郑万高铁大断面岩质隧道掌子面稳定性评价及控制措施

刘大刚， 姚 萌， 张 霄

(1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道稳定性是一个空间概念，除了包括掌子面的稳定性，还包括隧道洞身的稳定性。隧道洞身稳定性作为支护设计的重要依据，决定了支护刚度和合理的支护时机。目前的相关研究认为掌子面稳定性是进行超前支护选型和参数设计的重要依据[1-2]。关于隧道围岩稳定性的分类和判别，已经有很多研究，例如： 文献[3]对软弱围岩的变形机制及控制措施进行了研究； 文献[4]以位移作为判据对隧道稳定性进行了判别。对于掌子面稳定性，近年来虽有较多的研究[5-6]，但是由于判别指标获取方法较为复杂，在施工阶段的应用具有一定的局限性。而掌子面稳定性与超前支护设计息息相关，进行掌子面稳定性判别和划分需要与超前支护措施相对应，以方便在实际工程中的应用。目前，掌子面变形控制多是考虑掌子面后方位移，关宝树[7]提出了根据先行位移和掌子面挤出位移进行超前支护和掌子面补强的措施，但是掌子面稳定性与超前支护的匹配还不紧密。

郑万高铁湖北段隧线比约为58.4%，全线隧道均为单洞双线隧道，隧道开挖断面面积约为150 m2，属双线大断面隧道。而郑万高铁湖北段隧道围岩主要为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，其中，Ⅳ、Ⅴ级软弱破碎围岩占比超过60%。郑万高铁部分隧道采用全工序大型机械化配套施工，各工序的施工质量可控。与人工施工相比，机械化施工可以快速施作较为可靠的结构。因此，机械化施工的超前支护对分析掌子面稳定状态和超前支护措施的对应关系具有较高的参考价值。为实现机械化的快速施工，Ⅲ级围岩的循环进尺约为5 m，Ⅳ级围岩为3～4 m，Ⅴ级围岩为2～3 m。郑万高铁隧道围岩开挖断面面积约为150 m2，跨度为15 m，属单洞双线特大跨度隧道。隧道开挖面积对掌子面稳定性有显著影响，同等围岩条件下，跨度越大的隧道掌子面稳定性越低[5]。因此，有必要对特大跨度隧道掌子面稳定性进行研究。

本文基于郑万高速铁路隧道掌子面地质信息，开展了大断面隧道的掌子面稳定性分级研究，提出了适用的超前支护措施。以期研究结果为郑万高铁后续施工或其他机械化施工的单洞双线高速铁路隧道施工提供参考。

1 掌子面稳定性定性分级方法

1.1 掌子面稳定性级别划分

通过现场观察和调研其他隧道的掌子面稳定状态，将掌子面稳定性划分为A、B、C、D 4个等级，并依照《工程地质手册》[8]给出定量描述，见表1。掌子面稳定性现场图如图1所示。

表1 掌子面稳定性级别

注： 小塌方指高度<3 m、体积<30 m3的塌方； 中塌方指高度为3～6 m、体积为30～100 m3的塌方； 大塌方指高度>6 m、体积>100 m3的塌方。

(a) 整体稳定

(b) 局部不稳定

(c) 上半断面不稳定

(d) 全断面不稳定

1.2 掌子面稳定性分级指标体系

统计国外18种围岩分级方法、国内20本围岩分级规范和32个具体工程，分析应用较为广泛的6种围岩分级指标(岩石坚硬程度、岩体完整程度、地下水状态、结构面状态、地应力状态及岩体弹性波速度)的使用率[9]，统计结果如图2所示。

从图2可以看出，岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态是使用率最高的3个指标，而且远高于其他指标。关宝树认为： 一般岩质围岩隧道施工阶段，围岩分级指标除了包括岩石坚硬程度、岩体完整程度基本指标外，修正指标中影响较大的为地下水状态[7]。这与上述的统计结果相吻合。同时，考虑到应用于现场施工时应尽量简便，故仅选取岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态3个指标作为分级指标。

图2 国内外围岩分级中各指标使用率

1.3 现场掌子面稳定性的样本统计

掌子面素描主要是对岩性及其产状、主要结构面及其产状进行记录，忽略一些细微的地方，速度快、效率高，基本不影响施工。通过收集郑万高铁湖北段多座隧道的掌子面素描记录共计1 500余份，从中选取1 107份进行统计分析，各隧道掌子面素描情况见表2。

表2 各隧道掌子面素描情况

将样本根据地下水状态进行统计，得到的结果如图3所示。

图3 不同地下水状态下的样本数

根据所选取的掌子面稳定性分级指标，统计掌子面稳定性级别与岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态3个基本指标的组合对应关系，以及围岩级别与稳定性级别的对应关系，结果见图4和图5。

