隧道掌子面与不利地质结构最小安全净距分析

郭颖 肖景红 冷先伦 陈健

摘要：

隧道穿越不利地质结构施工时掌子面极易发生坍塌，故通常对其进行注浆加固，这其中如何确定隧道掌子面与不利地质结构最小安全净距是亟需解决的核心问题。首先基于朗肯土压力理论概化出岩板可能存在的模型，进而分析掌子面的应力状态；结合抗拉和抗剪强度理论，推导出掌子面岩板在不同约束模式下的最小安全净距解析解；最后，以天峨县穿越破碎带的岗岭坡隧道为依托，研究了在破碎带不同高度、宽度以及倾角条件下，掌子面距不利地质结构的最小安全净距的变化规律，验证推导的理论解其可靠性和可行性。结果表明：① 最小安全净距随破碎带高度和宽度的增加而增大，随着破碎带倾角的增加而减小；② 台阶法开挖时，最小安全净距随台阶高度增加而增大，减小隧洞直径可以有效减小安全距离。③ 不同方法得到的最小安全岩板净距大小依次为：弹性厚板理论>本文方法（固支）=线性Mohr-Coulomb准则>本文方法（简支）=突变理论。相关研究成果可为隧道穿越破碎带的设计与施工提供理论基础。

关 键 词：

破碎带； 掌子面； 最小岩板厚度； 最小安全净距

中图法分类号： U455.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.026

0 引 言

隧道穿越不利地质结构时将不可避免地遇到破碎带。因此，如何确定隧道掌子面与破碎带的最小安全净距是保障隧道安全施工的关键技术难题。

國内外学者对隧道施工穿越破碎带时掌子面失稳问题开展了大量的研究。围岩变形是穿越破碎带隧道稳定性研究的基础，唐晓杰等［1］、司建强等［2］提出了隧道变形的建议控制值以及变形稳定时间参考值。岩溶隧道掌子面最小安全净距是隧道围岩稳定性的关键，李术才等［3］通过岩板受力的平衡条件推导出充填型岩溶突水突泥的最小厚度解析公式。破碎区域稳定性对保障隧道施工安全具有重要意义，Jancsecz等［4］、An等［5］基于支护结构的极限状态，设计确定了隧道支撑工作面最小安全支护力，并分析了隧道前方围岩的稳定性。杨子汉等［6］、朱合华等［7］、戴国亮等［8］基于上限分析原理提出了两种计算岩体厚度的新思路，即线性Mohr-Coulomb准则与非线性Hoek-Brown准则。徐钟等［9］以Mohr-Coulomb准则为依据，结合断裂力学理论提出岩板保持最小安全厚度的理论模型。以上学者为岩板厚度的确定提供了更加确切的依据。岩石力学参数对地下洞室的敏感性是隧道建设的重要指标。郭佳奇等［10］、刘钦等［11］、刘超群等［12］依托隧道穿越断层破碎带的工程实例，分析了断层破碎带高度、宽度和倾角及走向对隧道掌子面最小安全净距的影响。此外，张军伟等［13］、臧守杰［14］、郭佳奇等［15］针对隧道-岩溶系统建立弹性梁板模型等典型力学模型，通过简化隧道掌子面受力情况推导了隧道底板岩层的最小安全净距的理论公式。

上述研究成果为隧道穿越不利地质结构时掌子面及围岩稳定性控制提供了理论依据和技术支持。然而，隧道穿越断层破碎带等不利地质结构时，掌子面与破碎地质带的安全净距，破碎带的分布及几何特征对隧道稳定性影响规律的相关研究仍然较为缺乏。

基于此，本文首先通过建立不同地质条件下的隧道掌子面力学模型，把掌子面岩层划分为“完整岩层”和“不完整岩层”，根据岩体的破碎情况和节理裂隙的分布情况，进一步将隧道掌子面岩层简化成固支、简支-固支和简支3种力学模型。采用破碎岩土体荷载传递线交汇法将开挖面的岩层简化为弹性岩板，并进一步推导了岩板竖向弯矩、剪力沿开挖面的分布解析式。最后，以广西壮族自治区天峨县穿越破碎带的岗岭坡隧道为依托，采用解析公式分析了隧道掌子面岩板与破碎带的最小安全净距及破碎带的分布和几何特征对隧道稳定性的影响规律。

