隧道掌子面稳定性控制理论研究摘要：随着现代交通的快速发展，地下工程建设项目越来越多，深埋、长大及偏压隧道的需求也日益增大。

隧道在施工过程中频繁地遇到各种复杂的地质情况，而其隧道在穿越各种地层时也将遇到各种地质灾害。

面对这种情况，隧道掌子面稳定性控制的研究显得十分重要。

本文通过查阅国内外学者的研究成果，对掌子面周围土体及围岩、支护技术、信息处理技术和预测检测技术进行粗略地总结，对掌子面稳定性研究现状进行探讨，从中总结出掌子面稳定性研究的进步与不足之处。

关键词：隧道掌子面稳定性支护技术预测与检测信息处理1前言中国是一个多山的国家，其60%的全国面积属于山区和高原地区。

在修建山区铁路时，隧道工程是必不可少的。

随着科技水平的进步，隧道工程的技术水平也跟着提升了。

尤其是在隧道现代化设计理念的提出，以及现代化机械设备和施工新技术的不断创新，实现了隧道工程的跨越式进步，其集中体现在城市地铁、长大深埋隧道、过江过海隧道等各类用途的地下工程及隧道工程。

20世纪将成为人类向地下方向发展的世纪。

而隧道工程的技术也将不断发展创新，同时也面临着各种新技术的挑战。

隧道工程的发展正面临着开挖技术、支护技术和施工组织等方面的技术性问题。

但是隧道工程实际上还是一个地质工程，在隧道的建设过程中，会遇到各种各样的地质环境，同时在施工过程中也就产生了各种地质难题。

比如，隧道在软弱破碎带时，其围岩具有稳定性差、受力复杂等特点，常常会形成软弱围岩大变形等地质灾害。

而且围岩受力普遍复杂，围岩的应力分布及变化情况复杂，在隧道施工中都存在很多困难，常常造成塌方等安全事故。

因此针对隧道施工的特点及地层围岩变形特性可知，隧道开挖面的稳定性是十分重要的。

而一直以来，国内外的隧道工程因为掌子面失稳而发生的事故也屡见不鲜。

国内的如2011年４月２０日，兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道在进行初期支护施工时，发生拱部局部坍塌，掌子面发生坍塌事故，坍塌部位距隧道洞口约３００米，塌陷纵深长约１３米，塌方土石约２００－３００立方米，造成１２名现场作业人员被困;雅泸高速的泥巴山隧道，在隧道施工时，由于地下水的软化和腐蚀使得围岩强度下降且围岩内应力不断加大，致使钢拱架扭曲严重，甚至断裂，最后造成了长达20m的大塌方；国外的如日本惠那山隧道发生掌子面坍塌的事故。

在未来几年里，我国将新开工的铁路、公路隧道工程将越来越多，因此隧道工程将穿越更多的破碎、松散的软弱围岩或土质层。

尤其是对水文地质条件复杂的大断面浅埋软弱围岩隧道，在开挖过程中，掌子面的失稳问题给人们带来了惨痛的教训。

对掌子面稳定性的控制研究越来越迫切。

2掌子面稳定性的国内外研究现状2.1有关隧道掌子面的研究在隧道开挖之后，掌子面的失稳已成为一种严重的地质灾害，对隧道工程的建设具有严重的影响。

对此国内外的学者已做了不少研究，但对隧道掌子面的稳定性研究还不够完善，而且施工现场的地质岩体状况复杂。

目前的研究工作状况如下：李斌等【1】在极限埋深计算时，用摩尔-库伦准则推导出的公式得出计算结果。

再通过影响因素分析和FLAC3D有限元差分软件建立模型，模拟结果从而得到掌子面上的塑性分布情况。

通过以上研究得出了以下结论：掌子面的弹塑性状态可以通过摩尔-库伦准则确定，同时在此基础上可以采用新意法分类；通过内聚力对极限埋深计算的研究，可知围岩的物理力学参数对极限埋深有明显的影响，因此同一级别的围岩之间的极限埋深存在差异；掌子面为弹性区时，新意法分类为A类，处于稳定状态，不需要对其进行超前加固；当埋深大于极限埋深时，掌子面处于塑性区，随着埋深增加而范围加大，需要超前加固措施。

