开挖过程隧道掌子面稳定性研究综述

2020-11-16康海波万志强赵刚应

四川建筑 2020年5期

康海波，万志强，赵刚应，张乾

(1. 四川路桥建设股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610020；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031；3. 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)

在我国，中西部山区分布广泛，地势起伏，地质条件复杂，经常会遇到软岩、断层破碎带以及高地应力等复杂地质情况，使得隧道建设变得困难，要使得隧道成功贯通并投入使用，最主要的还是解决隧道围岩稳定的问题，在研究隧道围岩稳定性方面，学者对开挖隧道周围岩体稳定性研究较多，在对开挖过程中，隧道掌子面稳定性的研究不多，而在实际工程中，经常会遇到开挖面坍塌而引起施工延期、危害人员安全的事故，如奥地利陶恩公路隧道、南昆线家竹箐铁路隧道以及卧龙隧道等，都发生掌子面坍塌现象，南昆线家竹箐隧道在施工过程中掌子面附近拱顶沉降达240 cm，隧道产生严重的大变形，影响开挖进度，所以对开挖面稳定性的研究极为重要。本文将结合工程实例并对前人科研成果进行总结，论述了海内外对掌子面稳定性问题的研究现状以及存在的问题，并且阐述隧道施工掌子面失稳的特点。

1 隧道掌子面失稳工程实例

自隧道工程发展以来，出现了许多关于隧道掌子面失稳破坏的案例，掌子面失稳严重影响施工工期，并且导致人员伤亡，表1总结了国内隧道掌子面失稳的案例以及失稳特征。

从表1可大致的总结出隧道开挖面失稳的一些原因以及失稳特点，总结如下：

(1)隧道掌子面发生失稳的围岩岩性一般为软弱围岩，围岩抗压强度低，属于隧道围岩分级的Ⅳ、Ⅴ级围岩范畴。

(2)在地下水较为发育的地段，容易产生隧道掌子面失稳破坏，并且通常伴随掌子面突水涌泥现象。

(3)开挖面失稳前，由于开挖面前方岩体强度以及刚度无法达到围岩平衡的要求，围岩挤出变形很大，且形变呈不收敛扩大的趋势，以致隧道开挖轮廓面岩体失去稳定，隧道开挖面坍塌；隧道开挖面失稳特征受地质条件、隧道埋深、地下水分布、地应力等的影响，且隧道开挖面失稳不一定发生在软弱岩体中，在节理裂隙不发育、围岩岩体完整的地段也会发生掌子面失稳。

(4)开挖面发生失稳性破坏时，隧道围岩产生大变形，隧道开挖面发生失稳性破坏通常有以下现象：在自然地表发生坍塌、裂缝，开挖面土体向隧道内变形，隧道四周岩体变形速率增大，初期支护开裂，钢拱架出现扭曲，二衬出现裂纹掉块等。

2 隧道掌子面稳定性研究现状

隧道开挖面稳定研究主要集中在对隧道开挖面破坏机理方面，隧道开挖面破坏机理的分析可概括为两类：一种是隧道开挖面破坏之前的稳定性分析，另一种是开挖面破坏以后，其破坏方式的分析，然而对破坏之前进行稳定性分析，对实际施工来讲可以更加有效的预防灾害的发生，所以国内外学者通过理论分析，模型实验以及数值模拟的方法，对在开挖面失稳极限状态下道周围岩稳定性分析开展了大量有益工作。

2.1 理论分析

理论研究普遍采用三种方法，着眼于开挖面的整体性破坏或者稳定性的研究，一种是稳定系数法，第二种为极限分析法，最后一种为筒仓理论。

2.1.1 稳定系数法

通过稳定系数法研究掌子面稳定性的工作起步较早，1967年Broms等[1]采用极限解析的方法，提出在无支护条件下，黏土地层中掌子面稳定性系数，如下所示：

N=(σs+γH-σT)/Su

表1 隧道掌子面失稳案例

式中：Su为不排水抗剪强度，σs为超载，γ为土的容重，H为隧道轴心到地表面的距离，σT为开挖面支护压力，N为稳定性系数。最终基于室内模型实验和现场测试，得出相对稳定性系数N超过6时开挖面将发生失稳破坏的结论。

