馬新民

（銀西鐵路有限公司，寧夏 吳忠751100）

0 引言

銀西高鐵自東南向西北依次橫跨陜西、甘肅、寧夏三?。ㄗ灾螀^(qū)），作為連接陜甘寧革命老區(qū)的首條高速鐵路，對于推動革命老區(qū)發(fā)展、連接關(guān)中天水經(jīng)濟區(qū)、隴東地區(qū)和沿黃城市帶將起到重要作用，線路依次穿越咸陽塬、長武塬、早勝塬、董志塬等幾大典型黃土塬區(qū)，巨厚的土層分布及豐富地下水為隧道建造技術(shù)研究提供了機遇和挑戰(zhàn)。

銀西高鐵正線全長約617 km，設(shè)計時速250 km，基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留提速條件，隧道按照時速350 km的斷面設(shè)計，全線隧道全長146.325 km（33座），其中甘寧段隧道全長84.180 km（22座），黃土塬區(qū)隧道斷面大、數(shù)量多、段落長，地質(zhì)復(fù)雜，給隧道修建帶來極大困難，迫切需要理論上的進一步發(fā)展與突破和技術(shù)上的探索與創(chuàng)新。銀西高鐵要實現(xiàn)在黃土高原上的慶陽設(shè)站，隧道線路需穿越世界最大黃土塬——董志塬，上塬、下塬的隧道工程難以避免穿越軟塑黃土夾層帶、黃土古土壤層、高含水率黃土層、紅黏土膨脹地層及長段落不同巖土的接觸帶等。依托早勝3號、上閣村、驛馬1號、慶陽等典型隧道，重點研究軟塑黃土、古土壤及紅黏土膨脹地層等大斷面隧道工程的修建技術(shù)，并積極開展新技術(shù)、新材料、新設(shè)備、新工法的研究，優(yōu)化提升施工組織、施工方案及工藝，并確保施工中隧道安全、質(zhì)量、進度、成本可控，增強環(huán)境保護能力，有針對性地研發(fā)新產(chǎn)品，推動專業(yè)技術(shù)進步，為類似工程建設(shè)提供借鑒。

1 隴東黃土高塬地質(zhì)地理特征研究

銀西高鐵穿越世界最大黃土塬——董志塬，約700 km2，橫跨慶陽市四縣區(qū)，是面積最大、土層最厚、保存最完整的黃土塬面，堪稱“天下黃土第一塬”；塬面平坦寬闊，微向東南傾斜，塬中心傾角近1°，邊緣傾角3°～8°，塬周邊沖溝發(fā)育，切割深度一般為150～200 m，白堊紀地層在沖溝底部或側(cè)部有出露；黃土塬表層為第四系上更新統(tǒng)黃土，厚度為10～15 m，黃土具有濕陷性，對淺埋隧道有影響。第四系中更新統(tǒng)黃土，厚度為150～190 m；黃土塬地下水水位埋深40～75 m，黃土梁峁地區(qū)大于100 m，沖溝地下水埋深5～20 m，潛水含水層黃土處于飽和軟塑狀態(tài)，對隧道穩(wěn)定性具有很大影響［1］。老黃土地層中的黃土古土壤及下伏新近系泥巖（紅黏土層）具有弱膨脹性，均對隧道穩(wěn)定性具有一定影響。穿過軟塑黃土地層的上閣村隧道地質(zhì)剖面見圖1（位于甘肅省慶陽市寧縣境內(nèi)）。

圖1 上閣村隧道地質(zhì)剖面圖

1.1 軟塑黃土工程地質(zhì)特征

軟塑黃土具有含水率高、強度低、自穩(wěn)能力差等特點。軟塑黃土地層隧道施工風(fēng)險高、難度大，極易發(fā)生施工災(zāi)害，主要表現(xiàn)為變形過大侵限、初支噴層開裂、鋼拱架扭曲、拱腳失穩(wěn)和仰拱底鼓等現(xiàn)象，局部地段甚至發(fā)生塌方等，不僅影響施工安全和質(zhì)量，也對后期運營帶來不利影響［2-7］。

隴東黃土塬區(qū)軟塑黃土位于潛水含水層上部，厚度20～40 m，下伏相對隔水底板，該區(qū)域中更新統(tǒng)黃土層上部土質(zhì)顆粒較粗，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙裂隙發(fā)育，是主要的含水層，也是地下水的儲存空間和運移通道，下部由于黏質(zhì)黃土多，壓縮程度較高，透水性較差，為相對隔水層。

這種特殊地層組合使地下水匯集于隔水層之上一定范圍內(nèi)，該范圍黃土浸水軟化達到軟塑狀態(tài)，往往呈層狀分布于地下水位線附近，含水率介于27.2%～29.7%，干密度為1.53～1.57 g/cm3，飽和度95%～102%，稱為軟塑黃土層。軟塑黃土含水量高、強度低、自穩(wěn)能力差，對隧道修建影響嚴重（見圖2）。

