是世界首例。以上阁村隧道为例，地表刚性袖阀管注浆（也称为DDD注浆工法，即地表、大口径、定位注浆工艺）具有以下特点：

（1）成孔工艺要求高。当设计钻孔深度大于70 m时，为保证袖阀管顺利下入到预定深度，钻孔孔径需达到127 mm或150 mm；为保证钻孔施工效率和钻孔垂直度，需采用高功率、大扭矩、自动调整钻机水平度、稳定性好、移动便捷的钻机；钻机配套钻具需采用大直径、高强度的φ76 mm、φ89 mm、φ102 mm钻杆。

（2）封孔工艺要求高。袖阀管和孔壁间的空隙需用套壳料灌注封闭，封孔效果好坏直接关系到注浆质量。

（3）止浆工艺要求高。常规袖阀管注浆压强要求为0.5～2.0 MPa，刚性袖阀管注浆压强需达到2.0～8.0 MPa，对止浆系统质量要求非常高。

（4）通过下入1套或2套注浆芯管，配合特制囊式止浆塞，可实现精准定位注浆，也可满足同一地层注入不同浆液或重复注浆。

（5）采用刚性袖阀管。常规PVC袖阀管使用于30 m孔深以内的地表注浆。刚性袖阀管采用无缝钢管加工制作，可适用于深孔、超深孔注浆需要。

（6）对浆液要求高。浆液需采用快速凝胶材料工艺。富水黄土隧道含水率高，分层明显的地层中，普通水泥单液浆胶凝时间为6～8 h，浆液会顺着地层流失，无法满足注浆压力要求。单液浆析水率高，对堵水和降低富水黄土含水率效果较差。需采用胶凝时间20～40 min的快凝浆液和水泥-水玻璃双液浆实现控域定位注浆的目的。

2.6 注浆加固效果

上阁村隧道采用百米级地表深孔定向袖阀管注浆加固地层后，隧道开挖揭示掌子面浆液浆脉挤密、劈裂、发育充分，掌子面稳定，达到了设计加固的要求，开挖安全可控，隧道由原来的月进尺不足10 m，改良地层后达到月进尺80 m。直接观察效果见图5。

图5 隧道开挖揭示掌子面浆脉

3 软塑黄土层隧道地表深孔降水技术研究

3.1 施工降水对围岩工程性质的影响

通过对上阁村和驿马1号隧道水文地质和水资源背景的研究，建立了浅层地下水二维稳定流数值模拟模型，预测了水位高和水位降深等随时间的变化情况，结论如下［18-21］：

（1）地表降水工程对降低斜井洞内涌水量有较明显的积极作用，斜井洞内流量平均值从151.2 m3/d降低至61.0 m3/d，平均值降低约2/3。越靠近降水井井群边缘的降水井当日流量相对越大，而越靠近井群中心的降水井当日流量较小，也说明降水工程对地下水水位降低起到积极作用。但也有部分相邻降水井当日流量相差较大，沿平面上某一特定连线上的降水井在当日流量相近。这可能是地层中部分地段存在贯通裂隙，形成地下水优先汇集通道，当降水井抽水时，地下水快速从汇集通道排出，从而在同一抽水时段相邻降水井抽水量有大小差别，且沿某一特定连线上的降水井流量相近。

（2）地表降水工程能够显著抽排软塑黄土中的裂隙水，但不能显著降低软塑黄土本身物理力学特性。地表降水工程对施工期软塑黄土隧道施工具有降低施工风险、加快隧道开挖进尺的有利作用，对高铁运行期的软塑黄土本身物理力学指标影响不大，但由于软塑黄土本身性质的特殊性，应结合铁路相关规范进行地基加固等工程处理。

（3）降水井施工情况及地下水模拟结果表明，地表降水工程可在降水井周围形成降水漏斗。在抽水初期，水位高程变化速率较快，水位降深迅速。根据模拟结果，在理想状态下开始抽水后60～90 d，水位高程即可降低至隧道开挖底板附近。