Davis[2]基于开挖面稳定系数研究方法，采取上边界塑性的极限分析法，计算中假设研究对象为Tresca材料，并且隧道为无支护、纵向平面应变稳定问题，在塌陷与鼓起两种不同的破坏条件下分析隧道开挖面稳定与支护刚度大小的关系，研究得到掘进过程中开挖面稳定的两个下限解，以及两个稳定系数计算方程。Sloan等[3]在Davis等的前人研究基础上，对开挖面稳定性的上限解进行了改善，由于没有考虑渗透力对掌子面稳定性的影响，所以Sloan所提出的稳定系数计算公式只适用于隧道掌子面无地下水作用的条件下。

2.1.2 极限分析法

Atkinson和Potts[4-5]在满足屈服准则和应力边界的条件下，创建了一个和自然地表相切的圆弧形静力许可应力场，借助应力平衡方程求得隧道支护作用力下限解。根据隧道模型实验得出隧道岩体坍塌形态，创建一个楔形坍落体的速度许可场，最后根据坍落体的内功率与外功率相等，求得隧道支护力上限解。Soubra[6]采用极限分析法，建立掌子面失稳的三维破坏机制，根据掌子面土体破坏模式的不同，分别计算出隧道主动破坏和被动破坏两种方式下的极限支护力。

2.1.3 筒仓理论

本次研究所有统计数据全部采用统计学软件SPSS18.0进行处理，其中计数资料使用χ2进行检验，使用P＜0.05表示具有统计学意义。

Janssen通过观察到筒仓中竖向应力与深度的变化，得出在筒仓中竖向应力与深度变化呈非线性变化的特点，从而建立Janssen方程，Horm基于Janssen筒仓理论，建立由开挖面前方楔形体和开挖面上方棱柱体两部分构成的三维楔形体计算模型如图1所示，在计算时，Horm采用开挖面的面积约等于正方形ABCD的面积，即B=πD/4(其中B为楔形体宽，D为隧道高度)，Atkinson等[7]借助楔形体和上方棱柱体的极限平衡方程，通过水平和竖直方向的平衡方程，最终求出保证隧道开挖面开挖稳定的最小支护作用力。

图1 Horm建立的三维楔形体计算模型

2.2 模型实验

室内实验是分析隧道围岩稳定性的另一类方法，依据相似理论，通过建立一定比例相似材料的隧道模型，研究在开挖过程中隧道围岩的稳定性以及支护结构受力和变形特点，当模型实验满足相似原理的条件下，可以直观的观察隧道围岩变形破坏过程，并且结果可靠，因此国内外研究者通过模型实验对隧道开挖过程中掌子面的破坏形态做了许多研究。

在研究当隧道围岩为软弱松散岩体，开挖面的破坏方式以及破坏形态方面，Chambora和Corte[8]通过模型实验研究隧道围岩为无粘聚力土体，当隧道埋深改变时，通过逐渐减小开挖面的支护力，观察开挖面岩体的破坏形态(图2)。研究结果表明：开挖面前方岩体的破坏形态与楔形体相似，上方岩体则与筒仓状相似；当隧道埋深较浅时，塌陷岩体容易扩展到地表，埋深较大时，开挖面前方岩体的塌陷深度不会到达地表，且当隧道道径固定时，开挖面的临界支护作用力的大小受埋深的影响不大。

图2 掌子面破坏形态[8]