圖2 軟塑黃土隧道圍巖狀態(tài)及施工災(zāi)害

針對軟塑黃土大斷面隧道，通過研究得到如下成果：

（1）基于軟塑黃土層與隧道不同空間關(guān)系，提出軟塑黃土與隧道空間關(guān)系分類，確定軟塑黃土層對施工期隧道的影響范圍為隧底以下4 m、拱頂以上10 m的設(shè)計施工參考值。

（2）通過對隧道初期支護的變形和受力進行分析，首次確定軟塑黃土大斷面隧道自穩(wěn)狀態(tài)下的界限含水率為25.7%、隧底水壓力分布為W形、臨界動水壓力最高可達無高速列車作用下水壓力的5倍、圍巖脫空范圍最大可達6.12%、最大劣化深度可達11 cm的界限值。

（3）通過對軟塑黃土圍巖隧道現(xiàn)場含水率監(jiān)測及圍巖穩(wěn)定性變形監(jiān)控量測，得出黃土地層隧道施工含水率界限值及其施工建議。①當含水率低于20.0%時，可正常開挖；②當含水率為20.0%～25.7%時，啟動Ⅱ級預(yù)警，需密切關(guān)注圍巖變形穩(wěn)定情況，必要時對圍巖采取加固措施；③當含水率為25.7%～29.0%時，土體可能由硬塑狀轉(zhuǎn)化為可塑-軟塑狀，圍巖變形過大，穩(wěn)定性下降，必要時啟動Ⅰ級預(yù)警，采取加強超前支護、洞內(nèi)帷幕注漿、地表降水、洞內(nèi)排水等綜合輔助措施。

（4）研發(fā)了微臺階四步施工工法及大埋深地表降水和地表剛性袖閥管注漿工藝技術(shù)。

1.2 古土壤地層巖土工程特性

（1）古土壤物理力學(xué)特性。黃土古土壤有自身完整的發(fā)育剖面，聚集大量碳酸鈣并膠結(jié)成形態(tài)多樣的鈣質(zhì)結(jié)核層，含有較高的黏土礦物，遇水膨脹、崩解，失水急劇收縮開裂，具有往復(fù)脹縮變形的特點［8-10］。銀西高鐵黃土塬區(qū)隧道穿越的古土壤層處于午城黃土（Q1）中，且處于午城黃土下部。古土壤物理力學(xué)特性見表1、表2。

表1 古土壤物理特性統(tǒng)計

表2 古土壤力學(xué)特性統(tǒng)計

可見，圍巖含水率在不同地方存在差異，但相差很小，圍巖古土壤在該區(qū)域含水率均一；表明圍巖土體干密度較大，土質(zhì)密實，有利于圍巖穩(wěn)定；根據(jù)塑性指數(shù)基本大于17可知圍巖土體可塑性較好，屬于堅硬狀態(tài)；力學(xué)強度較大。

（2）古土壤膨脹特征（見表3）。天然狀態(tài)下古土壤的膨脹潛勢為中，早勝2號隧道和早勝3號隧道3#斜井銀川方向上下臺階的古土壤無膨脹性。若隧道出現(xiàn)明顯滲水、股水，易使圍巖含水量增加，導(dǎo)致圍巖吸水膨脹，后期存在襯砌開裂、隧底上拱等病害風(fēng)險。

表3 古土壤膨脹特征統(tǒng)計

初始含水率變化造成的膨脹率差異較大，不同初始含水率下膨脹率隨時間變化規(guī)律基本一致，可分為快速上升、緩慢上升、平穩(wěn)3個階段；膨脹力與初始含水率呈指數(shù)關(guān)系；相同初始含水率條件下，重塑土膨脹力約為原狀樣的5倍。

通過上述研究，針對古土壤膨脹地層大斷面隧道得到如下研究成果：古土壤膨脹地層大斷面隧道修建過程中隧道基底注漿對土體擠密的范圍值，即當注漿壓力為1.5 MPa時，土體擠密區(qū)域為7～8 m。

1.3 紅黏土地層巖土工程特性

1.3.1 物理力學(xué)特性

現(xiàn)場取樣可發(fā)現(xiàn)，紅黏土表面呈現(xiàn)棕紅色，成分以黏粒為主，結(jié)構(gòu)緊密，裂隙不發(fā)育，土質(zhì)硬，可見大量黑色鐵錳質(zhì)斑點［11-16］。

試驗過程嚴格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》的試驗步驟進行操作，分別獲得紅黏土物理力學(xué)指標（見表4）。