图4 无水状态下稳定性级别与基本指标的组合关系

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

图5 滴水状态下稳定性级别与基本指标的组合关系

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

通过分析图4和图5可知，在无水或滴水状态下，由掌子面围岩岩石坚硬程度和岩体完整程度组成的表格里存在一条区分掌子面稳定与否的分界线，即在无水状态下，完整的坚硬岩—较软岩、较完整的坚硬岩—较软岩、较破碎的坚硬岩—较坚硬岩共存在8种组合对应掌子面稳定； 在滴水状态下，完整的坚硬岩—较软岩、较完整的坚硬岩—较坚硬岩共存在5种组合对应掌子面稳定。

1.4 掌子面稳定性与围岩级别的对应关系

从围岩级别和掌子面稳定性来看，统计的掌子面主要分布在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩中，其中，Ⅳ、Ⅴ级围岩占90%以上，掌子面稳定性为A级(666个)和B级(441个)。各级围岩下掌子面稳定情况如图6所示。

图6 各级围岩下掌子面稳定性级别分布

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

根据图6可知，Ⅲ级围岩掌子面稳定性基本可以判断为A级，则Ⅰ、Ⅱ级掌子面也为A级； Ⅳ级围岩掌子面稳定性为A级或B级，经过调研，也可能为C级； Ⅴ级围岩掌子面稳定性为B级(出现A级是因为施作了超前支护)，经过调研，Ⅴ级围岩还存在掌子面稳定性为C级或D级的情况。

2 掌子面稳定性控制

2.1 超前支护措施参数确定

基于郑万高铁隧道施工现场情况，对超前小导管和超前管棚2种超前支护措施进行分析。超前小导管会使掌子面竖向荷载和竖向应力以及水平方向的位移都有一定程度的减小，可以增强隧道掌子面的稳定性,使隧道开挖过程更加安全[10]。超前管棚可以加固围岩，提高掌子面稳定性。超前措施参数设计包括加固范围和加固长度。

对于局部掉块严重的掌子面，可以因地制宜地采用小导管加固措施。由于小导管的加固长度较短，加固效果不如超前管棚，掌子面发生较为严重的失稳时，如上半断面失稳或全断面失稳时，应采用超前管棚的加固措施，根据新意法的理论，同时，应施作纤维锚杆以加固前方核心土。

超前支护参数设计与掌子面破坏情况有对应关系： 当掌子面基本稳定时可不采取超前支护措施；当掌子面发生掉块或局部(面积较小)发生失稳时，采取掌子面喷射混凝土封闭，并可根据情况进行超前小导管注浆；当掌子面发生上半断面失稳时，上半断面施作纤维锚杆加固超前核心土并喷射混凝土封闭掌子面，在掌子面上方环向120°的范围内施作超前管棚进行支护；当掌子面发生全断面失稳时，施作纤维锚杆加固超前核心土，并在掌子面上方环向180°的范围内施作超前管棚进行支护。

超前支护的长度需要根据开挖影响的纵向长度确定。李斌等[11]通过对掌子面挤出位移与距开挖面的关系进行研究，得出跨度为15 m的掌子面加固长度应取8 m。现场进行了掌子面挤出位移试验，得出挤出位移的变化曲线如图7所示。

图7 挤出位移变化曲线

从图7可以看出，掌子面最大挤出位移出现在当前掌子面处，距离当前掌子面大于8 m时，纵向挤出位移降至最大纵向挤出位移的30%以下，所以加固长度设为8 m是合理的。

2.2 掌子面稳定性控制措施

根据以上分析，最终确定的掌子面稳定性控制措施见表3。

表3 掌子面稳定性控制措施

3 结论与讨论

本文根据郑万高铁隧道掌子面地质素描和文献调研，建立了掌子面稳定性定性分级方法，得出了围岩级别与掌子面稳定性对应关系；明确了掌子面挤出位移作为设计阶段超前支护设计的依据，得到的结论为：

1)围岩分级指标中岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态是使用率最高的3个指标。

2)根据围岩级别与掌子面稳定性的对应关系可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩的掌子面稳定性基本可以判别为A级；Ⅳ级围岩的掌子面稳定性为A级或B级，也可能为C级； Ⅴ级围岩掌子面稳定性为B级，也可能出现C级或D级的情况。

3)对于局部掉块严重的掌子面，可以因地制宜地采用小导管加固； 当掌子面发生较为严重的失稳时，如上半断面失稳或全断面失稳时，应采用超前管棚的加固措施，同时，应施作纤维锚杆以加固前方核心土。

本研究建立的分级方法还不健全，未来需要进一步搜集掌子面不稳定的样本进行研究。另外，通过现场统计结果，可以验证所采取的超前支护措施的安全性，但其经济性仍需进一步研究；纤维锚杆作为较强的加固措施，其与超前支护的优化组合仍需进一步研究。