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白鹿原上闯险关
——我国在建开挖断面最大软土隧道建设纪实
  作者:丁明明 陈海卫  时间:2019-12-18  点击量:   
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深冬的白鹿原上北风呼啸,还不到5点,夜幕就已经降临。在一片肃杀冷寂的原野上,唯见几束灯火依然斑斓闪烁,不时冒出的热气从地面升腾渐远……

循着灯光走进,只见多辆混凝土罐车和运渣车往来穿梭,施工人员指挥车辆有条不紊。看似平淡无奇的工地却建设着我国开挖断面最大的软土隧道——西安外环高速公路白鹿原隧道。

作为西安大环线的重要组成部分,西安外环高速公路横穿白鹿原,这里富水细软的地质结构、复杂多变的地形地貌和200平方米的开挖断面,让双向六车道的白鹿原隧道成为百里环线最后的“通关之隘”。为了打通这道险关,建设者开进白鹿原,决心“过关斩将”,打破这个咽喉瓶颈,打通大西安的交通要道。

软泥地里挖“窑洞”

走进白鹿原隧道施工现场,还没到洞口,脚下的田间小径已然踩出凹坑,一不小心还会陷入土中。就是在这样松软地如同“吐司面包”一样的土地上,要挖出19.7米宽、断面面积达200平方米的白鹿原双线隧道,怎么办?

“白鹿原地区不同于黄土隧道,当地土壤是类似红泥的软土地质,这种土层既松软又透水,地质定义为Ⅴ级加强围岩。”项目经理杨守培抓起一把土壤介绍说,当地土壤含水率达30%,攥在手中都能挤出液体。“更为严峻的是白鹿原隧道全部处于浅埋段,隧道距地面最小距离还不到20米。”

在航拍照片中,只见白鹿原隧道穿越沟壑纵横的原野,村庄、公路、学校在隧道沿线星罗棋布,在一些低洼地区还有水库、树林。“你看这里就是鲸鱼沟李家河水库和风景区。”顺着杨守培指向位置,一座蓝色的湖区标记横亘在隧道上方。据介绍,白鹿原隧道先后穿越3个居民区、1条省道、1座学校、2座水库和不计其数的低洼富水区。

在这样松软富水的地层中挖隧道就像手工剥生鸡蛋壳,既要切开“创口”,还要实现“壳和膜”的完好分离。在掘进中,技术人员还要面临隧道内部富水段水流对泥土造成的软化问题。“洞里一块石头都没有,也没有沙子,泥土顺着掌子面周边流淌的水柱倾泻而下,活像‘水帘洞’。”项目总工程师李超打趣地说,即便大晴天胶鞋和雨衣也是进洞必备。在这样恶劣的环境中,2019年白鹿原隧道在连绵的降雨时节仅左线隧道日均抽水达1000立方米,甚至出现2处冒顶。

“雨水夹杂着泥土从拱顶倾落而下,刚挖好的隧道就被泥土堵住了……”谈及当时的险情,杨守培至今记忆犹新。在水流的影响下,地下深处土壤可谓遇水化浆、遇水膨胀,掌子面在施工中常常会成为“泥浆池”。

重重困难使得白鹿原隧道成为全线当之无愧的一级高风险隧道,亦成为西安大环线最后的攻坚堡垒。

千米泥岩撑“钢罩”

浅埋、透水、大跨和穿越湖泊民房成为白鹿原隧道建设的四大险关。既然是软泥地里打洞,必然是先加固再掘进!循着这个思路,建设者采取支撑型施工工法、填充加固掌子面的策略,将大断面再次划分为小断面、小作业面,在隧道中搭建起了一座“钢筋铁骨”金钟罩。

“现场开始应用了双侧壁导坑法,这种施工策略就是在洞内加入双侧拱形支撑,保证隧道稳固。”李超介绍说,这种策略让隧道稳定推进了60米,但是效率太低,施工完毕后需要拆除双侧支撑,不仅费时费力还造成较大的材料浪费。

经过多次试验论证,技术人员决定拆除一侧支撑,实施单侧壁支撑施工。据介绍,单侧壁导坑法就是在隧道中间支撑钢拱架和钢筋混凝土加固层,将隧道掌子面划分为2个小作业面,待隧道稳固后再拆除支撑,实现全面稳步推进施工。按照单侧壁施工模式,白鹿原两座隧道被中间支撑分别分隔成为四座小隧道,较好地解决了跨度过大的问题。然而解决了大跨问题,建设者又面临遇水膨胀的难题。