表4 紅黏土物理力學(xué)指標統(tǒng)計

1.3.2 礦物組分特征

紅黏土含水率適中，圍巖干密度較大，土質(zhì)密實，有利于圍巖穩(wěn)定；圍巖土體可塑性較好，屬于堅硬狀態(tài)；力學(xué)強度較大。

（1）從礦物的定量分析可知，紅黏土的黏土礦物含量為24%，主要成分為伊利石、蒙脫石和伊蒙混層礦物，其中伊蒙混層礦物中伊利石含量為8%，蒙脫石含量為9%；粒狀礦物含量為72%，主要成分為石英、鉀長石、鈉長石和方解石?？梢娂t黏土中黏土礦物總量不多，而且黏土礦物中伊利石含量最高，蒙脫石占極少一部分。

（2）紅黏土的主要化學(xué)成分為SiO2、CaO、Al2O3，其中Si、Al元素的含量主要來源于伊利石，Ca元素主要來源于方解石。這3種化學(xué)成分約占土體中所有化學(xué)元素總含量的69%。因為紅黏土中SiO2、Al2O3含量較高，所以紅黏土中硅酸鋁鹽黏土礦物含量普遍較高。

1.3.3 微觀形態(tài)特征

紅黏土中主要基本單元為凝聚體，凝聚體內(nèi)部主要為石英、方解石和黏土礦物等，其顆粒大小不等，有鐵錳質(zhì)膠膜或鈣質(zhì)膠膜結(jié)合，構(gòu)成紅黏土的基本骨架。

碎屑顆粒以較小的單元體分布于土體中，通常散亂分布，無明顯規(guī)律可循。

疊聚體單元填充在粒狀聚集體空隙中，主要由伊蒙混層、伊利石組成，呈曲片狀、蜂窩狀或半蜂窩狀。這些疊聚體單元具有較大的膨脹潛勢，是引起紅黏土膨脹的主要因素。

連接體單元分布于其他單元的孔隙中，主要是呈絲縷狀的伊利石單體，通過連接節(jié)點與方解石接觸。這些連接體降低了孔隙的有效透水孔徑，使土體的透水性降低，一定程度上限制了土體的膨脹。

1.3.4 紅黏土膨脹特征

（1）不同初始含水率原狀土樣膨脹規(guī)律根據(jù)含水率明顯分為2種模式：土樣含水率為3%時膨脹率最大，達到7%；土樣含水率為21%及飽和時幾乎不膨脹，屬于弱膨脹性圍巖。

（2）經(jīng)重塑過程破壞土體自身結(jié)構(gòu)特性后，膨脹潛勢與初始含水率呈明顯線性關(guān)系，初始含水率越低，膨脹潛勢越大。與原狀土樣不同的是，土樣含水率為21%與飽和樣相比仍有2%左右的膨脹率釋放過程，這說明土體本身的結(jié)構(gòu)性制約了膨脹的釋放。

2 富水軟塑黃土層隧道地表深孔注漿技術(shù)研究

2.1 隧道工程地質(zhì)及難點

上閣村隧道洞身穿越董志塬的低側(cè)，隧道施工最大難點為洞身3 870 m長段落穿越富水軟塑黃土夾層，埋深均為80～100 m，含水率高達33%，極易引起圍巖滲水軟化變形、突發(fā)坍塌、地表沉陷及地下水流失等問題。因黃土塬原始垂直地裂縫造成地下水下滲、匯集，開挖后受地下水作用，土體塑性狀態(tài)發(fā)生變化，軟塑層范圍擴大，圍巖穩(wěn)定性變差，極易發(fā)生變形、涌泥、涌水、坍塌等［17］。

2.2 深孔袖閥管預(yù)注漿施工方案及實施

上閣村隧道定向超深孔地表袖閥管注漿技術(shù)通過研發(fā)鉆孔精度控制器，提高了鉆孔精確度，鉆孔傾斜率小于0.3%，注漿孔位可按照設(shè)計參數(shù)精準控制，且通過研發(fā)高強度止?jié){塞水囊，可實現(xiàn)超深孔水囊泄壓，防止了止?jié){塞卡管問題，不同地層靈活選用注漿材料、調(diào)整注漿參數(shù)，實現(xiàn)深孔靶向注漿，保證注漿效果。漿液結(jié)石體和剛性閥管共同作用，提高了地層穩(wěn)定性，有效控制結(jié)構(gòu)變形，穩(wěn)定開挖面，保證隧道開挖安全。

2.3 注漿方案確定

按照門字形注漿加固選擇加固范圍。地表注漿門字形注漿加固范圍注漿設(shè)計見圖3、圖4。其中地表注漿孔布置按照設(shè)計要求2.25 m×2.25 m等邊三角形梅花形布置，地表鉆孔直徑為110 mm，注漿擴散半徑為1.2 m。

