銀西高鐵彬縣隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

徐興國(guó)

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司 湖北襄陽(yáng) 441104)

1 工程概況

銀西高鐵彬縣隧道位于陜西省彬州市境內(nèi)，全長(zhǎng)14 251.32 m，最大埋深約280 m。隧道區(qū)域?yàn)辄S土梁源溝壑區(qū)，地面相對(duì)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(fā)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(guò)的地層主要有第四系全新統(tǒng)滑塌堆積層、洪積層，上、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，中更新統(tǒng)沖積細(xì)砂，白堊系下統(tǒng)礫巖與砂巖互層，侏羅系中統(tǒng)砂巖、頁(yè)巖[1]。設(shè)有1座單車道、2座雙車道無(wú)軌運(yùn)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(shè)計(jì)，其中1＃斜井設(shè)置為緊急出口，3＃斜井井底設(shè)置一處避難所。

2 工程難點(diǎn)分析

隧道地質(zhì)為砂質(zhì)富水弱成巖，圍巖未擾動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定性較好，干燥狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度能達(dá)到35 MPa。實(shí)際施工時(shí)，存在“機(jī)械挖不動(dòng)、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(duì)隧道施工的影響主要有以下幾方面:

2.1 砂質(zhì)富水弱成巖出渣工效低

隧道地層為砂質(zhì)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(xì)狀，與基巖裂隙水混合后成泥漿(見圖1、圖2)，存在如下問(wèn)題:一是裝載機(jī)裝渣漏料嚴(yán)重，需2臺(tái)挖機(jī)接力出渣，且在出渣過(guò)程中需對(duì)平臺(tái)坡道反復(fù)修整，裝渣效率低；二是采用三臺(tái)階七步開挖法，設(shè)備工作空間受限；三是車輛進(jìn)出通行困難，出渣時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)輸效率低；四是粉細(xì)砂爆破后污染仰拱初支面，清理困難，施工進(jìn)度慢。一般無(wú)水或圍巖強(qiáng)度高隧道，正常出渣時(shí)長(zhǎng)3.5 h，彬縣隧道受以上因素影響，每車出渣時(shí)間延長(zhǎng)約3 min，每循環(huán)出渣時(shí)長(zhǎng)4.5 h，比正常情況下增加1 h。

圖1 中臺(tái)階水泡成泥巴，反復(fù)修理平臺(tái)坡道

圖2 下臺(tái)階水泡成泥巴，挖機(jī)出渣困難

2.2 掌子面月進(jìn)度受仰拱進(jìn)度制約影響大

Ⅳ級(jí)圍巖掌子面的正常進(jìn)度3.2～3.6 m/d(進(jìn)尺長(zhǎng)度2～3 m、每循環(huán)耗時(shí)15～20 h)，完成12 m時(shí)間為:3.33～3.75 d。Ⅳ級(jí)圍巖仰拱完成12 m仰拱的時(shí)間為:4.2 d。仰拱、掌子面進(jìn)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(huì)切斷，不能均衡作業(yè)；二是，爆后不清，下導(dǎo)后回填，拱腳被水泡，安全風(fēng)險(xiǎn)大；三是初支緊跟后回填，清淤工作量大，仰拱進(jìn)度跟不上掌子面進(jìn)度。

2.3 富水地層防排水質(zhì)量隱患多

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

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 砂質(zhì)富水弱成巖三臺(tái)階同步快速施工技術(shù)

根據(jù)圍巖地質(zhì)特性結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)彬縣隧道砂質(zhì)富水弱成巖地段三臺(tái)階七步開挖工法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整:

隧道左側(cè)開挖數(shù)據(jù)為上臺(tái)階左側(cè)長(zhǎng)6 m，中臺(tái)階左側(cè)長(zhǎng)15 m，下臺(tái)階長(zhǎng)17 m，上臺(tái)階距離開挖輪廓線頂高度5.0 m，上中臺(tái)階之間高度3.0 m，中下臺(tái)階之間高度3.2 m。

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

隧道右側(cè)開挖數(shù)據(jù)為上臺(tái)階長(zhǎng)8 m，中臺(tái)階長(zhǎng)24 m，下臺(tái)階長(zhǎng)6 m，上臺(tái)階距離開挖輪廓線頂高度5.0 m，上中臺(tái)階之間高度3.0 m，中下臺(tái)階之間高度3.2 m，詳見圖3。

圖3 三臺(tái)階平面布置(單位:m)

其主要工藝流程為:

(1)在上循環(huán)施作超前時(shí)，利用臺(tái)架對(duì)上臺(tái)階拱頂炮眼提前施工。

(2)對(duì)上循環(huán)噴射混凝土，同時(shí)注意保護(hù)炮眼。

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

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

(5)通過(guò)挖掘機(jī)對(duì)上臺(tái)階渣土清理至中臺(tái)階，修筑臨時(shí)通道，將施工臺(tái)架運(yùn)至掌子面，再將鋼架、鋼筋網(wǎng)片、錨桿等施工材料運(yùn)送至上臺(tái)階。