（4）隧道开挖每天进度约1.8 m，抽水布井间距为25 m。隧道开挖及掌子面开挖完成至二衬完成期间仍需维持抽水作业，掌子面开挖至二衬完成需60～70 d。综合来看，应考虑影响半径和布井间距、地层不均匀性、围岩具体空间变异性、隧道埋深地段和施工的具体情况，正常情况下，抽水作业至少需持续进行120～160 d，遇特殊工况时应在保证安全的前提下适当增加持续抽水天数。

3.2 降水井布置

降水井布置于隧道轮廓线外侧边缘左右侧4 m处，间距按25 m考虑，直径325 mm，降水井深进入隧底高程以下30 m，降水井深90～139 m，布置示意见图6。

图6 地表降水井布置示意图

3.3 降水井实施原则

降水井应集中实施，单座井完成后应连续进行抽水作业，降水井完成后要进行预降水工作，群井降水应分组进行，掌子面附近降水井组不少于6座。预降水时间不短于4个月，降水井使用完成后需采用混凝土进行回填封闭。

3.4 降水效果

降水前后围岩情况对比见图7。

图7 降水前后隧道情况对比

（1）掌子面围岩性质改善明显。驿马1号隧道开展地表降水后，洞内渗水量显著减少，围岩工程性质明显改善。进、出口正洞工区、斜井工区掌子面围岩以硬塑为主，局部夹软塑，含水率约23%；横洞工区掌子面围岩以硬塑为主，局部夹软塑，含水率约27%。总体降水效果十分明显，含水率由31%（平均值）下降至25%（平均值），裂隙水基本疏干。

（2）掌子面掘进环境明显改善。进入地表降水群井效应区域后，掌子面水量明显减少，掘进环境改善，掘进速度加快。正洞月均进尺由降水前的47.2 m上升至62.4 m，施工组织工期由滞后8.0个月改善为提前1.1个月，有效保障了全隧（Ⅰ级风险隧道）的顺利贯通。

4 隧道基底处理及结构设计研究

4.1 软塑黄土及其影响段隧底加固技术

通过试验研究，采用φ76 mm、厚5 mm的刚性袖阀管后退式分段注浆工艺，分段长度0.5～1.0 m，对软塑黄土及其影响段隧底加固区进行注浆。注浆结束后及时对钢管内浮浆及虚渣进行清除，并灌注TGRM特种灌浆料充填密实，以保证封孔效果。

注浆材料以“普通水泥单液浆+HPC外加剂”为主，水泥-水玻璃双液浆为辅，外加剂掺量15%～20%。

HPC外加剂即在普通水泥浆中添加一定比例的HPC注浆材料外加剂，在保证普通水泥浆流动度的前提下，调整普通水泥浆的凝结时间，提高其抗水分散性和结实率，降低泌水率。

单孔注浆终止标准：单孔注浆量达到单孔设计注浆量的1.5倍或单孔注浆压力达到设计注浆压力并稳定10 min后结束注浆。

袖阀管注浆加固范围为仰拱开挖轮廓线外4 m。注浆孔按2.25 m×2.25 m等边三角形布置，浆液扩散半径为1.3 m，注浆压力1.0～1.5 MPa。基底注浆部分工序见图8。

图8 基底注浆部分工序

注浆前隧道基底土体含水率为27%～34%，注浆完成后检验芯样含水率为17%～24%。

根据对已完成注浆段取芯效果检验，注浆前后土体含水率降低约10个百分点，土体渗水量明显减少，芯样强度及密实度较原状土有了很大提高，验证了通过袖阀管注浆对隧道基底土体加固效果明显。确定的最终注浆参数见表5。

