鄭萬高鐵大斷面巖質隧道掌子面穩定性評價及控制措施

劉大剛， 姚 萌， 張 霄

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道穩定性是一個空間概念，除了包括掌子面的穩定性，還包括隧道洞身的穩定性。隧道洞身穩定性作為支護設計的重要依據，決定了支護剛度和合理的支護時機。目前的相關研究認為掌子面穩定性是進行超前支護選型和參數設計的重要依據[1-2]。關于隧道圍巖穩定性的分類和判別，已經有很多研究，例如： 文獻[3]對軟弱圍巖的變形機制及控制措施進行了研究； 文獻[4]以位移作為判據對隧道穩定性進行了判別。對于掌子面穩定性，近年來雖有較多的研究[5-6]，但是由于判別指標獲取方法較為復雜，在施工階段的應用具有一定的局限性。而掌子面穩定性與超前支護設計息息相關，進行掌子面穩定性判別和劃分需要與超前支護措施相對應，以方便在實際工程中的應用。目前，掌子面變形控制多是考慮掌子面后方位移，關寶樹[7]提出了根據先行位移和掌子面擠出位移進行超前支護和掌子面補強的措施，但是掌子面穩定性與超前支護的匹配還不緊密。

鄭萬高鐵湖北段隧線比約為58.4%，全線隧道均為單洞雙線隧道，隧道開挖斷面面積約為150 m2，屬雙線大斷面隧道。而鄭萬高鐵湖北段隧道圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，其中，Ⅳ、Ⅴ級軟弱破碎圍巖占比超過60%。鄭萬高鐵部分隧道采用全工序大型機械化配套施工，各工序的施工質量可控。與人工施工相比，機械化施工可以快速施作較為可靠的結構。因此，機械化施工的超前支護對分析掌子面穩定狀態和超前支護措施的對應關系具有較高的參考價值。為實現機械化的快速施工，Ⅲ級圍巖的循環進尺約為5 m，Ⅳ級圍巖為3～4 m，Ⅴ級圍巖為2～3 m。鄭萬高鐵隧道圍巖開挖斷面面積約為150 m2，跨度為15 m，屬單洞雙線特大跨度隧道。隧道開挖面積對掌子面穩定性有顯著影響，同等圍巖條件下，跨度越大的隧道掌子面穩定性越低[5]。因此，有必要對特大跨度隧道掌子面穩定性進行研究。

本文基于鄭萬高速鐵路隧道掌子面地質信息，開展了大斷面隧道的掌子面穩定性分級研究，提出了適用的超前支護措施。以期研究結果為鄭萬高鐵后續施工或其他機械化施工的單洞雙線高速鐵路隧道施工提供參考。

1 掌子面穩定性定性分級方法

1.1 掌子面穩定性級別劃分

通過現場觀察和調研其他隧道的掌子面穩定狀態，將掌子面穩定性劃分為A、B、C、D 4個等級，并依照《工程地質手冊》[8]給出定量描述，見表1。掌子面穩定性現場圖如圖1所示。

表1 掌子面穩定性級別

注： 小塌方指高度<3 m、體積<30 m3的塌方； 中塌方指高度為3～6 m、體積為30～100 m3的塌方； 大塌方指高度>6 m、體積>100 m3的塌方。

(a) 整體穩定

(b) 局部不穩定

(c) 上半斷面不穩定

(d) 全斷面不穩定

1.2 掌子面穩定性分級指標體系

統計國外18種圍巖分級方法、國內20本圍巖分級規范和32個具體工程，分析應用較為廣泛的6種圍巖分級指標(巖石堅硬程度、巖體完整程度、地下水狀態、結構面狀態、地應力狀態及巖體彈性波速度)的使用率[9]，統計結果如圖2所示。

從圖2可以看出，巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水狀態是使用率最高的3個指標，而且遠高于其他指標。關寶樹認為： 一般巖質圍巖隧道施工階段，圍巖分級指標除了包括巖石堅硬程度、巖體完整程度基本指標外，修正指標中影響較大的為地下水狀態[7]。這與上述的統計結果相吻合。同時，考慮到應用于現場施工時應盡量簡便，故僅選取巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水狀態3個指標作為分級指標。

圖2 國內外圍巖分級中各指標使用率

1.3 現場掌子面穩定性的樣本統計

掌子面素描主要是對巖性及其產狀、主要結構面及其產狀進行記錄，忽略一些細微的地方，速度快、效率高，基本不影響施工。通過收集鄭萬高鐵湖北段多座隧道的掌子面素描記錄共計1 500余份，從中選取1 107份進行統計分析，各隧道掌子面素描情況見表2。

表2 各隧道掌子面素描情況

將樣本根據地下水狀態進行統計，得到的結果如圖3所示。

圖3 不同地下水狀態下的樣本數

根據所選取的掌子面穩定性分級指標，統計掌子面穩定性級別與巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水狀態3個基本指標的組合對應關系，以及圍巖級別與穩定性級別的對應關系，結果見圖4和圖5。

圖4 無水狀態下穩定性級別與基本指標的組合關系

Fig. 4 Combination relationship between stability grades and basic indices under dry condition