在孔隙水流的作用下,白鹿原隧道周边泥土大面积膨胀挤压,隧道开挖成果随时都有可能被涨出的泥土淹没。为了确保横向稳固,技术人员在掌子面安装临时横向钢架支撑,硬是顶住了两侧洞壁的千钧压力。“横向钢支撑和纵向钢拱架支撑,连同隧道周边钢拱架和混凝土共同在掌子面构成‘十字’形钢筋混凝土支撑体系。”杨守培介绍说。

然而,白鹿原隧道根本没有按照人们设定的方向发展,它就像个顽皮的孩童,总是不按套路出牌。在夏季多雨时节,掌子面含水量极大,特别是两次冒顶让掌子面完全成为泥浆泽国。原有的支撑体系也守不住泥水的无形的“躯体”。“加固掌子面成为当时唯一的选择!”杨守培说,在加大抽排水的基础上,他们用渣土、碎石甚至钢筋碎渣夯实隧道掌子面,累计加入12000立方米砂石料和钢渣才稳住了掌子面。这就出现了一边挖隧道送出泥水渣土,另一边向洞内填土夯筑的隧道施工奇特场面。

软泥隧道施工难题同样困扰着大型机械设备,满是泥浆的掌子面别说车辆进去施工,就是人进去也得陷入软泥不能自拔。建设者就铺设钢板,在掌子面形成钢铁施工作业面,有效保证大型机械设备和重型车辆进入施工。

钢筋、钢构架、混凝土和砂石料共同铸成了白鹿原隧道的钢筋铁骨,建设者用以刚克柔的策略,牢牢锁住了泥浆猛兽冲击的汹涌力量,在白鹿原隧道深处搭建起了一座保安全、促施工的钢铁防护棚。

匠心技艺铸“名牌”

如果说在硬岩地质中开路掘隧是对机械设备性能的考验,那么在软泥地质中挖隧道更是对人员心理素质和技术功底的考验。富水软弱围岩意味着随时可能出现沉降、意味着随时可能出现透水,这些随时可能出现的风险倒逼建设者拿出了自己的看家本领。

“且不说别的,仅地面沉降问题就足以‘一剑封喉’!”每每想到施工风险,项目党支部书记陈海卫总是眉头紧锁。白鹿原隧道建设之初,建设者原本计划将隧道上方146户居民全部拆迁安置,实行“清空隔离”,但是全部拆迁不仅工作量大,费用高昂,而且对于学校和下穿公路段还不能疏散人员和车辆……面对困境,建设者在大胆论证和小范围尝试施工的基础上,进一步创新单侧壁导坑施工工法。

他们按照大稳固、小切口、快推进的原则,在隧道掌子面构筑起钢筋铁骨的基础上,快速跟进仰拱和衬砌,将掌子面和衬砌之间的距离从以往的20米压缩到12米,仅仅在掌子面附近留出手术“创口”,让衬砌在掌子面附近快速成环,实现了大稳固、小切口。“通过衬砌施工巩固隧道结构,衬砌和仰拱连接成环就构成了成型隧道的支撑结构。”李超举例说,就好比完整的圆环能顶住重压,残缺的则一压就扁。

快速封闭的仰拱衬砌在掌子面后面跟随不舍,掌子面则打入超前排水管快速排水,周边洞壁则快速打入钢管巩固隧道……正如杨守培所说,软弱围岩争的就是时间、争的就是效率,稍有迟疑泥水都有可能倾泻而下。通过缩小施工作业面,压缩施工时间,建设者探索出了不同时间、不同富水段的施工技术参数,为单侧壁导坑施工工法提供了新思路。

运用新工法,现场实现了微沉降、快推进。按照单侧壁导坑标准施工方法,白鹿原隧道理论月进度仅40米,采用新工法后月进度达到78米,地面沉降始终控制在3毫米以内,原计划拆迁的146户村民没有一家房屋开裂,丝毫没有干扰人民群众的正常生产生活。

在开展工法研究的同时,技术人员结合白鹿原隧道地质特点,开展软弱围岩地质工装配套研究,运用了大量新型工装设备。针对成型隧道防排水问题,技术人员研究应用了隔水漕施工工艺。“隧道挖出的净空面打断了地下土体的水脉网络,在应用传统防水板和止水带的同时,通过打设隔水漕,进一步引排渗出水。” 陈海卫介绍说,通过预埋橡胶条,在施工后期取出后即可形成美观的工程。走进白鹿原隧道只见成型隧道的洞壁上每隔50米就有一道隔水沟槽,活像螺纹管。据介绍,应用滴水槽技术,成型隧道从未出现潮湿渗水问题,这在高富水地质环境中极为罕见,充分展现了建设者的高超技艺,成为白鹿原隧道独有的防排水技术。