童建军等[9]采用室内实验的方法对砂土隧道开挖面的破坏形态开展了研究，分析结果发现开挖面的破坏位置主要集中在开挖面前方尚未支护段的围岩拱部以及边墙位置，或在开挖面上，开挖面破坏方式有三种分别为：未支护区间破坏方式、开挖面破坏方式以及未支护区间与开挖面一起破坏方式，并且得出隧道岩体的基本力学参数是影响开挖面失稳破坏的重要因素。Mair[10]总结在砂土层和粘土层隧道开挖模型实验结果，认为在砂土层和粘土层隧道开挖过程中，掌子面具有不同的破坏形态(图3)，并且破坏机理也显著不同，在砂性土中，开挖面上方岩体破坏面呈现明显的“烟囱”状；而在粘性土中，由于c值(粘聚力)大于砂性土，掌子面上方岩体破坏形态则呈现为盆状。Korniya[11]则通过模型实验验证了Mair部分结果，他认为在隧道断面为矩形时，在砂性土中隧道掌子面的破坏形态和Mair结果一致，但当隧道断面为圆形时，与Mair的结果则不一致。

图3 黏土和砂土的掌子面破坏机理[10]

国内外研究者通过模型实验对隧道掌子面的破坏形态以及破坏机理进行了大量工作，但主要着重点在砂土以及黏性土中隧道开挖时，掌子面的破坏形态上，并且对隧道埋深、围岩性质、隧道断面类型以及围岩物理力学参数等方面对掌子面破坏的影响也进行了研究。

2.3 数值模拟

数值模拟软件的出现极大的提高了隧道模拟计算分析能力，研究者主要通过数值模拟研究掌子面的破坏形态以及在盾构施工中极限支护力大小。通过数值模拟研究开挖面的稳定性主要集中在盾构隧道开挖面的稳定性。

盾构施工中要保障掌子面的稳定最为关键的因素是确定极限支护力的大小，当支护力大于极限支护力时，在施工过程中才能保障掌子面的稳定，所以极限支护力这个参数极为重要，许多研究者也对盾构施工过程中掌子面推力进行了研究。裴洪军[12]采取数值模拟软件对南京某地铁区段盾构支护力开展了模拟分析，提出了该区段开挖面稳定系数取值的合理范围，他提出盾构区间的深跨比对盾构支护力的大小起决定作用，它是个非常重要的影响因素。黄正荣[13]等采取FLAC3D软件对盾构开挖面的临界支护压力开展了数值分析，并将分析结果和室内试验进行了对比分析。然而在盾构掘进过程中，开挖面直径也对掌子面的稳定性有重要影响，高立群运用数值计算软件，比较分析正常直径和大直径盾构在开挖面受力大小，研究发现开挖直径越大，隧道开挖对地层的影响越大，掌子面前方和侧方岩体的下沉量越大，并且研究得出开挖直径与下沉量的关系。在开挖面破坏形态方面，秦建设[14]釆用FLAC3D软件依次对砂土中和黏土中隧道幵挖面的稳定性开展了分析。得到以下研究结果：砂性土中开挖面前部岩体破裂表现为楔形状，上部则变现为烟囱状，而且伴随隧道深度的增大，其坍塌范围越难以影响到自然地表；黏土中开挖面的破坏方式由两部分组成：开挖面前部滑动及上部岩体变形，导致在地表形成塌陷。

(1)现在的研究主要集中在盾构施工过程中，开挖面的稳定性问题，而实际山岭隧道很少使用盾构机械施工，多采用新奥法施工，盾构施工可以对掌子面施加推力来保障隧道掌子面的稳定而新奥法施工无法给掌子面施加推力，而是对开挖面前方围岩进行超前支护以及采用合理的开挖方法来确保开挖面的稳定。

(2)掌子面稳定性的研究多集中在软岩以及砂质岩隧道中，在实际工程中，也会出现完整性较好的硬岩隧道出现掌子面失稳的情况，例如隧道穿越倾斜岩层，岩体可能沿着岩层层理面进行滑塌，导致开挖面失稳。