郭桃明等【2】通过使用ADINA8.3进行数值分析，用三维有限元方法建立三维有限元模型，从而得出台阶长度与掌子面纵向位移关系、核心土长度与掌子面纵向位移关系、核心土形状与掌子面纵向位移关系、台阶长度与隧道纵向塑性区关系、台阶长度与隧道横向塑性区关系等的函数图形。

通过各图像之间的比较与分析，他们研究发现台阶长度对软弱围岩隧道掌子面的稳定有重要作用，且在台阶长度取0.618D（D=10.6m）时，掌子面最稳定，而这一点与隧道衬砌要及早封闭相呼应。

其次，核心土越长，宽度越大，那么核心土与掌子面交线处的纵向位移越小，即掌子面越稳定。

他们在研究中发现核心土长度与台阶长度同为0.618D 时，掌子面最稳定。

但是在控制拱顶下沉及拱腰水平收敛方面，台阶长度和核心土的长度、宽度所起的作用不明显。

袁飞等【3】通过建立三维弹塑性非线性方法模拟施工过程来分析偏压黄土连拱隧道施工时左右主洞的掌子面间距的合理数值。

以山西离石连拱隧道为研究对象，运用FLAC3D软件进行数值计算，并对隧道施工过程三维数值模拟。

经过计算结果对比分析，得出掌子面纵向间距对开挖面空间效应、左右洞在施工时的相互影响及中隔墙的变形的影响及关系。

他们研究发现：左洞开挖时开挖面的围岩影响区的范围与右洞开挖对左洞围岩影响区的范围都为开挖面前后前方1D （未开挖）和后方1.5D（已开挖），其中D=10m。

其次，左洞开挖会让中隔墙逆时针向左倾斜，二右洞开挖会纠正倾斜，但仍然会留有向左倾斜。

因此中隔墙的倾斜会随着左右掌子面的间距增大而增大，且3D为开挖面之间的合理间距。

Mair【4】等给出了粘土和砂土隧道工作面破坏机理的概念解释图。

他们得出了以下结论：在粘土中，从隧道仰拱到上部及两侧变得比隧道直径宽；但在砂土中，其扩展基本上是沿着垂直拱部方向从隧道至地表，呈烟囱状。

由上述可知，围岩的各种物理力学性质、掌子面附近的土体状况对掌子面的稳定性有重要的作用。

此外，国内的研究开始通过ADINA8.3及FLAC3D等软件从二维转向三维数值模拟，可以对隧道施工过程进行动态地模拟，并从得出所研究的数值结果分析比较，得出结论。

三维数值模拟将在以后的隧道工程研究上起到重要的作用。

2.2掌子面的支护技术支护技术主要是通过锚杆喷射混凝土及其它辅助支护技术，来提高围岩的强度指标，从而提高围岩本身的自承能力，充分发挥对围岩的加固作用，组成围岩-支护体系。

各国学者也对其进行了各种研究及实验，改进甚至创新了支护技术。

王复明等【5】通过ANSYS三维有限元分析软件，建立了在有无管棚支护下隧道开挖的三维有限元模型。

通过记录管棚对节点位移、掌子面节点应力及掌子面周边节点应变影响的数据，并岁数据进行绘图、对比分析，得出了以下结论：管棚支撑开挖区土体的三维受力状态，同时将应力传递到掌子面支护后部区域和掌子面前方未开挖区域，以此减小了掌子面及其前方区域的应力及应变，从而增强掌子面的稳定性。

张军伟【6】等针对我国城市隧道及客运隧道建设时遇到的坍塌事故频发的现状，对全粘结锚杆对掌子面稳定性的影响进行了研究。

通过对浏阳河隧道工程的现场施工过程的研究，他们对全粘结型玻璃纤维锚杆与带挖核心土体粘聚力C、弹性模量E及内摩擦角φ之间的关系进行计算与分析。

他们发现全粘结型玻璃锚杆加固核心土体后对待挖核心土体粘聚力C、弹性模量E及内摩擦角φ都有不同程度的提高，增强了核心土体的稳定性，从而降低了隧道拱顶的沉降量，减少了对地表上建筑物的影响。

