掌子面失穩(wěn)破壞機(jī)制

隧道開挖過程中，掌子面圍巖受力情況是不斷的變化的。地層作為隧道的初始應(yīng)力場，在壓應(yīng)力作用下，隧道開挖破壞了圍巖原有的三向應(yīng)力平衡，受力狀態(tài)由三向變成近似二向，從而產(chǎn)生應(yīng)力重分布，出現(xiàn)二次應(yīng)力狀態(tài)。在這一過程中，當(dāng)二次應(yīng)力大于部分圍巖的塑限或強(qiáng)度極限時，圍巖就會進(jìn)入流變狀態(tài)，出現(xiàn)顯著的變形、破裂和松弛現(xiàn)象，表現(xiàn)出明顯的地層壓力效應(yīng)，此時隧道需要采取支護(hù)措施，否則圍巖會從薄弱處發(fā)生破壞，進(jìn)而隧道掌子面失穩(wěn)，最后導(dǎo)致隧道的坍塌；只有在二次應(yīng)力量值沒有超過圍巖塑性和強(qiáng)度限值，圍巖長期穩(wěn)定，

位移不侵入限界時，隧道理論上才是不需要支護(hù)的。

研究發(fā)現(xiàn)，地層壓力效應(yīng)是造成隧道掌子面失穩(wěn)的根本原因，地層壓力效應(yīng)是指隧道開挖后圍巖二次應(yīng)力與其變形強(qiáng)度特性相互作用而產(chǎn)生的一種力學(xué)現(xiàn)象。地層壓力包括變形壓力、膨脹壓力和松動壓力。變形壓力是在二次應(yīng)力作用下，圍巖局部出現(xiàn)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的塑性變形形成壓力，或者是有明顯的流變特性的圍巖黏彈塑性變形形成的支護(hù)壓力；膨脹壓力是由于圍巖體積膨脹引起的，在軟巖隧道中，部分軟巖（如泥灰?guī)r）在開挖時，巖體遇水后發(fā)生膨脹變形，對支護(hù)產(chǎn)生了變形壓力；松動壓力是由隧道開挖后松動區(qū)的自重引起的，是松散的巖體直接作用在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力，一般出現(xiàn)在隧道的拱頂和側(cè)墻，它的形成是由于隧道開挖后圍巖應(yīng)力重分布，圍巖結(jié)構(gòu)面因此而失去強(qiáng)度，成為不完整的松散體，在重力作用下產(chǎn)生滑移掉落。軟弱圍巖隧道掌子面失穩(wěn)主要是這三種壓力對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的結(jié)果。當(dāng)掌子面圍巖強(qiáng)度無法抵抗地層壓力，變形壓力和膨脹壓力過大，對隧道圍巖會產(chǎn)生松動壓力，引起掌子面的失穩(wěn)。

一般的，軟巖隧道開挖時，變形壓力較大，使部分圍巖進(jìn)入流變變形階段，出現(xiàn)塑性區(qū)并逐漸擴(kuò)大。如果圍巖強(qiáng)度高，即使在沒有支護(hù)時，塑性區(qū)也不會一直擴(kuò)大，在塑性區(qū)邊界可以形成較高的應(yīng)力。在軟巖隧道中，由于巖體強(qiáng)度較小，當(dāng)出現(xiàn)塑性大變形時，巖體出現(xiàn)破裂產(chǎn)生較大的松動壓力，導(dǎo)致隧道失穩(wěn)破壞。當(dāng)設(shè)置了超前支護(hù)時，支護(hù)剛度產(chǎn)生抗力來抵抗前期變形壓力，支護(hù)時間越早，超前支護(hù)上產(chǎn)生的抗力越大，塑性變形就越?。恢ёo(hù)的越晚，超前支護(hù)上產(chǎn)生的抗力越小，塑性變形就越大。

從微觀上看，隧道巖土體表現(xiàn)出固有的流變特性，從宏觀上看，隧道掌子面圍巖變形也有一定的規(guī)律，表現(xiàn)出特有的空間效應(yīng)和時間效應(yīng)。

隧道的開挖使得支撐隧道洞身的圍巖被挖掉，掌子面后方出現(xiàn)臨空，圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致圍巖向隧道凈空方向變形。這種變形包括掌子面面內(nèi)豎向、橫向變形和面外縱向變形，一般根據(jù)變形的空間效應(yīng)，將隧道圍巖變形分為以下3種形態(tài)：掌子面前方變形、掌子面擠出變形、掌子面后方變形。軟弱圍巖隧道設(shè)置超前支護(hù)和初期支護(hù)的主要目的，就是抑制這些變形的發(fā)展，防止圍巖出現(xiàn)圍巖松弛現(xiàn)象。

①掌子面前方變形：

掌子面前方變形與圍巖條件有密切關(guān)系。正常圍巖條件下，前方變形約為總變形的20~30%；當(dāng)圍巖條件越差，其值越大，超過總變形的30%，甚至達(dá)到50%以上，如果不加以控制，這種變形將顯著增加，容易發(fā)生掌子面拱頂坍塌，并帶動掌子面周邊變形的發(fā)展，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)大變形。

