鄭萬高鐵大斷面巖質(zhì)隧道掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及控制措施

劉大剛， 姚 萌， 張 霄

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 引言

隧道穩(wěn)定性是一個(gè)空間概念，除了包括掌子面的穩(wěn)定性，還包括隧道洞身的穩(wěn)定性。隧道洞身穩(wěn)定性作為支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，決定了支護(hù)剛度和合理的支護(hù)時(shí)機(jī)。目前的相關(guān)研究認(rèn)為掌子面穩(wěn)定性是進(jìn)行超前支護(hù)選型和參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1-2]。關(guān)于隧道圍巖穩(wěn)定性的分類和判別，已經(jīng)有很多研究，例如： 文獻(xiàn)[3]對(duì)軟弱圍巖的變形機(jī)制及控制措施進(jìn)行了研究； 文獻(xiàn)[4]以位移作為判據(jù)對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了判別。對(duì)于掌子面穩(wěn)定性，近年來雖有較多的研究[5-6]，但是由于判別指標(biāo)獲取方法較為復(fù)雜，在施工階段的應(yīng)用具有一定的局限性。而掌子面穩(wěn)定性與超前支護(hù)設(shè)計(jì)息息相關(guān)，進(jìn)行掌子面穩(wěn)定性判別和劃分需要與超前支護(hù)措施相對(duì)應(yīng)，以方便在實(shí)際工程中的應(yīng)用。目前，掌子面變形控制多是考慮掌子面后方位移，關(guān)寶樹[7]提出了根據(jù)先行位移和掌子面擠出位移進(jìn)行超前支護(hù)和掌子面補(bǔ)強(qiáng)的措施，但是掌子面穩(wěn)定性與超前支護(hù)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(jí)，其中，Ⅳ、Ⅴ級(jí)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(jī)械化配套施工，各工序的施工質(zhì)量可控。與人工施工相比，機(jī)械化施工可以快速施作較為可靠的結(jié)構(gòu)。因此，機(jī)械化施工的超前支護(hù)對(duì)分析掌子面穩(wěn)定狀態(tài)和超前支護(hù)措施的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有較高的參考價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的快速施工，Ⅲ級(jí)圍巖的循環(huán)進(jìn)尺約為5 m，Ⅳ級(jí)圍巖為3～4 m，Ⅴ級(jí)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(duì)掌子面穩(wěn)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(wěn)定性越低[5]。因此，有必要對(duì)特大跨度隧道掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

本文基于鄭萬高速鐵路隧道掌子面地質(zhì)信息，開展了大斷面隧道的掌子面穩(wěn)定性分級(jí)研究，提出了適用的超前支護(hù)措施。以期研究結(jié)果為鄭萬高鐵后續(xù)施工或其他機(jī)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(wěn)定性定性分級(jí)方法

1.1 掌子面穩(wěn)定性級(jí)別劃分

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察和調(diào)研其他隧道的掌子面穩(wěn)定狀態(tài)，將掌子面穩(wěn)定性劃分為A、B、C、D 4個(gè)等級(jí)，并依照《工程地質(zhì)手冊(cè)》[8]給出定量描述，見表1。掌子面穩(wěn)定性現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1所示。

表1 掌子面穩(wěn)定性級(jí)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(wěn)定

(b) 局部不穩(wěn)定

(c) 上半斷面不穩(wěn)定

(d) 全斷面不穩(wěn)定

1.2 掌子面穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)體系

統(tǒng)計(jì)國(guó)外18種圍巖分級(jí)方法、國(guó)內(nèi)20本圍巖分級(jí)規(guī)范和32個(gè)具體工程，分析應(yīng)用較為廣泛的6種圍巖分級(jí)指標(biāo)(巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度、地下水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地應(yīng)力狀態(tài)及巖體彈性波速度)的使用率[9]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)是使用率最高的3個(gè)指標(biāo)，而且遠(yuǎn)高于其他指標(biāo)。關(guān)寶樹認(rèn)為： 一般巖質(zhì)圍巖隧道施工階段，圍巖分級(jí)指標(biāo)除了包括巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度基本指標(biāo)外，修正指標(biāo)中影響較大的為地下水狀態(tài)[7]。這與上述的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合。同時(shí)，考慮到應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)便，故僅選取巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)3個(gè)指標(biāo)作為分級(jí)指標(biāo)。

圖2 國(guó)內(nèi)外圍巖分級(jí)中各指標(biāo)使用率

1.3 現(xiàn)場(chǎng)掌子面穩(wěn)定性的樣本統(tǒng)計(jì)

掌子面素描主要是對(duì)巖性及其產(chǎn)狀、主要結(jié)構(gòu)面及其產(chǎn)狀進(jìn)行記錄，忽略一些細(xì)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(jì)1 500余份，從中選取1 107份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jù)地下水狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同地下水狀態(tài)下的樣本數(shù)

根據(jù)所選取的掌子面穩(wěn)定性分級(jí)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)掌子面穩(wěn)定性級(jí)別與巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)3個(gè)基本指標(biāo)的組合對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及圍巖級(jí)別與穩(wěn)定性級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 無水狀態(tài)下穩(wěn)定性級(jí)別與基本指標(biāo)的組合關(guān)系

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

圖5 滴水狀態(tài)下穩(wěn)定性級(jí)別與基本指標(biāo)的組合關(guān)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(tài)下，由掌子面圍巖巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度組成的表格里存在一條區(qū)分掌子面穩(wěn)定與否的分界線，即在無水狀態(tài)下，完整的堅(jiān)硬巖—較軟巖、較完整的堅(jiān)硬巖—較軟巖、較破碎的堅(jiān)硬巖—較堅(jiān)硬巖共存在8種組合對(duì)應(yīng)掌子面穩(wěn)定； 在滴水狀態(tài)下，完整的堅(jiān)硬巖—較軟巖、較完整的堅(jiān)硬巖—較堅(jiān)硬巖共存在5種組合對(duì)應(yīng)掌子面穩(wěn)定。