同时，全粘结型玻璃锚杆可以减少掌子面的水平位移、隧道的预收敛变形及收敛变形，从而阻止掌子面的坍塌。

日本的Hirohisa【7】根据玻璃纤维锚杆全断面预加固工法的基本原理，结合离心机试验，得出了不同的待挖核心土的预加固方式对隧道稳定性的影响。

由上述可知，掌子面的支护技术主要是通过各种超前支护对掌子面的位移、所受应力及应变进行控制，从而达到增强掌子面的稳定性的目的。

2.3掌子面信息处理技术随着计算机技术的快速发展，各个领域与计算机技术结合都能开拓出更好的发展前景。

当然，隧道工程同计算机技术相结合，也同样有了更广阔的发展前景。

国内外的学者对隧道工程的信息处理技术展开了研究，对隧道工程的发展起到了重要作用。

王洋等【8】通过三维岩体不接触测量技术，取得一些岩体宏观结构的数字图像和节理几何形态空间分布信息。

在离散元方法的基础上，使用自行开发的GeoSMA-3D系统建模，对掌子面区域节理信息解译并对隧道开挖进行模拟，快速识别关键的块体。

同时研究开挖面施工中岩体的运动形式及垮落形态，记录并分析开挖面施工中岩体的变形全过程。

最后，通过整理分析数值计算结果为岩体破坏提供符合实际的手段。

叶英【9】等通过基于隧道掌子面地质信息数字编录识别技术，，并结合隧道工程的实际情况，研究隧道围岩可视化分析预报技术与岩体结构图像模式识别技术，提供了认识围岩的新环境和手段，同时某些数据也可在日后成为围岩分类的定量指标。

最终，在此研究基础上进一步拓展形成一套自动识别软件，为岩体提供必需的研究资料。

由上述可知，通过研究信息处理技术，并结合现场施工的数据及资料，形成一系列自动识别系统，为以后隧道研究和施工建设提供必要的手段和信息。

2.4掌子面稳定性的预测及检测技术在隧道施工过程中，对开挖面的预测及检测是一项必不可少的工作，但对于如何更好地获得开挖面的一些信息及状况还有待研究。

国内外学者通过现代技术与隧道工程结合，研究了一系列预测及检测的技术。

孙明磊【10】等为了更准确地掌握在施工过程中隧道掌子面前方岩体的挤压变形，通过使用国外T-REX滑动测微计对贵广铁路天平山隧道进行了现场研究验证。

他们通过实验数据与现场围岩的变形情况比较分析，发现T=REX滑动测微计适用于挤压变形明显的软岩大变形区，不适合稳定性好的岩体区，同时该仪器构造简单、安装量测方便、量测数据较精确。

崔芳【11】等针对大华岭隧道工程，在分析探地雷达工作原理及方法的基础上，对完整岩体、破碎岩体、膨胀岩体及富水岩体等典型图像的特征进行机理分析。

由于各类岩体和介质的几何结构差异大，雷达回波对上述地质情况变化较显著，利用雷达的特性对隧道掌子面前方地质超前预报有着重要的作用。

但是由于无损检测的局限，致使雷达图像有多解性，要提高预报的准确性，还需通过别的手段来综合分析。

苏茂鑫【12】等发现可以利用瞬变电磁法对掌子面前方低阻夹层的探测进行研究。

通过建立在全空间理论上的瞬变电磁等效导电平面法，进过遗传算法的计算，同时结合视纵向电导及其微分成像对隧道掌子面前方低阻夹层展开相应的模拟及研究。

研究发现瞬变电磁的电压衰减曲线、视纵向电导曲线、视电阻曲线及视纵向电导微分成像都能很好地反映掌子面前方低阻夹层的情况。

由上述可知，通过一些机械和现代化科技的特性，可以很好地反映掌子面及其前方地质的一些状况及资料，从而避免及预防了隧道施工中的一些突发事故。

3总结本文通过一些国内外学者的研究内容及成果，粗略地讲述了隧道掌子面稳定性的控制研究现状。

首先，可以知道研究发现掌子面附近及前方的土体或岩体、围岩的各种物理力学性质等对掌子面的稳定性都具有不可忽视的影响。