掌子面前方變形主要表現(xiàn)為掌子面面內(nèi)圍巖的下沉和擠壓；對于淺埋隧道，掌子面前方圍巖的變形還可能會發(fā)展到地表，造成地表變形開裂，甚至發(fā)生坍塌冒頂。這種塌方嚴(yán)重危害隧道工程的建設(shè)。

②掌子面擠出變形：

隧道正前方掌子面的擠出變形主要表現(xiàn)為掌子面縱向水平鼓出，若這種變形不進(jìn)行控制，掌子面縱向水平變形過大，則可能發(fā)生掌子面的擠出塌方。

③掌子面后方變形：

掌子面后方變形表現(xiàn)為隧道開挖后，出現(xiàn)拱頂下沉，洞周收斂變形。

掌子面不良地質(zhì)影響

工程地質(zhì)是影響掌子面變形與穩(wěn)定的客觀因素。影響隧道掌子面變形的因素很多，不良地質(zhì)條件是造成開挖面失穩(wěn)塌方的基本因素，公路隧道作為一個典型的地下工程，施工過程中會遇到許多地質(zhì)現(xiàn)象是不可預(yù)測的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。不良地質(zhì)主要是指滑坡、崩塌、巖堆、泥石流、溶洞等地層，隧道穿越這些斷層破碎帶、堆積層、溶洞時，開挖后初始應(yīng)力能快速釋放，巖體在受力后產(chǎn)生變形、破壞，圍巖不穩(wěn)定，出現(xiàn)掉塊和塌落，嚴(yán)重的就容易發(fā)生塌方。隧道開挖面穩(wěn)定性的還有地層褶曲構(gòu)造，隧道穿越向斜層，容易出現(xiàn)掉塊坍塌，當(dāng)平行褶曲地層時易產(chǎn)生偏壓?？傊?，隧道圍巖體的堅(jiān)硬程度、完整程度和結(jié)構(gòu)面特性對圍巖的穩(wěn)定性起著重要作用。

掌子面地應(yīng)力的影響

當(dāng)隧道開挖引起的應(yīng)力重分布超過圍巖強(qiáng)度，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生過量有害變形，就容易造成隧道掌子面的失穩(wěn)。應(yīng)力重分布是否會超過圍巖強(qiáng)度就看初始應(yīng)力的大小和方向，所以地應(yīng)力是控制掌子面圍巖穩(wěn)定的基本因素之一。地應(yīng)力主要是由于巖體的重力和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生。地應(yīng)力對隧道的影響主要看最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值、主應(yīng)力的大小和方向。隧道開挖引起地應(yīng)力重分布，最大主應(yīng)力過大，超過巖體屈服強(qiáng)度時，使巖體發(fā)生塑性變形，圍巖自穩(wěn)能力喪失；最小主應(yīng)力過小，使得巖體出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，變形得不到約束。地應(yīng)力分布不

均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，圍巖局部加速變形，最后導(dǎo)致整個掌子面坍塌。

掌子面地下水的影響

地下水是造成掌子面塌方的另一個重要原因。地下水是由地表水的滲透或地下水源補(bǔ)給的。地下水浸泡、沖蝕、溶解巖體，使巖體軟化，促成了層間的滑動，加速巖石的變形位移，從而導(dǎo)致塌方；在某些圍巖中，如灰?guī)r、頁巖為主的黏土巖中，遇水膨脹，在地下水作用下，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度大大降低，使得圍巖穩(wěn)定性下降，加劇巖體的失穩(wěn)和塌方。

圍巖中富含地下水，既影響巖體的應(yīng)力狀態(tài)和蠕變力學(xué)特性，又會影響圍巖的強(qiáng)度，進(jìn)而影響隧道掌子面圍巖的穩(wěn)定性。這些不利作用主要表現(xiàn)在，隧道開挖過程中，隨著新的開挖面的形成，地下水會產(chǎn)生一種靜水壓力，并對周圍巖體產(chǎn)生向洞內(nèi)運(yùn)動的推動力；地下水的活動，會增加圍巖的含水率和飽和度，侵蝕和泥化巖體，改變巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，降低了巖體的強(qiáng)度，隧道開挖后，引起掌子面圍巖變形破壞，極易導(dǎo)致隧道涌水、失穩(wěn)塌方等現(xiàn)象。

當(dāng)有可能出現(xiàn)地下水導(dǎo)致塌方時，必須采取適當(dāng)?shù)姆椒皶r控制地下水，避免情況的惡化。

掌子面尺寸形狀影響

隧道斷面尺寸和形狀中，跨度影響較為顯著，圍巖級別相同，跨度越大，掌子面圍巖的穩(wěn)定性就越差，這是因?yàn)樗淼赖目缍仍酱?，其切割的圍巖結(jié)構(gòu)面就越多，能夠形成較多的不穩(wěn)定塊體，導(dǎo)致圍巖易失穩(wěn)。隧道的斷面形狀對圍巖穩(wěn)定性也有影響，矩形斷面在夾角處容易形成應(yīng)力集中，而圓形斷面就不容易產(chǎn)生。

中文名稱：掌子面

英文名稱：tunnel face

定義： 所屬學(xué)科： 水利科技（一級學(xué)科） ；巖石力學(xué)、土力學(xué)、巖土工程（二級學(xué)科） ；巖土工程（水利）（三級學(xué)科）

掌子面”是坑道施工中的一個術(shù)語，即開挖坑道不斷向前推進(jìn)的工作面，不是一個固定的面，開挖面有掌子面、邊墻面和拱頂面，確切地說是正對著您的那個不斷向前移動的工作面，英文叫heading.