表5 最终注浆参数

采用袖阀管注浆加固隧道基底软塑黄土具有良好的基底加固效果。钻孔阶段，钻孔对周围土体的影响范围很小，为1.5～3.0 m；注浆阶段，浆液扩散区内土体应力增长沿径向由内向外呈递减趋势，1.5 MPa压力下注浆的影响区域为7～8 m（加固区域仍有待验证）；注浆停止后，土体应力及孔压在约13 h后基本趋于稳定，稳定周期短。

4.2 微膨胀土层大断面隧道仰拱曲率研究

以银西高铁庆阳隧道为工程背景，通过对隧道结构的数值模拟，分析其衬砌结构的弯矩、剪力、轴力图，得出每种工况各自的最优仰拱曲率半径。

（1）庆阳隧道原工程背景下，含水率为20.4%、膨胀力3.64 kPa时，隧道最优仰拱曲率半径取10.50 m。

（2）当红黏土隧道含水率为3.0%时，膨胀力变化最大，最大为44.16 kPa，隧道最优仰拱曲率半径取9.23 m。

（3）当红黏土隧道含水率为12.0%时，膨胀力变化最快，膨胀力为9.68 kPa，隧道最优仰拱曲率半径取10.50 m。

4.3 隧底防排水

弱膨胀性地层隧道设计施工应以控制隧底上拱变形为重点，膨胀性围岩隧道隧底上拱控制措施主要有隧底降水泄压、增设抗隆起锚杆、优化仰拱矢跨比、增强支护参数等，弱膨胀土隧道隧底排水方案见图9。

图9 弱膨胀土隧道隧底排水方案

针对弱膨胀隧道工程特征及渗流特性，可通过优化仰拱矢跨比、加密初支钢架、增大仰拱厚度等措施来预防控制隧底上拱。由于弱膨胀土渗透系数较小，隧底降水效果有限，但应加强隧底排水，保证隧底无积水，避免由于隧底积水下渗引发隧底围岩膨胀变形。

5 隧道排水系统防结晶技术研究

5.1 隧道排水系统结晶现状

排水盲管与排水沟作为铁路隧道防排水系统重要组成部分，其通堵状态直接关系到铁路隧道服役性能与结构耐久性。

近年来，排水系统结晶堵塞逐渐引起各方重视，其具有以下特点：

（1）普遍性。隧道排水系统结晶现象在我国东北、西北、西南、华南等地区铁路隧道普遍发生，在公路、水工等隧道工程中也普遍出现，成为隧道工程的共性问题。

（2）危害性。铁路隧道排水结晶堵塞使得隧道排水系统整体失效，恶化了隧道结构受力与服役状态，进而导致衬砌开裂、渗漏水、挂冰、隧底上拱等次生病害，严重影响隧道结构服役与运营安全。

5.2 排水盲管及防结晶排水系统

银西高铁针对铁路隧道排水系统结晶堵塞问题，采用资料分析、理论分析、现场调研、现场测试、化学检验及模拟试验、现场试验相结合的方法，研发了一种隧道盲管密封器，能有效解决铁路隧道排水系统结晶问题。

通过现场试验，将排水盲管应用于防结晶排水系统，测试排水系统内外部环境参数，检验结晶体与水样化学成分、pH值等，室内模拟结晶生成过程，明确结晶机理及影响因素，将排水系统结晶防治技术开展现场应用。防结晶排水系统示意见图10。

图10 防结晶排水系统示意图

现场对比试验结果表明，衬砌出水口安装U形密封器后，在保证排水顺畅的基础上，隔绝了排水系统内部空气对流交换，有效抑制了结晶体生成，同期未安装U形密封器的排水管内壁结晶明显，说明衬砌出水口安装U形密封器的全密封排水系统能有效防止排水系统结晶堵塞。同时U形密封器便于拆卸安装，具有可维护性。