1 破碎带与掌子面岩板相互作用概化模型

1.1 隧道与岩层概化模型

隧道施工过程中不利地质构造破坏涉及的因素较多，为了便于分析掌子面岩板与破碎带的相互作用，对隧道掌子面岩板进行力学模型的概化（见图1）。根据岩板的完整性，将隧道穿越的岩层分为：“完整岩板”“不完整岩板”两种。其中“完整岩板”是指隧道穿越的岩层未被节理裂隙切割或切断，或存在裂隙但胶结状况良好岩层，反之称为“不完整岩板”［16］。对隧道施工时穿越破碎带进行地质模型概化，作如下假设：

（1） 隧道周围岩体与破碎带是均质、连续、各向同性且满足小变形的弹性体；

（2） 隧道开挖时围岩处于平衡状态，故忽略岩板的自重，将岩板分为“完整岩板”“不完整岩板”，仅考虑岩板前方破碎带的影响；

（3） 将破碎带区域土压力作用在隧道工程的不同部位概化为沿岩板分布的非均布线性荷载；

（4） 当破碎带区域和掌子面岩板与周围岩体接触良好无明显或较大的裂缝，岩板简化为固支梁，如图1（b）所示；

（5） 当破碎带区域和掌子面岩板上侧与周围岩体接触有明显的裂缝，岩板简化为简支-固支梁，如图1（c）所示；

（6） 当破碎带区域和掌子面岩板与周围岩体接触有明显的裂缝，岩板简化为简支梁，如图1（d）所示。

1.2 破碎带受力概化模型

为了构建破碎带受力分析模型，对破碎带与隧道前方岩板相互作用区域进行概化，将破碎带视为无黏性的有限土体。张骞等［17］及孟凡树等［18］均采用类似假设，以经典朗肯土压力理论开展了破碎带受力分析，证明了这一假设的合理性。由于破碎带内部岩体松散，裂隙发育，将破碎区域对岩板的作用力视为主动土压力，进而求解破碎带附近隧道区域的地应力（见图2）。

破碎带是具有一定长度、宽度、高度以及倾角的地质体，其几何尺寸及受力情况如图3所示。其中，a为破碎带土体底部左右宽度；b为破碎带土体底部前后宽度；H为破碎带有效深度；γ为破碎带岩土体的重度；W为隧道前方工作面岩板自重；R为围岩对破碎松散岩土体的反作用力；E为隧道掌子面岩板的反力；β为围岩对破碎松散岩土体的作用力与水平方向夹角；φ1为破碎岩土体法向与隧道工作面岩板的支护反力E的夹角；θ为破碎松散岩土体与水平方向的夹角。

2 工程案例分析

针对天峨至北海公路（天峨经凤山至巴马段）岗岭坡隧道，选取桩号ZK019+920～ZK020+080段进行验证。地质破碎变化导致前述3种工况均有发生，在不同断面均会诱发掌子面坍塌与围岩失稳（见图7）。其中隧道工作区主要属于剥蚀低山地貌，隧道围岩主要为中风化粉砂岩，隧道施工过程局部区域存在裂隙发育的破碎区域，导致影响区域岩体力学参数较低。本文根据上述理论计算了破碎岩土体高度、宽度和倾角对隧洞开挖前方工作面岩板最小安全厚度的影響，忽略隧道前方工作面岩板与破碎岩土体间的摩擦，即δ＝0。针对上述情况分析固支、简支-固支和简支3种力学模型中掌子面岩板最小安全厚度，其中岩体力学参数分别为：粉砂岩岩土体密度γs为26.5 g/cm3，破碎岩土体重度γ为24.5 g/cm3，破碎岩土体摩擦角φ1为25°，隧道掌子面岩板宽度n为12 m，隧道掌子面岩板高度h为10.7 m，掌子面岩板抗拉强度σt为3.5 MPa，掌子面岩板黏聚力c为3.3 MPa，掌子面岩板摩擦角φ为43.83°，岩体的弹性模量E为25 GPa［19］。