圖3 地表注漿加固橫斷面

圖4 地表注漿孔平面布置

2.4 控域工藝

由于注漿孔深達104 m，注漿加固范圍在地表以下85 m，如果采用傳統(tǒng)水泥-水玻璃雙液漿孔外混合的方式，雙液漿的泵送行程太長，極易導(dǎo)致雙液漿在孔內(nèi)凝固堵塞注漿管，造成廢孔。通過在外圈孔注入雙液漿形成止?jié){帷幕的設(shè)計目的難以實現(xiàn)。為解決以上問題，研究了孔內(nèi)混合雙液漿技術(shù)，在袖閥管中下入2根芯管，分別注入水泥單液漿和水玻璃漿液，按照漿液配合比控制注入速度，使水泥和水玻璃在孔底混合，精確控制凝固時間，實現(xiàn)了控域注漿的目的。

2.5 地表深孔注漿特點

在深埋富水黃土隧道地質(zhì)中施作地表注漿是世界首例。以上閣村隧道為例，地表剛性袖閥管注漿（也稱為DDD注漿工法，即地表、大口徑、定位注漿工藝）具有以下特點：

（1）成孔工藝要求高。當設(shè)計鉆孔深度大于70 m時，為保證袖閥管順利下入到預(yù)定深度，鉆孔孔徑需達到127 mm或150 mm；為保證鉆孔施工效率和鉆孔垂直度，需采用高功率、大扭矩、自動調(diào)整鉆機水平度、穩(wěn)定性好、移動便捷的鉆機；鉆機配套鉆具需采用大直徑、高強度的φ76 mm、φ89 mm、φ102 mm鉆桿。

（2）封孔工藝要求高。袖閥管和孔壁間的空隙需用套殼料灌注封閉，封孔效果好壞直接關(guān)系到注漿質(zhì)量。

（3）止?jié){工藝要求高。常規(guī)袖閥管注漿壓強要求為0.5～2.0 MPa，剛性袖閥管注漿壓強需達到2.0～8.0 MPa，對止?jié){系統(tǒng)質(zhì)量要求非常高。

（4）通過下入1套或2套注漿芯管，配合特制囊式止?jié){塞，可實現(xiàn)精準定位注漿，也可滿足同一地層注入不同漿液或重復(fù)注漿。

（5）采用剛性袖閥管。常規(guī)PVC袖閥管使用于30 m孔深以內(nèi)的地表注漿。剛性袖閥管采用無縫鋼管加工制作，可適用于深孔、超深孔注漿需要。

（6）對漿液要求高。漿液需采用快速凝膠材料工藝。富水黃土隧道含水率高，分層明顯的地層中，普通水泥單液漿膠凝時間為6～8 h，漿液會順著地層流失，無法滿足注漿壓力要求。單液漿析水率高，對堵水和降低富水黃土含水率效果較差。需采用膠凝時間20～40 min的快凝漿液和水泥-水玻璃雙液漿實現(xiàn)控域定位注漿的目的。

2.6 注漿加固效果

上閣村隧道采用百米級地表深孔定向袖閥管注漿加固地層后，隧道開挖揭示掌子面漿液漿脈擠密、劈裂、發(fā)育充分，掌子面穩(wěn)定，達到了設(shè)計加固的要求，開挖安全可控，隧道由原來的月進尺不足10 m，改良地層后達到月進尺80 m。直接觀察效果見圖5。

圖5 隧道開挖揭示掌子面漿脈

3 軟塑黃土層隧道地表深孔降水技術(shù)研究

3.1 施工降水對圍巖工程性質(zhì)的影響

通過對上閣村和驛馬1號隧道水文地質(zhì)和水資源背景的研究，建立了淺層地下水二維穩(wěn)定流數(shù)值模擬模型，預(yù)測了水位高和水位降深等隨時間的變化情況，結(jié)論如下［18-21］：

（1）地表降水工程對降低斜井洞內(nèi)涌水量有較明顯的積極作用，斜井洞內(nèi)流量平均值從151.2 m3/d降低至61.0 m3/d，平均值降低約2/3。越靠近降水井井群邊緣的降水井當日流量相對越大，而越靠近井群中心的降水井當日流量較小，也說明降水工程對地下水水位降低起到積極作用。但也有部分相鄰降水井當日流量相差較大，沿平面上某一特定連線上的降水井在當日流量相近。這可能是地層中部分地段存在貫通裂隙，形成地下水優(yōu)先匯集通道，當降水井抽水時，地下水快速從匯集通道排出，從而在同一抽水時段相鄰降水井抽水量有大小差別，且沿某一特定連線上的降水井流量相近。