6 隧道修建技术研究

6.1 软塑黄土隧道修建技术

（1）针对黄土台塬区位于地下水位中浅埋慢坡隧道软弱围岩的特性，采用地表注浆、降排水等超前改变围岩特性的方式，可有效提升10%～35%围岩强度，控制27%～50%的地表沉降和围岩变形，在提升隧道整体稳定性、确保开挖安全方面效果明显。采取地表深孔降水后达到月进尺62.4 m；采取地表深孔注浆改良地层后通过四台阶核心开挖工法开挖，可达到月进尺80.0 m，四台阶核心开挖工法示意见图11。

图11 四台阶核心开挖工法示意图

（2）浆固碎石桩作为一种新型桩基，在黄土隧道软土地基加固方面有其特殊优点：加固效果好，质量可靠；处理深度大；施工效率高；施工质量易于保证；质量检测简单快捷；经济性优越。综合上述优点，选其作为加固方案技术可行、经济合理。

（3）银西高铁软塑黄土隧道洞身和隧底都为软塑黄土、拱顶为软塑、隧底为硬塑时，隧底采用帷幕注浆和袖阀管注浆，在高速列车动荷载作用下均能够满足结构安全要求，保证了隧道运营期间的稳定性。

（4）软塑黄土分布于拱顶时，掌子面围岩稳定性差，当拱顶以上软塑黄土厚度（h1）＜3 m时，采用超前小导管支护方式能使开挖后隧道变形和受力稳定；当h1＞3 m时，采用超前小导管的预支护效果差，表现为掌子面纵向挤出变形过大。因此在h1＞3 m时应采取地表注浆、洞内帷幕、超前大管棚等更加有效的措施以保证施工安全。

6.2 古土壤隧道修建技术

（1）在古土壤膨胀地层大断面隧道修建技术方面，以银西高铁黄土塬区早胜1号、早胜3号隧道的黄土古土壤作为研究对象，通过现场试验、室内试验与数值模拟为主，理论分析为辅的方法，系统确定黄土古土壤的工程特性，揭示黄土古土壤隧道围岩与支护相互作用机理，提出经济适用的黄土古土壤隧道围岩加固措施和施工方案，为高效治理黄土古土壤地层隧道围岩稳定性提供技术支撑。

（2）建立隧道二衬智能化成套施工技术，创新采用衬砌钢筋防水层一体化台车，实现了土工布、防水板和衬砌钢筋的整体提升安装，降低了人工作业强度；研制采用的二衬台车端头软搭接装置、衬砌防脱空预埋件和智能养护台车，大幅提高了隧道二衬施工质量，避免了隧道质量缺陷。

（3）为提高黄土古土壤的开挖效率，减少超欠挖及设备投入，施工过程中将挖掘机斗换成刀头+快速转换接头的装置组，实现了多刀头快速转换挖斗，解决了开挖、修边及出渣设备问题，达到快速、高效、优质、超欠挖精准控制的开挖掘进目的。

（4）早胜3号黄土隧道采用人工配合KGM12200型多拱支护机械手进行钢拱架运输、安装作业，提高了劳动生产率，极大降低了工人劳动强度及安全风险，取得了较好的经济效益和社会效益。

（5）通过对黄土塬区古土壤地层物理力学特性、地层受力特征、隧道机械化快速开挖支护和衬砌成套智能化施工进行研究，研制应用了新型设备，优化了设计参数，创新了施工工艺两台阶核心开挖工法（见图12），实现了早胜3号隧道安全快速施工，平均月进尺81 m，最快月进尺136 m，实现了优质高效的目标，实现了隧道的安全贯通。

图12 两台阶核心开挖工法示意图

6.3 新近系红黏土隧道修建技术

红黏土是具有高含水量、高孔隙比、高液塑性及塑性指数等不良物理特性的特殊土，遇水后膨胀，失水后剧烈收缩，水敏感性最为突出，其遇水膨胀及失水干缩的特性可能会产生仰拱隆起等病害，对隧道施工产生不利影响。银西高铁穿越红黏土地层的隧道有庆阳隧道、贾家湾隧道及宁县1号隧道，具体情况见表5。

