银西高铁彬县隧道施工关键技术

徐兴国

(中铁十一局集团第一工程有限公司 湖北襄阳 441104)

1 工程概况

银西高铁彬县隧道位于陕西省彬州市境内，全长14 251.32 m，最大埋深约280 m。隧道区域为黄土梁源沟壑区，地面相对高差约320 m，梁源呈东北西南走向，东北高西南低，边缘破碎，沟壑发育，支沟下切较深，多呈“V”字形，两岸边坡高陡，交通极其不便。隧道通过的地层主要有第四系全新统滑塌堆积层、洪积层，上、中更新统风积黄土，中更新统冲积细砂，白垩系下统砾岩与砂岩互层，侏罗系中统砂岩、页岩[1]。设有1座单车道、2座双车道无轨运输斜井辅助施工，1＃斜井－284.49 m、2＃斜井－1 568.81 m、3＃斜井－1 102.35 m。1＃、3＃斜井按永久工程设计，其中1＃斜井设置为紧急出口，3＃斜井井底设置一处避难所。

2 工程难点分析

隧道地质为砂质富水弱成岩，围岩未扰动时，稳定性较好，干燥状态下岩石抗压强度能达到35 MPa。实际施工时，存在“机械挖不动、爆后成泥砂、水泡成泥巴、软化流塑状”等工程特性[2－4]，这种工程特性对隧道施工的影响主要有以下几方面:

2.1 砂质富水弱成岩出渣工效低

隧道地层为砂质富水弱成岩，地下水主要类型为黄土孔隙潜水和基岩裂隙水。隧道开挖爆破后围岩呈粉细状，与基岩裂隙水混合后成泥浆(见图1、图2)，存在如下问题:一是装载机装渣漏料严重，需2台挖机接力出渣，且在出渣过程中需对平台坡道反复修整，装渣效率低；二是采用三台阶七步开挖法，设备工作空间受限；三是车辆进出通行困难，出渣时间长，运输效率低；四是粉细砂爆破后污染仰拱初支面，清理困难，施工进度慢。一般无水或围岩强度高隧道，正常出渣时长3.5 h，彬县隧道受以上因素影响，每车出渣时间延长约3 min，每循环出渣时长4.5 h，比正常情况下增加1 h。

图1 中台阶水泡成泥巴，反复修理平台坡道

图2 下台阶水泡成泥巴，挖机出渣困难

2.2 掌子面月进度受仰拱进度制约影响大

Ⅳ级围岩掌子面的正常进度3.2～3.6 m/d(进尺长度2～3 m、每循环耗时15～20 h)，完成12 m时间为:3.33～3.75 d。Ⅳ级围岩仰拱完成12 m仰拱的时间为:4.2 d。仰拱、掌子面进度不匹配，按满足步距的要求，存在掌子面定期等待施工的情况。主要影响原因:一是，爆后马上初支掌子面通道会切断，不能均衡作业；二是，爆后不清，下导后回填，拱脚被水泡，安全风险大；三是初支紧跟后回填，清淤工作量大，仰拱进度跟不上掌子面进度。

2.3 富水地层防排水质量隐患多

隧道斜井最长1 660 m，掌子面距洞口均超过2 km以上，地下水发育，砂岩地层易沉淀抽水困难，施工防排水质量隐患多。特别是2＃斜井的新增支洞，设计坡度为14%，均为砂岩，渗流水量大。存在如下问题:一是开挖时洞渣、渗流水均积在掌子面，渣水混合，装载机出渣时漏料严重，效率低；二是水泵极易被泥砂掩埋，导致水泵干烧损坏而无法排水；三是水中含砂率大，堵塞主排水泵及管道，从而导致掌子面积水严重，耽误施工。

3 关键技术

3.1 砂质富水弱成岩三台阶同步快速施工技术

根据围岩地质特性结合监控量测数据对彬县隧道砂质富水弱成岩地段三台阶七步开挖工法进行优化调整:

隧道左侧开挖数据为上台阶左侧长6 m，中台阶左侧长15 m，下台阶长17 m，上台阶距离开挖轮廓线顶高度5.0 m，上中台阶之间高度3.0 m，中下台阶之间高度3.2 m。

隧道中间开挖数据为上台阶长8 m，中台阶长30 m，上台阶距离开挖轮廓线顶高度5.0 m，上中台阶之间高度3.0 m，中台阶从掌子面至仰拱方向缓慢降坡1.9 m，与简易栈桥相接[5－9]。

隧道右侧开挖数据为上台阶长8 m，中台阶长24 m，下台阶长6 m，上台阶距离开挖轮廓线顶高度5.0 m，上中台阶之间高度3.0 m，中下台阶之间高度3.2 m，详见图3。

图3 三台阶平面布置(单位:m)

其主要工艺流程为:

(1)在上循环施作超前时，利用台架对上台阶拱顶炮眼提前施工。

(2)对上循环喷射混凝土，同时注意保护炮眼。

(3)在隧道上台阶、中台阶、下台阶的开挖断面处同时钻孔、清孔，并在孔内装填炸药和堵孔。

(4)按照仰拱→下台阶→中台阶→上台阶处的顺序起爆装填的炸药，爆破后及时通风排烟。

(5)通过挖掘机对上台阶渣土清理至中台阶，修筑临时通道，将施工台架运至掌子面，再将钢架、钢筋网片、锚杆等施工材料运送至上台阶。

(6)在上台阶开始拼装拱架、挂钢筋网片、打设锚杆并施作超前支护，利用台架对上台阶拱顶炮眼提前施作，并对已经施作的炮眼进行保护。

(7)对中台阶、下台阶、仰拱进行扒渣。待中、下台阶及仰拱扒渣结束后，立即开始拼装中下台架及仰拱钢架、挂钢筋网片、打设锚杆等常规操作。

(8)上台阶、中台阶、下台阶按施作顺序同时对其进行喷射初期支护混凝土。清理场地，开始下循环开挖。

3.2 仰拱双栈桥快速施工技术

在原有悬臂液压栈桥靠近掌子面一端设置4 m×4 m接驳过渡墩用于支撑悬臂液压栈，此外新加一副15 m长简易栈桥，一侧搭至中台阶平台上，另一侧搭接至栈桥搭接平台，用于仰拱开挖及仰拱初支施工。自行式仰拱液压栈桥长28 m，一侧搭接至栈桥搭接平台，另一侧搭接至已浇筑完成的仰拱填充面上，用于仰拱及填充的施工，见图4。双栈桥共同形成2个工作面，解决了仰拱填充跟不上掌子面掘进的进度问题，并将仰拱填充混凝土工序流水作业变为平行作业[10－11]。

图4 三台阶双栈桥开挖示意(单位:m)

其主要工艺流程为:

(1)自行式仰拱液压栈桥下方对应第一板仰拱及填充施工。

(2)简易栈桥下方仰拱初支开挖2个循环(每循环3 m，长6 m)。

(3)仰拱及填充施工完毕并达到设计强度的50%，前移简易栈桥，前移栈桥连接平台及自行式仰拱液压栈桥。

(4)仰拱初支继续开挖2个循环(每循环3 m，长6 m)后，进行下一板仰拱及填充的施工，进行循环施工。

3.3 砂质富水弱成岩旋流脱砂排水技术

首先，通过对洞渣取样筛分，确定了洞渣内砂粒径分布如图5所示，粒径0.075 mm以下砂粒对污水泵抽排无影响，不会堵塞管道及水泵；其次，通过渣浆泵快速抽干掌子面渣水混合物，来控制掌子面水位高度，确保渣土外露水面，不在水中和稀泥；第三，通过渣浆泵将掌子面渣水混合物抽至砂水分离机内，通过振动筛将粒径0.075 mm以上的沙粒过滤出来，出渣时装车运走，过滤完的水单独抽排走[12－13]。

图5 洞渣内砂粒径分布

其主要工艺流程为:

(1)渣浆泵将掌子面渣浆混合物抽至砂水分离机内的储水箱，经抽水泵将水抽至旋流器内，通过旋流器先将大部分水进行分离排至1＃泵站水箱。

(2)余下的泥砂在振动筛上进一步脱水，脱出的水回流至储水箱，砂在尾部排出，详见图6。

图6 旋流脱砂排水设备布置

(3)经振动筛脱水处理后的污水排至1＃泵站水箱，此时污水内仅含有直径0.075 mm以下的砂，不会堵塞水泵及排水管路，再采用55 kW×2卧式渣浆泵＋φ200 mm排水管道逐级提升至2＃泵站、3＃泵站，最终排出洞外。

渣浆泵由一台污水污物泵和两台搅拌泵组成，功率为22 kW ＋15 kW ×2，抽水能力180 m3/h，安装有控制柜动态控制抽水功率。砂水分离机全长4 m、宽2 m、高2.5 m，总重1.5 t，占地小，重量轻，在双车道洞内使用不干扰通行。

4 应用效果

(1)砂质富水弱成岩三台阶同步快速施工技术在1＃、2＃、3＃斜井及正洞均得到了应用，有效解决了彬县隧道富水、弱成岩等施工难题，大大提升了施工进度，创造了砂质富水弱成岩隧道月进尺130 m的新纪录。

(2)仰拱双栈桥快速施工技术，通过增设简易栈桥，增加仰拱初支作业面，减少了仰拱开挖爆破对仰拱作业区的干扰与破坏，提高了施工效率。

(3)彬县隧道支洞高峰出水量为100～120 m3/h，采用旋流脱砂排水技术后，一是解决了掌子面出渣难的问题；二是杜绝了因细砂堵塞造成的水泵损坏；三是解决了排水管道堵塞问题；四是提升了掌子面施工进度。