（2）地表降水工程能夠顯著抽排軟塑黃土中的裂隙水，但不能顯著降低軟塑黃土本身物理力學(xué)特性。地表降水工程對施工期軟塑黃土隧道施工具有降低施工風(fēng)險、加快隧道開挖進尺的有利作用，對高鐵運行期的軟塑黃土本身物理力學(xué)指標影響不大，但由于軟塑黃土本身性質(zhì)的特殊性，應(yīng)結(jié)合鐵路相關(guān)規(guī)范進行地基加固等工程處理。

（3）降水井施工情況及地下水模擬結(jié)果表明，地表降水工程可在降水井周圍形成降水漏斗。在抽水初期，水位高程變化速率較快，水位降深迅速。根據(jù)模擬結(jié)果，在理想狀態(tài)下開始抽水后60～90 d，水位高程即可降低至隧道開挖底板附近。

（4）隧道開挖每天進度約1.8 m，抽水布井間距為25 m。隧道開挖及掌子面開挖完成至二襯完成期間仍需維持抽水作業(yè)，掌子面開挖至二襯完成需60～70 d。綜合來看，應(yīng)考慮影響半徑和布井間距、地層不均勻性、圍巖具體空間變異性、隧道埋深地段和施工的具體情況，正常情況下，抽水作業(yè)至少需持續(xù)進行120～160 d，遇特殊工況時應(yīng)在保證安全的前提下適當增加持續(xù)抽水天數(shù)。

3.2 降水井布置

降水井布置于隧道輪廓線外側(cè)邊緣左右側(cè)4 m處，間距按25 m考慮，直徑325 mm，降水井深進入隧底高程以下30 m，降水井深90～139 m，布置示意見圖6。

圖6 地表降水井布置示意圖

3.3 降水井實施原則

降水井應(yīng)集中實施，單座井完成后應(yīng)連續(xù)進行抽水作業(yè)，降水井完成后要進行預(yù)降水工作，群井降水應(yīng)分組進行，掌子面附近降水井組不少于6座。預(yù)降水時間不短于4個月，降水井使用完成后需采用混凝土進行回填封閉。

3.4 降水效果

降水前后圍巖情況對比見圖7。

圖7 降水前后隧道情況對比

（1）掌子面圍巖性質(zhì)改善明顯。驛馬1號隧道開展地表降水后，洞內(nèi)滲水量顯著減少，圍巖工程性質(zhì)明顯改善。進、出口正洞工區(qū)、斜井工區(qū)掌子面圍巖以硬塑為主，局部夾軟塑，含水率約23%；橫洞工區(qū)掌子面圍巖以硬塑為主，局部夾軟塑，含水率約27%。總體降水效果十分明顯，含水率由31%（平均值）下降至25%（平均值），裂隙水基本疏干。

（2）掌子面掘進環(huán)境明顯改善。進入地表降水群井效應(yīng)區(qū)域后，掌子面水量明顯減少，掘進環(huán)境改善，掘進速度加快。正洞月均進尺由降水前的47.2 m上升至62.4 m，施工組織工期由滯后8.0個月改善為提前1.1個月，有效保障了全隧（Ⅰ級風(fēng)險隧道）的順利貫通。

4 隧道基底處理及結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

4.1 軟塑黃土及其影響段隧底加固技術(shù)

通過試驗研究，采用φ76 mm、厚5 mm的剛性袖閥管后退式分段注漿工藝，分段長度0.5～1.0 m，對軟塑黃土及其影響段隧底加固區(qū)進行注漿。注漿結(jié)束后及時對鋼管內(nèi)浮漿及虛渣進行清除，并灌注TGRM特種灌漿料充填密實，以保證封孔效果。

注漿材料以“普通水泥單液漿+HPC外加劑”為主，水泥-水玻璃雙液漿為輔，外加劑摻量15%～20%。

HPC外加劑即在普通水泥漿中添加一定比例的HPC注漿材料外加劑，在保證普通水泥漿流動度的前提下，調(diào)整普通水泥漿的凝結(jié)時間，提高其抗水分散性和結(jié)實率，降低泌水率。

單孔注漿終止標準：單孔注漿量達到單孔設(shè)計注漿量的1.5倍或單孔注漿壓力達到設(shè)計注漿壓力并穩(wěn)定10 min后結(jié)束注漿。

袖閥管注漿加固范圍為仰拱開挖輪廓線外4 m。注漿孔按2.25 m×2.25 m等邊三角形布置，漿液擴散半徑為1.3 m，注漿壓力1.0～1.5 MPa?；鬃{部分工序見圖8。

圖8 基底注漿部分工序

注漿前隧道基底土體含水率為27%～34%，注漿完成后檢驗芯樣含水率為17%～24%。

根據(jù)對已完成注漿段取芯效果檢驗，注漿前后土體含水率降低約10個百分點，土體滲水量明顯減少，芯樣強度及密實度較原狀土有了很大提高，驗證了通過袖閥管注漿對隧道基底土體加固效果明顯。確定的最終注漿參數(shù)見表5。