掌子面就是已開挖和未開挖的巖層的分界面，比如隧道分臺階開挖，上部開挖里程為DK14 110，那么也可以說掌子面里程是DK14 1102100433B

隧道掌子面失穩(wěn)將極大地危及施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全。相關(guān)的研究問題包括掌子面穩(wěn)定性評價和支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)。實(shí)際工程中，影響掌子面穩(wěn)定性的因素往往頻繁變化，因此，以極限分析、數(shù)值計(jì)算、模型實(shí)驗(yàn)為代表的傳統(tǒng)方法在解決這類問題時的時效性和簡易性方面不足。本研究針對這些問題，提出了八種方法，為設(shè)計(jì)和施工提供借鑒，主要內(nèi)容包括：1.采用全面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采集實(shí)驗(yàn)樣本并通過強(qiáng)度折減計(jì)算標(biāo)定。構(gòu)建基于樸素貝葉斯的分類器。通過比較新樣本穩(wěn)定和不穩(wěn)定后驗(yàn)概率的大小進(jìn)行預(yù)測。2. 對于不確定性問題，通過蒙特卡洛采集一系列的樣本，將每一個樣本采用樸素貝葉斯分類器進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)采集樣本中不穩(wěn)定預(yù)測的數(shù)量得到失效概率。3.采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采集樣本并標(biāo)定。構(gòu)建基于支持向量機(jī)的分類模型用于新樣本的預(yù)測。采取集體學(xué)習(xí)機(jī)制降低預(yù)測誤差。對于掌子面不穩(wěn)定的情況，通過微幅調(diào)整隧道直徑，逼近決策函數(shù)的臨界值，得到臺階法最大開挖高度。4. 將蒙特卡洛和支持向量機(jī)分類器結(jié)合，并引入k-臨近值法選擇訓(xùn)練樣本，構(gòu)建基于未知樣本的自適應(yīng)決策邊界，提高失效概率估算精度。5.將二分法和強(qiáng)度折減法結(jié)合，在確定的迭代區(qū)間內(nèi)調(diào)整掌子面支護(hù)壓力，直到其對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)逼近為零，從而得到極限支護(hù)壓力。6. 采用極限分析和荷載乘子，在掌子面塌方方向施加單位荷載，求得其臨界狀態(tài)的荷載乘子，根據(jù)單位荷載與荷載乘子的乘機(jī)確定極限支護(hù)壓力。7.將響應(yīng)面嵌入二分法，在確定的迭代區(qū)間內(nèi)調(diào)整支護(hù)壓力，并計(jì)算其對應(yīng)的可靠度指標(biāo)，直到其與預(yù)設(shè)可靠度指標(biāo)之差小于規(guī)定值。8.提出一種定義掌子面安全系數(shù)的公式，并通過極限分析和強(qiáng)度折減計(jì)算近似確定其中的兩個變量，在輸入任意支護(hù)壓力時，即可通過公式計(jì)算安全系數(shù)，從而求解功能函數(shù)并得到可靠度指標(biāo)。在確定的迭代區(qū)間內(nèi)調(diào)整支護(hù)壓力直到滿足收斂條件。提出的方法可為富水砂層等軟弱圍巖中的隧道掌子面穩(wěn)定性快速評價和支護(hù)壓力設(shè)計(jì)提供借鑒。 2100433B

研究首先針對富水砂層中修建的隧道發(fā)生的各類涌砂塌方事故展開調(diào)查，分析事故原因，總結(jié)塌方規(guī)律。然后采用有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型，結(jié)合掌子面穩(wěn)定的兩個參數(shù)：掌子面擠出變形和極限約束壓力，分析在不同水位壓力和不同滲透系數(shù)條件下水的滲流對隧道掌子面穩(wěn)定性的影響；接著開展多組土工試驗(yàn)，配置不同含水率的砂層進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)，得到粘聚力和內(nèi)摩擦角兩個強(qiáng)度參數(shù)，分析砂層含水率對砂層力學(xué)參數(shù)的影響，并將得到的強(qiáng)度參數(shù)輸入到三維數(shù)值模型中進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，研究含水率對掌子面穩(wěn)定性的影響，同時采用PFC3D軟件建立顆粒離散元模型，綜合采用新意法理論、摩爾庫倫準(zhǔn)則等理論及其指標(biāo)，分析不同工法下，隧道掌子面變形規(guī)律特征，對掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行評價，在評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，對隧道超前核心土體采取加固措施并評估加固效果。最后，進(jìn)行三維模型試驗(yàn)，分析現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并得到最終結(jié)論。