本文为了对比验证掌子面前方最小安全厚度的控制参数，以期对施工前方的岩板有进一步的认识，引用弹性厚板理论［6］、线性Mohr-Coulomb准则方法［10］、突变理论［20］等力学模型来验证受拉、受剪破坏结果的可靠性（见表1）。

2.1 破碎带高度、宽度对最小安全岩板净距的影响

图8、图9为不同理论模型下掌子面最小安全岩板厚度与破碎带高度H、宽度a的关系。

当隧道前方破碎带左右宽度a为1 m，破碎带前后宽度b为10 m，破碎岩土体的倾角θ为45° 时，同时破碎带高度H在30～100 m之间变化，其施加在掌子面上侧荷载随着破碎带高度的增长而变大（从3.453 MPa增大到11.511 MPa），掌子面下侧荷载也从4.685 MPa增大到12.742 MPa。同理，当破碎带高度H为100 m时，破碎带宽度a在3～9 m范围内增长，掌子面下方荷载在3.822～11.468 MPa范围内增大。

由图8、图9可知：破碎带高度、宽度对工作面最小安全岩板净距影响十分显著，随着破碎带高度及宽度的增大，最小安全岩板净距也随之增大，不同力学模型下掌子面最小安全净距厚度与破碎带几何特征均呈正比例关系，且随着破碎带高度及宽度的增大，不同力学模型增幅有明显区别。

当破碎带高度在30～100 m范围内增长或宽度在3～9 m范围内增长时，掌子面前方的岩板不论为固支或简支的约束模式，采用弹性厚板理论分析时破碎带高度及宽度影响均较大，而最小安全厚度之差却与破碎带高度、宽度成负相关，此与实际情况有所差异。

当采用固支及固支-简支力学模型时，此时破碎带高度在30～100 m范围内变化，固支模式受弯拉情况最小安全岩板净距在2.39～4.08 m范围内变化，固支-简支模式受弯拉情况最小安全岩板净距在2.13～3.17 m范围内变化，线性Mohr-Coulomb准则受弯拉情况岩板厚度在1.63～2.90 m范围变化，可看出拉弯破环情况趋势一致。

固支模式剪切情况时，最小安全岩板净距在0.43～1.24 m范围内变化，固支-简支模式剪切破坏最小安全岩板净距在0.53～1.54 m范围内变化，突变理论剪切破坏岩板厚度在0.77～1.15 m范围内变化，此与剪切破环情况相符。

2.2 破碎带倾角对最小安全岩板净距的影响

图10给出了隧道开挖工作面的最小岩板厚度与破碎岩土体倾角的关系曲线。隧道前方破碎带左右宽度a为1 m，破碎带前后宽度b为20 m，破碎带高度H为50 m，破碎岩土体的倾角θ在30°～80°变化时，其施加在掌子面上侧的荷载从12.203 MPa降低到7.026 MPa，掌子面下侧的荷载从14.814 MPa降低到8.529 MPa。

可以看出隧道开挖工作面的最小安全岩板厚度与破碎岩土体倾角成负相关，并且随着破碎岩土体倾角的增大，隧道开挖工作面的最小安全岩板厚度不断降低。

杨志刚等［21］针对隧道穿越大倾角断层破碎带段隧道施工时，如何防止局部变形过大而导致初期支护变形、围岩失稳等问题进行了研究。当破碎带倾角从30°～80°变化时，隧道掌子面的最小安全岩板厚度从1.40 m减小到0.81 m（固支模式），且岩板厚度减小幅度越来越小，表明破碎带为大倾角时，断层破碎岩土体前方掌子面所需岩板厚度最小，掌子面岩板最危险。从最小安全岩板厚度之差与破碎带倾角θ的对比图可看出，破碎带倾角θ的变化对最小安全岩板厚度之差有一定的影响。

2.3 台阶法对最小岩板厚度的影响

图11给出了不同理论模型下掌子面的最小安全岩板厚度m与台阶高度h的关系曲线。图中掌子面前方破碎带宽度a及前后宽度b分别为1 m及20 m，高度H为100 m且破碎岩土体的倾角θ为45°。