表5 最終注漿參數(shù)

采用袖閥管注漿加固隧道基底軟塑黃土具有良好的基底加固效果。鉆孔階段，鉆孔對周圍土體的影響范圍很小，為1.5～3.0 m；注漿階段，漿液擴散區(qū)內(nèi)土體應(yīng)力增長沿徑向由內(nèi)向外呈遞減趨勢，1.5 MPa壓力下注漿的影響區(qū)域為7～8 m（加固區(qū)域仍有待驗證）；注漿停止后，土體應(yīng)力及孔壓在約13 h后基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定周期短。

4.2 微膨脹土層大斷面隧道仰拱曲率研究

以銀西高鐵慶陽隧道為工程背景，通過對隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，分析其襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力、軸力圖，得出每種工況各自的最優(yōu)仰拱曲率半徑。

（1）慶陽隧道原工程背景下，含水率為20.4%、膨脹力3.64 kPa時，隧道最優(yōu)仰拱曲率半徑取10.50 m。

（2）當紅黏土隧道含水率為3.0%時，膨脹力變化最大，最大為44.16 kPa，隧道最優(yōu)仰拱曲率半徑取9.23 m。

（3）當紅黏土隧道含水率為12.0%時，膨脹力變化最快，膨脹力為9.68 kPa，隧道最優(yōu)仰拱曲率半徑取10.50 m。

4.3 隧底防排水

弱膨脹性地層隧道設(shè)計施工應(yīng)以控制隧底上拱變形為重點，膨脹性圍巖隧道隧底上拱控制措施主要有隧底降水泄壓、增設(shè)抗隆起錨桿、優(yōu)化仰拱矢跨比、增強支護參數(shù)等，弱膨脹土隧道隧底排水方案見圖9。

圖9 弱膨脹土隧道隧底排水方案

針對弱膨脹隧道工程特征及滲流特性，可通過優(yōu)化仰拱矢跨比、加密初支鋼架、增大仰拱厚度等措施來預(yù)防控制隧底上拱。由于弱膨脹土滲透系數(shù)較小，隧底降水效果有限，但應(yīng)加強隧底排水，保證隧底無積水，避免由于隧底積水下滲引發(fā)隧底圍巖膨脹變形。

5 隧道排水系統(tǒng)防結(jié)晶技術(shù)研究

5.1 隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶現(xiàn)狀

排水盲管與排水溝作為鐵路隧道防排水系統(tǒng)重要組成部分，其通堵狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路隧道服役性能與結(jié)構(gòu)耐久性。

近年來，排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞逐漸引起各方重視，其具有以下特點：

（1）普遍性。隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶現(xiàn)象在我國東北、西北、西南、華南等地區(qū)鐵路隧道普遍發(fā)生，在公路、水工等隧道工程中也普遍出現(xiàn)，成為隧道工程的共性問題。

（2）危害性。鐵路隧道排水結(jié)晶堵塞使得隧道排水系統(tǒng)整體失效，惡化了隧道結(jié)構(gòu)受力與服役狀態(tài)，進而導(dǎo)致襯砌開裂、滲漏水、掛冰、隧底上拱等次生病害，嚴重影響隧道結(jié)構(gòu)服役與運營安全。

5.2 排水盲管及防結(jié)晶排水系統(tǒng)

銀西高鐵針對鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問題，采用資料分析、理論分析、現(xiàn)場調(diào)研、現(xiàn)場測試、化學(xué)檢驗及模擬試驗、現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，研發(fā)了一種隧道盲管密封器，能有效解決鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶問題。

通過現(xiàn)場試驗，將排水盲管應(yīng)用于防結(jié)晶排水系統(tǒng)，測試排水系統(tǒng)內(nèi)外部環(huán)境參數(shù)，檢驗結(jié)晶體與水樣化學(xué)成分、pH值等，室內(nèi)模擬結(jié)晶生成過程，明確結(jié)晶機理及影響因素，將排水系統(tǒng)結(jié)晶防治技術(shù)開展現(xiàn)場應(yīng)用。防結(jié)晶排水系統(tǒng)示意見圖10。

圖10 防結(jié)晶排水系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場對比試驗結(jié)果表明，襯砌出水口安裝U形密封器后，在保證排水順暢的基礎(chǔ)上，隔絕了排水系統(tǒng)內(nèi)部空氣對流交換，有效抑制了結(jié)晶體生成，同期未安裝U形密封器的排水管內(nèi)壁結(jié)晶明顯，說明襯砌出水口安裝U形密封器的全密封排水系統(tǒng)能有效防止排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞。同時U形密封器便于拆卸安裝，具有可維護性。

