碎屑流地層隧道掌子面災(zāi)變行為及圍巖穩(wěn)定性控制研究

掌子面災(zāi)變行為、碎屑流運動發(fā)展規(guī)律、圍巖穩(wěn)定控制是碎屑流隧道修建過程中關(guān)鍵科學(xué)問題。從碎屑流物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征入手，建立水—巖耦合作用的碎屑體（碎裂、散體）結(jié)構(gòu)模型，標(biāo)定碎屑體宏觀參數(shù)與顆粒離散元細(xì)觀參數(shù)對應(yīng)關(guān)系；結(jié)合模擬試驗，研究其孕育、演化、發(fā)展規(guī)律和成災(zāi)機(jī)理。采用水—巖耦合理論，探明水持續(xù)性作用下掌子面失穩(wěn)模式、臨界安全距離；圍繞掌子面穩(wěn)定，形成高位排水工法；研究掌子面擠出變形與穩(wěn)定性關(guān)系，提出掌子面失穩(wěn)判據(jù)?；谒樾俭w賦存環(huán)境（作用力、富水）、物理力學(xué)性態(tài)（核心土）與工程作用（排水、預(yù)支護(hù)、開挖卸荷）相互作用方法，提出碎屑流災(zāi)害環(huán)境下圍巖狀態(tài)轉(zhuǎn)變控制原理和方法，建立“排水—注漿—核心土預(yù)加固”成套掌子面穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)；結(jié)合現(xiàn)場多斷面及復(fù)合體（地層—水壓—支護(hù)）模型試驗，建立碎屑流隧道合理支護(hù)結(jié)構(gòu)體系；最終實現(xiàn)圍巖狀態(tài)由災(zāi)變到漸變甚至穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變，形成碎屑流隧道災(zāi)害控制及修建技術(shù)。 2100433B

掌子面災(zāi)變行為、碎屑流運動發(fā)展規(guī)律、圍巖穩(wěn)定控制是碎屑流隧道修建過程中關(guān)鍵科學(xué)問題。從碎屑流物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征入手，建立水-巖耦合作用的碎屑體（碎裂、散體）結(jié)構(gòu)模型，標(biāo)定碎屑體宏觀參數(shù)與顆粒離散元細(xì)觀參數(shù)對應(yīng)關(guān)系；結(jié)合模擬試驗，研究其孕育、演化、發(fā)展規(guī)律和成災(zāi)機(jī)理。采用水-巖耦合理論，探明水持續(xù)性作用下掌子面失穩(wěn)模式、臨界安全距離；圍繞掌子面穩(wěn)定，形成高位排水工法；研究掌子面擠出變形與穩(wěn)定性關(guān)系，提出掌子面失穩(wěn)判據(jù)。基于碎屑體賦存環(huán)境（作用力、富水）、物理力學(xué)性態(tài)（核心土）與工程作用（排水、預(yù)支護(hù)、開挖卸荷）相互作用方法，提出碎屑流災(zāi)害環(huán)境下圍巖狀態(tài)轉(zhuǎn)變控制原理和方法，建立排水-注漿-核心土預(yù)加固成套掌子面穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)；結(jié)合現(xiàn)場多斷面及復(fù)合體（地層-水壓-支護(hù)）模型試驗，建立碎屑流隧道合理支護(hù)結(jié)構(gòu)體系；最終實現(xiàn)圍巖狀態(tài)由災(zāi)變到漸變甚至穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變，形成碎屑流隧道災(zāi)害控制及修建技術(shù)。

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

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。

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??；支護(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。