通过技术研究,现场还创新应用了无门架衬砌台车、防水板台车、三缝爬焊机、电缆槽台车等成套工装设备,确保各个作业工序完全符合施工规范,工程质量完全达到国家和行业标准,取得了工装保工艺、工艺保质量的目的,用品质工程在西安外环高速公路全线擦亮了中铁十二局的品牌。

锤炼队伍育“学霸”

战泥浆、斗沉降、亮功底、拼速度已经成为白鹿原隧道建设的工地常态,历经无数个日夜奋战,隧道稳住了、质量保证了,近千人的隧道沿线群众安全了。谁能想到驯服这条高风险隧道的是一群平均年龄仅有26岁的年轻人呢?

“现在根本想象不到,当初所有的技术人员都还没参与过隧道施工。”追忆开工前的情景,杨守培感慨不已。白鹿原隧道开工前夕,现场仅有6名刚毕业的年轻技术员,有的还不到25岁,这样一群娃娃兵怎么干这么高风险的隧道?这让项目部上下忧心不已。

抱着试试看和现学现用的态度,项目部开始了漫漫育人路。他们首先想到了去黄土隧道实地观摩学习,技术人员就蹲守在银西铁路早胜隧道施工现场,跟着老技术员学习黄土隧道施工技巧。本以为学有所成的小伙子们刚进白鹿原隧道就傻眼了,白鹿原隧道较黄土隧道而言,更加软弱、松散,四处涌动的水流让隧道随时都有土体塌陷掉落的可能。

“当时看着如同雨点般砸下的水流,有的人甚至都不敢进去。”2018年毕业的技术员郭庆到现在还心有余悸。为了保证施工安全,让大家放心进洞,项目部班子成员带领技术员就在工地安营扎寨,他们日夜守在洞内,紧盯现场施工。通过新老传帮带的方式,不仅消除了大家的恐惧心理,也增强了团队的凝聚力和战斗力。

在复杂多变的地质环境下,现场容不得他们有半点迟疑,往往须臾的疏忽都会导致隧道挤压变形、土体掉落和泥浆涌出。通过长期反复的鏖战,青年技术员们逐渐摸清了白鹿原隧道的脾气和秉性,了解了不同环境下的施工参数。

“大学时候学的新奥法打隧道方法,在白鹿原隧道完全不同了,这边先后用过三台阶法、双侧壁导坑、单侧壁导坑,各种工法轮番上阵,更像是多种方式相融的复合型工法。”技术员刘凌平深有感悟,仅一座白鹿原隧道就让他们接触了多种施工技术,复杂多变的地质环境更是让他们牢牢掌握施工技巧。

从进入隧道开始,现场技术员们可以说是边掘进边学习,他们既要研究图纸,更要分析地质,还要综合考虑防控地面沉降,研究不同位置、不同角度钢筋布设参数,混凝土注浆时间、注浆量及混凝土强度,钢拱架安装规范、拆卸要求……每当谈及白鹿原隧道建设成果,杨守培总是自豪地说,带出了一支软弱泥土隧道专业化技术和施工队伍。

参与白鹿原隧道施工的年轻技术员在隧道施工的锤炼中,个个成为软泥隧道施工的技术行家,只要说起隧道,他们总能脱口而出、如数家珍。翻开现场确定的工法核技术课题研究参与名单,全是清一色的90后。从模仿型团队成长为学习型团队,再成长为研究型团队,白鹿原隧道的建设者走过了不平凡的3载春秋。

在团队的拼搏努力氛围影响下,白鹿原隧道的“小将”们各个奋勇争先,他们把隧道作为自己学习的平台,通过钻研软泥地质大跨度隧道施工掘进方案,开展隧道防排水、掌子面临时仰拱技术、隧道开挖超前钻探等课题研究,全面开展技术攻关。他们先后攻克了富水软泥支撑难题、泥土隧道排水难题,进一步优化了单侧壁导坑法施工工法,参与了防水板焊接、二衬台车和水沟电缆槽台车的工艺创新和技术研发,迅速成长为工地技术骨干。

目前,白鹿原隧道建设已完成三分之二,在后续施工中,建设者锚定目标,鼓足干劲。在前期安全平稳推进的基础上,他们巩固住了来之不易的胜利果实,抢时间、保安全、提质量,在白鹿原隧道建设的大路上越干越有信心、越干越有激情、越干越有拼劲,在他们的不懈努力下,贯通我国开挖断面最大软土隧道的曙光已然显现,不远的将来,这条牵动西安人民心弦的大环线将完美呈现在人们面前。