6 隧道修建技術(shù)研究

6.1 軟塑黃土隧道修建技術(shù)

（1）針對黃土臺塬區(qū)位于地下水位中淺埋慢坡隧道軟弱圍巖的特性，采用地表注漿、降排水等超前改變圍巖特性的方式，可有效提升10%～35%圍巖強度，控制27%～50%的地表沉降和圍巖變形，在提升隧道整體穩(wěn)定性、確保開挖安全方面效果明顯。采取地表深孔降水后達到月進尺62.4 m；采取地表深孔注漿改良地層后通過四臺階核心開挖工法開挖，可達到月進尺80.0 m，四臺階核心開挖工法示意見圖11。

圖11 四臺階核心開挖工法示意圖

（2）漿固碎石樁作為一種新型樁基，在黃土隧道軟土地基加固方面有其特殊優(yōu)點：加固效果好，質(zhì)量可靠；處理深度大；施工效率高；施工質(zhì)量易于保證；質(zhì)量檢測簡單快捷；經(jīng)濟性優(yōu)越。綜合上述優(yōu)點，選其作為加固方案技術(shù)可行、經(jīng)濟合理。

（3）銀西高鐵軟塑黃土隧道洞身和隧底都為軟塑黃土、拱頂為軟塑、隧底為硬塑時，隧底采用帷幕注漿和袖閥管注漿，在高速列車動荷載作用下均能夠滿足結(jié)構(gòu)安全要求，保證了隧道運營期間的穩(wěn)定性。

（4）軟塑黃土分布于拱頂時，掌子面圍巖穩(wěn)定性差，當拱頂以上軟塑黃土厚度（h1）＜3 m時，采用超前小導(dǎo)管支護方式能使開挖后隧道變形和受力穩(wěn)定；當h1＞3 m時，采用超前小導(dǎo)管的預(yù)支護效果差，表現(xiàn)為掌子面縱向擠出變形過大。因此在h1＞3 m時應(yīng)采取地表注漿、洞內(nèi)帷幕、超前大管棚等更加有效的措施以保證施工安全。

6.2 古土壤隧道修建技術(shù)

（1）在古土壤膨脹地層大斷面隧道修建技術(shù)方面，以銀西高鐵黃土塬區(qū)早勝1號、早勝3號隧道的黃土古土壤作為研究對象，通過現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬為主，理論分析為輔的方法，系統(tǒng)確定黃土古土壤的工程特性，揭示黃土古土壤隧道圍巖與支護相互作用機理，提出經(jīng)濟適用的黃土古土壤隧道圍巖加固措施和施工方案，為高效治理黃土古土壤地層隧道圍巖穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

（2）建立隧道二襯智能化成套施工技術(shù)，創(chuàng)新采用襯砌鋼筋防水層一體化臺車，實現(xiàn)了土工布、防水板和襯砌鋼筋的整體提升安裝，降低了人工作業(yè)強度；研制采用的二襯臺車端頭軟搭接裝置、襯砌防脫空預(yù)埋件和智能養(yǎng)護臺車，大幅提高了隧道二襯施工質(zhì)量，避免了隧道質(zhì)量缺陷。

（3）為提高黃土古土壤的開挖效率，減少超欠挖及設(shè)備投入，施工過程中將挖掘機斗換成刀頭+快速轉(zhuǎn)換接頭的裝置組，實現(xiàn)了多刀頭快速轉(zhuǎn)換挖斗，解決了開挖、修邊及出渣設(shè)備問題，達到快速、高效、優(yōu)質(zhì)、超欠挖精準控制的開挖掘進目的。

（4）早勝3號黃土隧道采用人工配合KGM12200型多拱支護機械手進行鋼拱架運輸、安裝作業(yè)，提高了勞動生產(chǎn)率，極大降低了工人勞動強度及安全風(fēng)險，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（5）通過對黃土塬區(qū)古土壤地層物理力學(xué)特性、地層受力特征、隧道機械化快速開挖支護和襯砌成套智能化施工進行研究，研制應(yīng)用了新型設(shè)備，優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)，創(chuàng)新了施工工藝兩臺階核心開挖工法（見圖12），實現(xiàn)了早勝3號隧道安全快速施工，平均月進尺81 m，最快月進尺136 m，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的目標，實現(xiàn)了隧道的安全貫通。

圖12 兩臺階核心開挖工法示意圖

6.3 新近系紅黏土隧道修建技術(shù)

紅黏土是具有高含水量、高孔隙比、高液塑性及塑性指數(shù)等不良物理特性的特殊土，遇水后膨脹，失水后劇烈收縮，水敏感性最為突出，其遇水膨脹及失水干縮的特性可能會產(chǎn)生仰拱隆起等病害，對隧道施工產(chǎn)生不利影響。銀西高鐵穿越紅黏土地層的隧道有慶陽隧道、賈家灣隧道及寧縣1號隧道，具體情況見表5。