圖5 滴水狀態下穩定性級別與基本指標的組合關系

Fig. 5 Combination relationship between stability grades and basic indices under dropping condition

通過分析圖4和圖5可知，在無水或滴水狀態下，由掌子面圍巖巖石堅硬程度和巖體完整程度組成的表格里存在一條區分掌子面穩定與否的分界線，即在無水狀態下，完整的堅硬巖—較軟巖、較完整的堅硬巖—較軟巖、較破碎的堅硬巖—較堅硬巖共存在8種組合對應掌子面穩定； 在滴水狀態下，完整的堅硬巖—較軟巖、較完整的堅硬巖—較堅硬巖共存在5種組合對應掌子面穩定。

1.4 掌子面穩定性與圍巖級別的對應關系

從圍巖級別和掌子面穩定性來看，統計的掌子面主要分布在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖中，其中，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占90%以上，掌子面穩定性為A級(666個)和B級(441個)。各級圍巖下掌子面穩定情況如圖6所示。

圖6 各級圍巖下掌子面穩定性級別分布

Fig. 6 Distribution of stability grades of tunnel face under different grades of surrounding rock

根據圖6可知，Ⅲ級圍巖掌子面穩定性基本可以判斷為A級，則Ⅰ、Ⅱ級掌子面也為A級； Ⅳ級圍巖掌子面穩定性為A級或B級，經過調研，也可能為C級； Ⅴ級圍巖掌子面穩定性為B級(出現A級是因為施作了超前支護)，經過調研，Ⅴ級圍巖還存在掌子面穩定性為C級或D級的情況。

2 掌子面穩定性控制

2.1 超前支護措施參數確定

基于鄭萬高鐵隧道施工現場情況，對超前小導管和超前管棚2種超前支護措施進行分析。超前小導管會使掌子面豎向荷載和豎向應力以及水平方向的位移都有一定程度的減小，可以增強隧道掌子面的穩定性,使隧道開挖過程更加安全[10]。超前管棚可以加固圍巖，提高掌子面穩定性。超前措施參數設計包括加固范圍和加固長度。

對于局部掉塊嚴重的掌子面，可以因地制宜地采用小導管加固措施。由于小導管的加固長度較短，加固效果不如超前管棚，掌子面發生較為嚴重的失穩時，如上半斷面失穩或全斷面失穩時，應采用超前管棚的加固措施，根據新意法的理論，同時，應施作纖維錨桿以加固前方核心土。

超前支護參數設計與掌子面破壞情況有對應關系： 當掌子面基本穩定時可不采取超前支護措施；當掌子面發生掉塊或局部(面積較小)發生失穩時，采取掌子面噴射混凝土封閉，并可根據情況進行超前小導管注漿；當掌子面發生上半斷面失穩時，上半斷面施作纖維錨桿加固超前核心土并噴射混凝土封閉掌子面，在掌子面上方環向120°的范圍內施作超前管棚進行支護；當掌子面發生全斷面失穩時，施作纖維錨桿加固超前核心土，并在掌子面上方環向180°的范圍內施作超前管棚進行支護。

超前支護的長度需要根據開挖影響的縱向長度確定。李斌等[11]通過對掌子面擠出位移與距開挖面的關系進行研究，得出跨度為15 m的掌子面加固長度應取8 m。現場進行了掌子面擠出位移試驗，得出擠出位移的變化曲線如圖7所示。

圖7 擠出位移變化曲線

從圖7可以看出，掌子面最大擠出位移出現在當前掌子面處，距離當前掌子面大于8 m時，縱向擠出位移降至最大縱向擠出位移的30%以下，所以加固長度設為8 m是合理的。

2.2 掌子面穩定性控制措施

根據以上分析，最終確定的掌子面穩定性控制措施見表3。

表3 掌子面穩定性控制措施

3 結論與討論

本文根據鄭萬高鐵隧道掌子面地質素描和文獻調研，建立了掌子面穩定性定性分級方法，得出了圍巖級別與掌子面穩定性對應關系；明確了掌子面擠出位移作為設計階段超前支護設計的依據，得到的結論為：

1)圍巖分級指標中巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水狀態是使用率最高的3個指標。

2)根據圍巖級別與掌子面穩定性的對應關系可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖的掌子面穩定性基本可以判別為A級；Ⅳ級圍巖的掌子面穩定性為A級或B級，也可能為C級； Ⅴ級圍巖掌子面穩定性為B級，也可能出現C級或D級的情況。

3)對于局部掉塊嚴重的掌子面，可以因地制宜地采用小導管加固； 當掌子面發生較為嚴重的失穩時，如上半斷面失穩或全斷面失穩時，應采用超前管棚的加固措施，同時，應施作纖維錨桿以加固前方核心土。

本研究建立的分級方法還不健全，未來需要進一步搜集掌子面不穩定的樣本進行研究。另外，通過現場統計結果，可以驗證所采取的超前支護措施的安全性，但其經濟性仍需進一步研究；纖維錨桿作為較強的加固措施，其與超前支護的優化組合仍需進一步研究。