图11中，在固支模式下全断面开挖高度为10.7 m，台阶法施工高度为3.5 m，弯曲破坏时掌子面安全厚度由5.87 m减小到1.85 m，减小量达68%，剪切破坏时掌子面安全厚度由2.41 m减小到0.77 m。在简支模式下全断面开挖高度为10.7 m，台阶法施工时高度为7 m，弯曲破坏时的掌子面安全厚度由6.78 m减小到2.26 m，减小量达66%，表明采用合理的台阶高度施工，变形可以更好地得到控制。固支-简支模型在不同的台阶高度下，其安全厚度有所区别。

针对掌子面岩板需要采取合理的开挖方案和完善的监测技术。目前，台阶法施工在隧道工程中得到了大量应用，在设计时要综合考虑选取力学模型，选用合理台阶高度，同时，在施工中对掌子面进行注浆具有重要意义。

3 结 论

本文针对破碎带与隧道掌子面岩体的稳定性问题，针对完整、裂隙围岩分别建立3种不同掌子面板岩约束模型，并以岗岭坡隧道为依托，分析破碎带参数对掌子面最小安全岩板厚度的影响。主要研究结论如下：

（1） 本文针对工程实例运用不同模型开展了对比分析。综合考虑了破碎带高度、宽度、倾角及走向的影响；基于结构力学法的抗拉、抗剪强度理论有效确定掌子面的最小安全净距，建议了穿越破碎带时施工的最小安全岩板厚度；在接近安全距离前实施必要的预支护措施，可提高掌子面的安全性。

（2） 在相同参数影响下，不同理论力学模型结果变化趋势大致相同，固支、固支-简支模式与线性Mohr-Coulomb准则受拉弯破环情况趋势一致，固支-简支、简支模式剪切破坏与突变理论岩板厚度剪切破坏情况相符。不同方法所得到的最小安全巖板净距大小依次为弹性厚板理论>本文方法（固支）=线性Mohr-Coulomb准则>本文方法（简支）=突变理论。

（3） 台阶法施工由于开挖时采用分级开挖，可以有效降低围岩变形，保证其稳定性，其中固支模式掌子面安全厚度减小量达68%，简支模式掌子面安全厚度减小量达66%，从而使得安全距离比全断面施工的安全距离更优，未来可以进一步研究该施工法对掌子面最小安全距离的影响。

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（编辑：郑 毅）

Analysis on minimum safe net distance between tunnel face and unfavorable geological mass

GUO Ying1，XIAO Jinghong2，LENG Xianlun3，4，CHEN Jian3，4

（1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China； 2.CCCCSHEC Fourth Engineering Co.，Ltd.，Wuhu 241000，China； 3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Science，Wuhan 430071，China； 4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：

When a tunnel crosses the unfavorable geological mass，the tunnel face is prone to collapse，which is usually reinforced by grouting.How to determine the minimum safety net distance between tunnel face and the unfavorable geological mass is the core problem that needs to be solved urgently.In this paper，the possible model of rock plate is generalized based on Rankine Earth Pressure theory，and then the stress state of the face is analyzed.Secondly，combined with the tensile and shear strength theory，the analytical solution of the minimum safe net distance of the face rock plate under different constraint modes is derived.Finally，based on the Ganglingpo tunnel crossing the fracture zone in Tian′e County，the variation law of the minimum safe distance between the tunnel face and the unfavorable geological structure is studied under different heights，widths and inclination angles of the fracture zone，and the reliability and feasibility of the theoretical solution are verified.The results show that ：① The minimum safe net distance increases with the increase of the height and width of the crushing zone，and decreases with the increase of fracture zone inclination；② When the bench excavation method is used，the minimum safety net distance increases with the increase of bench height，and reducing the tunnel diameter can effectively reduce the safety distance；③ The net distance of the minimum safety rock plate is in an order of elastic thick plate theory > the proposed method in this paper（fixed support） = linear Mohr-Coulomb criterion > the proposed method in this paper（simple support） = catastrophe theory.The relevant research results can provide a theoretical basis for the design and construction of tunnels crossing fracture zone.

Key words：

fracture zone；tunnel face；minimum rock plate thickness；minimum safe net distance