表5 研究依托隧道具体情况

在新近系红黏土大断面隧道修建技术方面，通过其显微构造特征及膨胀性影响因子分析，建立有限元模型，分析计算膨胀力对隧道结构影响机理；对隧道施工期红黏土围岩水分迁移规律、支护结构受力特性、隧道隧底上拱机理研究及控制技术、合理支护体系、隧道仰拱积水处理、适宜性开挖方法、大断面隧道工装配套技术等主要内容开展研究。得出红黏土隧道膨胀性围岩隧道底鼓病害产生机理，可为类似工程提供理论参考。

通过上述研究，针对新近系红黏土大断面隧道得到如下研究成果：

（1）通过对红黏土隧道施工工法（全断面法、两台阶开挖法、三台阶七步法、CD法、双侧导坑法）进行基于有限元理论的实际施工过程仿真计算，分析开挖过程中的围岩应力场、位移场、支护结构强度变化等规律，以及施工现场的逐步验证，得到适用于深埋大断面膨胀性红黏土隧道的施工方法，即准全断面核心开挖工法（见图13）。

图13 准全断面核心开挖工法示意图

（2）结合地下水分布及渗流等水文地质特点，综合考虑施工期与运营期需求，红黏土隧道应以隧底防排水为重点，充分重视红黏土膨胀性，采取特殊“防、排、截、堵、泄、降”等相结合的综合措施，切实做到防水可靠，排水顺畅。

（3）研究发现三齿松土器是最适合双线大断面红黏土隧道的开挖配件之一。

（4）大断面红黏土隧道跨度大，作业面积较广，且台阶法开挖时上部开挖需要挖机臂长较长、功率较大，比较适合作业的挖机型号主要有PC270、PC300、PC360等。

（5）开挖采用挖掘机配备松土器，支护采用钢架机等机械化配套设备，施工效率和安全性有很大提高，能形成连续的开挖出砟流水作业，施工效率高。最终形成“大断面红黏土隧道松土器开挖施工工法”和“大断面红黏土隧道准全断面法开挖工法”，最快为月进尺156 m，实现了优质高效的目标［22-25］。

7 结论

结合银西高铁特点，开展针对性研究工作，取得显著成效。

（1）软塑黄土隧道作为银西高铁大断面隧道工程建设中最为困难的部分，软塑黄土是深厚富水黄土，其水量丰富，补给来源强，施工难度大。通过基础理论研究，首次将含水率影响纳入围岩压力计算公式，提出软塑黄土地层中大断面隧道的荷载计算方法，确定初期支护变形控制值。结合地层特点，分段进行地表降水、洞内帷幕、地表注浆、基底加固等辅助措施，有效控制初支变形和掌子面的稳定。

（2）构建了以红黏土、古土壤为代表的弱膨胀地层膨胀力释放条件下的隧道力学模型，研发了隧道底鼓控制技术。

（3）引入了地表刚性袖阀管注浆法，在深埋富水黄土隧道地质中施做地表注浆为世界首例。通过百米级地表深孔定向袖阀管注浆加固地层后，隧道开挖掌子面浆液浆脉挤密、劈裂、发育充分，掌子面稳定，达到了设计加固的要求，开挖安全可控。

（4）针对铁路隧道排水系统结晶堵塞问题，研发一种防结晶排水系统，该系统能有效解决铁路隧道排水系统结晶问题。

（5）针对不同地层采用不同的新型开挖工法，实现了优质高效的目标。确保施工安全，加快施工进度，为银西高铁高质量建设保驾护航。

银西高铁隧道的建设，使我国在黄土塬区大断面隧道修建技术方面的能力大幅提升，研发了适合黄土塬区大断面隧道的大型成套施工设备，突破了一批制约黄土塬区大断面隧道修建及运营的技术难题。我国黄土塬区长大高速铁路隧道的修建技术进入自主创新阶段。