1.4 掌子面穩(wěn)定性與圍巖級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系

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

圖6 各級(jí)圍巖下掌子面穩(wěn)定性級(jí)別分布

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

根據(jù)圖6可知，Ⅲ級(jí)圍巖掌子面穩(wěn)定性基本可以判斷為A級(jí)，則Ⅰ、Ⅱ級(jí)掌子面也為A級(jí)； Ⅳ級(jí)圍巖掌子面穩(wěn)定性為A級(jí)或B級(jí)，經(jīng)過調(diào)研，也可能為C級(jí)； Ⅴ級(jí)圍巖掌子面穩(wěn)定性為B級(jí)(出現(xiàn)A級(jí)是因?yàn)槭┳髁顺爸ёo(hù))，經(jīng)過調(diào)研，Ⅴ級(jí)圍巖還存在掌子面穩(wěn)定性為C級(jí)或D級(jí)的情況。

2 掌子面穩(wěn)定性控制

2.1 超前支護(hù)措施參數(shù)確定

基于鄭萬高鐵隧道施工現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)超前小導(dǎo)管和超前管棚2種超前支護(hù)措施進(jìn)行分析。超前小導(dǎo)管會(huì)使掌子面豎向荷載和豎向應(yīng)力以及水平方向的位移都有一定程度的減小，可以增強(qiáng)隧道掌子面的穩(wěn)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(wěn)定性。超前措施參數(shù)設(shè)計(jì)包括加固范圍和加固長(zhǎng)度。

對(duì)于局部掉塊嚴(yán)重的掌子面，可以因地制宜地采用小導(dǎo)管加固措施。由于小導(dǎo)管的加固長(zhǎng)度較短，加固效果不如超前管棚，掌子面發(fā)生較為嚴(yán)重的失穩(wěn)時(shí)，如上半斷面失穩(wěn)或全斷面失穩(wěn)時(shí)，應(yīng)采用超前管棚的加固措施，根據(jù)新意法的理論，同時(shí)，應(yīng)施作纖維錨桿以加固前方核心土。

超前支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)與掌子面破壞情況有對(duì)應(yīng)關(guān)系： 當(dāng)掌子面基本穩(wěn)定時(shí)可不采取超前支護(hù)措施；當(dāng)掌子面發(fā)生掉塊或局部(面積較小)發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，采取掌子面噴射混凝土封閉，并可根據(jù)情況進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿；當(dāng)掌子面發(fā)生上半斷面失穩(wěn)時(shí)，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(huán)向120°的范圍內(nèi)施作超前管棚進(jìn)行支護(hù)；當(dāng)掌子面發(fā)生全斷面失穩(wěn)時(shí)，施作纖維錨桿加固超前核心土，并在掌子面上方環(huán)向180°的范圍內(nèi)施作超前管棚進(jìn)行支護(hù)。

超前支護(hù)的長(zhǎng)度需要根據(jù)開挖影響的縱向長(zhǎng)度確定。李斌等[11]通過對(duì)掌子面擠出位移與距開挖面的關(guān)系進(jìn)行研究，得出跨度為15 m的掌子面加固長(zhǎng)度應(yīng)取8 m。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了掌子面擠出位移試驗(yàn)，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(xiàn)在當(dāng)前掌子面處，距離當(dāng)前掌子面大于8 m時(shí)，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(zhǎng)度設(shè)為8 m是合理的。

2.2 掌子面穩(wěn)定性控制措施

根據(jù)以上分析，最終確定的掌子面穩(wěn)定性控制措施見表3。

表3 掌子面穩(wěn)定性控制措施

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)鄭萬高鐵隧道掌子面地質(zhì)素描和文獻(xiàn)調(diào)研，建立了掌子面穩(wěn)定性定性分級(jí)方法，得出了圍巖級(jí)別與掌子面穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)關(guān)系；明確了掌子面擠出位移作為設(shè)計(jì)階段超前支護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，得到的結(jié)論為：

1)圍巖分級(jí)指標(biāo)中巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)是使用率最高的3個(gè)指標(biāo)。

2)根據(jù)圍巖級(jí)別與掌子面穩(wěn)定性的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖的掌子面穩(wěn)定性基本可以判別為A級(jí)；Ⅳ級(jí)圍巖的掌子面穩(wěn)定性為A級(jí)或B級(jí)，也可能為C級(jí)； Ⅴ級(jí)圍巖掌子面穩(wěn)定性為B級(jí)，也可能出現(xiàn)C級(jí)或D級(jí)的情況。

3)對(duì)于局部掉塊嚴(yán)重的掌子面，可以因地制宜地采用小導(dǎo)管加固； 當(dāng)掌子面發(fā)生較為嚴(yán)重的失穩(wěn)時(shí)，如上半斷面失穩(wěn)或全斷面失穩(wěn)時(shí)，應(yīng)采用超前管棚的加固措施，同時(shí)，應(yīng)施作纖維錨桿以加固前方核心土。

本研究建立的分級(jí)方法還不健全，未來需要進(jìn)一步搜集掌子面不穩(wěn)定的樣本進(jìn)行研究。另外，通過現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以驗(yàn)證所采取的超前支護(hù)措施的安全性，但其經(jīng)濟(jì)性仍需進(jìn)一步研究；纖維錨桿作為較強(qiáng)的加固措施，其與超前支護(hù)的優(yōu)化組合仍需進(jìn)一步研究。