3 隧道掌子面失稳特点研究综述

通过总结海内外研究者对开挖面稳定性的研究成果以及结合表一实际工程案例，可以看出开挖面失稳通常发生在开挖面临空围岩或者开挖面前部岩体，不同隧道因其地质环境、地应力、围岩岩性以及隧道埋深的不同，掌子面发生失稳时，其失稳破坏的位置、时间、程度以及影响范围都不相同。为了研究掌子面失稳的特点，本节将从围岩岩性条件、掌子面失稳类型以及掌子面破坏特点等方面进行总结研究。

3.1 掌子面失稳围岩岩性条件

掌子面失稳主要发生在软弱围岩中，软岩是指在极限饱和抗压强度不超过30 MPa的岩石，如泥岩、千枚岩、页岩等在隧道处于偏压、浅埋或者深埋状态，当出现地下水作用时，此类岩体极易出现软化、膨胀、溶蚀等现象，使得岩体的强度下降，从而发生变形破坏导致掌子面失稳，表2总结了容易发生开挖面失稳的围岩性质，从表2可以看出，掌子面容易发生失稳的围岩岩性主要是集中在泥质含量较高或者层理发育的沉积岩中，少量由沉积岩变质而来的变质岩，由于保留了变质前的层理结构，也极容易发生掌子面失稳，岩浆岩由于岩体完整，岩体强度高，很少发生掌子面失稳，但值得注意的是，掌子面失稳不一定只发生在软岩中，整体性较好、岩性强度与刚度较高的地层也有可能发生。

表2 易发生掌子面失稳的围岩岩性

3.2 掌子面失稳类型

围岩岩性和地下水条件的不同会使得掌子面失稳的类型也同，如在软弱围岩中，因为岩体强度较低，再加上有地下水的作用，使得岩体软化，岩体崩落；另外在核心土上部的岩体，因为存在不透水层，从而使上部透水层产生的土压、水压从开挖面涌现，最终导致开挖面岩体塌陷。在砂质岩体中，开挖面失稳主要为两种情况：一种是地下水较为发育的砂质围岩，砂层随着地下水一起涌出掌子面而发生坍塌；另一种是砂质围岩在由于排水和通风的原因而变干燥，围岩强度降低造成坍塌。在岩体节理裂隙发育的地层中，在特殊情形下岩体中会夹杂有强度小厚度薄的千枚岩薄层，岩体在开挖扰动下，会沿其节理面发生错动，甚至崩塌。当隧道越过倾斜岩层时，虽然岩石强度高，但是岩体顺着软弱节理构造面发生剥落而崩塌，导致开挖面失稳。当隧道岩体较为破碎时，因为软弱破碎带的存在，岩体开挖后，围岩应力发生重分布破坏了原有围岩间的接触程度，在地下水发育的破碎带围岩中，掌子面可能产生突水，涌泥的现象，如果在地下水不发育破碎带围岩，隧道开挖后开挖面岩体由于应力重分布而变得松散破碎，进而导致坍塌。

3.3 掌子面变形破坏特点

开挖面发生失稳时，首先破坏的位置主要在开挖截面的拱部以及未支护围岩段边墙或者拱腰位置等。就浅埋隧道而言，隧道开挖面发生失稳时，破坏影响范围将延续至地表，由于在横断面方向上不能形成有效承载拱，所以开挖面前部土体快速下沉，延续至地表形成塌陷坑。当隧道埋深达到一定程度时，此时掌子面破坏对地表几乎没有显著的影响。对于埋深大隧道，隧道开挖后，达到失稳条件的开挖面在拱部由于拱部围岩被挤出，难以形成承载拱结构，在未及时支护区段产生掉块，若进行支护，会出现支护开裂，钢架发生扭曲等现象。开挖面前方围岩发生变形破坏也是开挖面失稳的重要表现，开挖面前方土体由于开挖扰动的影响，导致前部土体围岩道周应力增大使得变形提前释放，开挖面前方土体变形程度取决于围岩强度以及受开挖扰动的强弱，而开挖面前方土体的变形程度又决定围岩是否侵入设计断面内，若开挖面前方土体变形导致围岩侵入隧道净空断面则标志开挖面发生失稳。