表5 研究依托隧道具體情況

在新近系紅黏土大斷面隧道修建技術(shù)方面，通過其顯微構(gòu)造特征及膨脹性影響因子分析，建立有限元模型，分析計算膨脹力對隧道結(jié)構(gòu)影響機理；對隧道施工期紅黏土圍巖水分遷移規(guī)律、支護結(jié)構(gòu)受力特性、隧道隧底上拱機理研究及控制技術(shù)、合理支護體系、隧道仰拱積水處理、適宜性開挖方法、大斷面隧道工裝配套技術(shù)等主要內(nèi)容開展研究。得出紅黏土隧道膨脹性圍巖隧道底鼓病害產(chǎn)生機理，可為類似工程提供理論參考。

通過上述研究，針對新近系紅黏土大斷面隧道得到如下研究成果：

（1）通過對紅黏土隧道施工工法（全斷面法、兩臺階開挖法、三臺階七步法、CD法、雙側(cè)導(dǎo)坑法）進行基于有限元理論的實際施工過程仿真計算，分析開挖過程中的圍巖應(yīng)力場、位移場、支護結(jié)構(gòu)強度變化等規(guī)律，以及施工現(xiàn)場的逐步驗證，得到適用于深埋大斷面膨脹性紅黏土隧道的施工方法，即準全斷面核心開挖工法（見圖13）。

圖13 準全斷面核心開挖工法示意圖

（2）結(jié)合地下水分布及滲流等水文地質(zhì)特點，綜合考慮施工期與運營期需求，紅黏土隧道應(yīng)以隧底防排水為重點，充分重視紅黏土膨脹性，采取特殊“防、排、截、堵、泄、降”等相結(jié)合的綜合措施，切實做到防水可靠，排水順暢。

（3）研究發(fā)現(xiàn)三齒松土器是最適合雙線大斷面紅黏土隧道的開挖配件之一。

（4）大斷面紅黏土隧道跨度大，作業(yè)面積較廣，且臺階法開挖時上部開挖需要挖機臂長較長、功率較大，比較適合作業(yè)的挖機型號主要有PC270、PC300、PC360等。

（5）開挖采用挖掘機配備松土器，支護采用鋼架機等機械化配套設(shè)備，施工效率和安全性有很大提高，能形成連續(xù)的開挖出砟流水作業(yè)，施工效率高。最終形成“大斷面紅黏土隧道松土器開挖施工工法”和“大斷面紅黏土隧道準全斷面法開挖工法”，最快為月進尺156 m，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的目標［22-25］。

7 結(jié)論

結(jié)合銀西高鐵特點，開展針對性研究工作，取得顯著成效。

（1）軟塑黃土隧道作為銀西高鐵大斷面隧道工程建設(shè)中最為困難的部分，軟塑黃土是深厚富水黃土，其水量豐富，補給來源強，施工難度大。通過基礎(chǔ)理論研究，首次將含水率影響納入圍巖壓力計算公式，提出軟塑黃土地層中大斷面隧道的荷載計算方法，確定初期支護變形控制值。結(jié)合地層特點，分段進行地表降水、洞內(nèi)帷幕、地表注漿、基底加固等輔助措施，有效控制初支變形和掌子面的穩(wěn)定。

（2）構(gòu)建了以紅黏土、古土壤為代表的弱膨脹地層膨脹力釋放條件下的隧道力學(xué)模型，研發(fā)了隧道底鼓控制技術(shù)。

（3）引入了地表剛性袖閥管注漿法，在深埋富水黃土隧道地質(zhì)中施做地表注漿為世界首例。通過百米級地表深孔定向袖閥管注漿加固地層后，隧道開挖掌子面漿液漿脈擠密、劈裂、發(fā)育充分，掌子面穩(wěn)定，達到了設(shè)計加固的要求，開挖安全可控。

（4）針對鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問題，研發(fā)一種防結(jié)晶排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效解決鐵路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶問題。

（5）針對不同地層采用不同的新型開挖工法，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效的目標。確保施工安全，加快施工進度，為銀西高鐵高質(zhì)量建設(shè)保駕護航。

銀西高鐵隧道的建設(shè)，使我國在黃土塬區(qū)大斷面隧道修建技術(shù)方面的能力大幅提升，研發(fā)了適合黃土塬區(qū)大斷面隧道的大型成套施工設(shè)備，突破了一批制約黃土塬區(qū)大斷面隧道修建及運營的技術(shù)難題。我國黃土塬區(qū)長大高速鐵路隧道的修建技術(shù)進入自主創(chuàng)新階段。