(6)在上臺(tái)階開始拼裝拱架、掛鋼筋網(wǎng)片、打設(shè)錨桿并施作超前支護(hù)，利用臺(tái)架對(duì)上臺(tái)階拱頂炮眼提前施作，并對(duì)已經(jīng)施作的炮眼進(jìn)行保護(hù)。

(7)對(duì)中臺(tái)階、下臺(tái)階、仰拱進(jìn)行扒渣。待中、下臺(tái)階及仰拱扒渣結(jié)束后，立即開始拼裝中下臺(tái)架及仰拱鋼架、掛鋼筋網(wǎng)片、打設(shè)錨桿等常規(guī)操作。

(8)上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階按施作順序同時(shí)對(duì)其進(jìn)行噴射初期支護(hù)混凝土。清理場(chǎng)地，開始下循環(huán)開挖。

3.2 仰拱雙棧橋快速施工技術(shù)

在原有懸臂液壓棧橋靠近掌子面一端設(shè)置4 m×4 m接駁過(guò)渡墩用于支撐懸臂液壓棧，此外新加一副15 m長(zhǎng)簡(jiǎn)易棧橋，一側(cè)搭至中臺(tái)階平臺(tái)上，另一側(cè)搭接至棧橋搭接平臺(tái)，用于仰拱開挖及仰拱初支施工。自行式仰拱液壓棧橋長(zhǎng)28 m，一側(cè)搭接至棧橋搭接平臺(tái)，另一側(cè)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(gè)工作面，解決了仰拱填充跟不上掌子面掘進(jìn)的進(jìn)度問(wèn)題，并將仰拱填充混凝土工序流水作業(yè)變?yōu)槠叫凶鳂I(yè)[10－11]。

圖4 三臺(tái)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(duì)應(yīng)第一板仰拱及填充施工。

(2)簡(jiǎn)易棧橋下方仰拱初支開挖2個(gè)循環(huán)(每循環(huán)3 m，長(zhǎng)6 m)。

(3)仰拱及填充施工完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%，前移簡(jiǎn)易棧橋，前移棧橋連接平臺(tái)及自行式仰拱液壓棧橋。

(4)仰拱初支繼續(xù)開挖2個(gè)循環(huán)(每循環(huán)3 m，長(zhǎng)6 m)后，進(jìn)行下一板仰拱及填充的施工，進(jìn)行循環(huán)施工。

3.3 砂質(zhì)富水弱成巖旋流脫砂排水技術(shù)

首先，通過(guò)對(duì)洞渣取樣篩分，確定了洞渣內(nèi)砂粒徑分布如圖5所示，粒徑0.075 mm以下砂粒對(duì)污水泵抽排無(wú)影響，不會(huì)堵塞管道及水泵；其次，通過(guò)渣漿泵快速抽干掌子面渣水混合物，來(lái)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(guò)渣漿泵將掌子面渣水混合物抽至砂水分離機(jī)內(nèi)，通過(guò)振動(dòng)篩將粒徑0.075 mm以上的沙粒過(guò)濾出來(lái)，出渣時(shí)裝車運(yùn)走，過(guò)濾完的水單獨(dú)抽排走[12－13]。

圖5 洞渣內(nèi)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(jī)內(nèi)的儲(chǔ)水箱，經(jīng)抽水泵將水抽至旋流器內(nèi)，通過(guò)旋流器先將大部分水進(jìn)行分離排至1＃泵站水箱。

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

圖6 旋流脫砂排水設(shè)備布置

(3)經(jīng)振動(dòng)篩脫水處理后的污水排至1＃泵站水箱，此時(shí)污水內(nèi)僅含有直徑0.075 mm以下的砂，不會(huì)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(jí)提升至2＃泵站、3＃泵站，最終排出洞外。

渣漿泵由一臺(tái)污水污物泵和兩臺(tái)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(dòng)態(tài)控制抽水功率。砂水分離機(jī)全長(zhǎng)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(nèi)使用不干擾通行。

4 應(yīng)用效果

(1)砂質(zhì)富水弱成巖三臺(tái)階同步快速施工技術(shù)在1＃、2＃、3＃斜井及正洞均得到了應(yīng)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(jìn)度，創(chuàng)造了砂質(zhì)富水弱成巖隧道月進(jìn)尺130 m的新紀(jì)錄。

(2)仰拱雙棧橋快速施工技術(shù)，通過(guò)增設(shè)簡(jiǎn)易棧橋，增加仰拱初支作業(yè)面，減少了仰拱開挖爆破對(duì)仰拱作業(yè)區(qū)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(shù)后，一是解決了掌子面出渣難的問(wèn)題；二是杜絕了因細(xì)砂堵塞造成的水泵損壞；三是解決了排水管道堵塞問(wèn)題；四是提升了掌子面施工進(jìn)度。