上軟下硬地層隧道掌子面穩(wěn)定性及塌方形態(tài)

安永林，李佳豪，曹 前，岳 健，歐陽(yáng)鵬博

(1.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201;3.長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

在地層應(yīng)力作用下，地層往往呈現(xiàn)不同程度的風(fēng)化，通常上部為全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化，下部為弱風(fēng)化。若隧道通過(guò)此復(fù)合地層，則掌子面會(huì)遇到上軟下硬的情況，隧道開挖會(huì)造成圍巖變形受力不均勻，施工不慎或支護(hù)不當(dāng)會(huì)引起塌方，如土家灣隧道[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合地層以及盾構(gòu)開挖面支護(hù)力做了相關(guān)研究：Rui Carrilho Gomes[2]利用數(shù)值軟件模擬分析了2種地層條件下隧道地震響應(yīng)；Salvador Senent[3]基于極限分析法討論了層狀地層中隧道局部塌方可能性；kos Tóth[4]統(tǒng)計(jì)分析了隧道掘進(jìn)機(jī)TBM掘進(jìn)速率與復(fù)合地層的關(guān)系； K.M. Neaupane[5]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)了復(fù)合地層變形。Wenkai Feng[6]基于FLAC3D建模研究了軟硬地層圍巖的變形規(guī)律。Broms[7]總結(jié)了開挖面坍塌破壞和鼓出破壞與地表超載以及地層強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，并提出了隧道穩(wěn)定系數(shù)的概念，Davis[8]進(jìn)一步應(yīng)用極限分析法分析了4種破壞模式下的隧道穩(wěn)定系數(shù)的上、下限解；Anagnostou G[9]構(gòu)建了開挖面?zhèn)}筒破壞模式，并基于極限平衡法推導(dǎo)了開挖面支護(hù)力公式；劉招偉[10]討論了穿越長(zhǎng)江水下軟硬不均地層隧道修建技術(shù)；熊良宵[11]基于數(shù)值仿真分析了隧道開挖面接近地質(zhì)界面時(shí)圍巖位移特征及其影響因素；王國(guó)富[12]研究了突變地質(zhì)界面盾構(gòu)隧道開挖面極限支護(hù)壓力；邱龑[13]分析了富水砂層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性及其失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。上述文獻(xiàn)從不同層面對(duì)復(fù)合地層隧道以及盾構(gòu)隧道做了分析，但是很少對(duì)復(fù)合地層礦山法隧道掌子面的穩(wěn)定進(jìn)行研究。

本文主要對(duì)上軟下硬地層隧道掌子面的穩(wěn)定性及塌方形態(tài)進(jìn)行研究，首先定義掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)a無(wú)量綱參數(shù)；然后應(yīng)用強(qiáng)度折減有限元法，研究不同a下掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)及其塌方形態(tài)，分析掌子面的變形和地表沉降槽形狀，討論掌子面應(yīng)力拱效應(yīng)與傳遞路徑；提出結(jié)合強(qiáng)度折減有限元法，用虛擬支護(hù)力研究新奧法隧道掌子面的穩(wěn)定，并同有限元模擬結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比分析；最后對(duì)影響掌子面穩(wěn)定的因素做參數(shù)分析。

1 數(shù)值模型及掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)

1.1 數(shù)值模型

武廣客運(yùn)專線瀏陽(yáng)河隧道DIIK1562+793—DIIK1562+960里程段，開挖方法是三臺(tái)階法，在上臺(tái)階掌子面存在上軟下硬地層情況，上部為填土層，下部為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。三維有限元模型的長(zhǎng)×寬×高為50 m×70 m×50 m，取掌子面位于掘進(jìn)10 m處。圍巖采用實(shí)體單元模擬，因?yàn)橹攸c(diǎn)是分析掌子面的穩(wěn)定性，特別是掌子面塌方的情況，所以認(rèn)為支護(hù)段為同步支護(hù)且是剛性的[11]。模型采用的邊界條件：模型四周及底面采用法向約束，模型頂面為自由面。建立的數(shù)值模型如圖1所示。力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)值模型(單位:m)

表1 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

1.2 掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)

軟硬地層分界以及隧道位置如圖2所示。圖中：H軟為軟弱地層厚度；H為掌子面開挖高度；δ為拱頂覆土厚度。為了分析不同軟弱地層厚度(即軟硬地層分界位置不同)對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響，定義掌子面軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)a無(wú)量綱參數(shù)，其計(jì)算公式為

(1)

圖2 地層軟硬分界

由式(1)可知：a≤0，表示掌子面處于硬的地層中，未涉及軟弱地層；0

為了更好地分析掌子面存在軟弱地層情況，將掌子面全是硬地層以及全是軟地層也進(jìn)行建模，并做對(duì)比，為此，取a=-1.00，0，0.33，0.50，0.67，1.00，2.00進(jìn)行有限元模擬分析。

2 掌子面穩(wěn)定性分析方法

為了獲得掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)和臨界失穩(wěn)塌方形態(tài)，首先進(jìn)行有限元模擬，然后采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析。強(qiáng)度折減法原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]，即根據(jù)式(2)不斷折減抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ，使其達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)的折減系數(shù)K即為掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)。同時(shí)，為了對(duì)比有限元模擬結(jié)果，采用極限分析法研究掌子面全部處于軟弱地層中的穩(wěn)定情況。

(2)

式中：c′為按K值折減后的黏聚力；c為圍巖黏聚力；φ′為按K值折減后的內(nèi)摩擦角；φ為圍巖內(nèi)摩擦角。

3 有限元模擬結(jié)果分析

3.1 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3給出了不同a下的K，從圖中可以看出，整體上曲線分為以下3段。

第①段，a≤0，此段K基本沒(méi)有變化，此時(shí)掌子面不存在軟弱地層，隧道施工很安全。

第②段，0

第③段，a≥1，掌子面全部處于軟弱地層中，且軟弱地層已達(dá)到中臺(tái)階，軟弱地層的相對(duì)厚度對(duì)掌子面的穩(wěn)定性影響較小。

圖3 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2 掌子面破壞形態(tài)

由上述分析可知，只有在掌子面范圍內(nèi)存在上軟下硬地層時(shí)，上部軟弱地層才對(duì)掌子面穩(wěn)定性有影響。因此下面分析掌子面范圍內(nèi)存在上軟下硬地層，即a=0.33，0.50，0.67時(shí)掌子面的破壞形態(tài)。

不同a下掌子面失穩(wěn)時(shí)的位移如圖4所示。由圖可知：隨著a的增加，掌子面前方圍巖發(fā)生位移的范圍增大；當(dāng)a較小時(shí)，位移只發(fā)生在上軟層的局部，而下硬層的位移較小。

圖4 不同a時(shí)掌子面失穩(wěn)時(shí)的位移

不同a時(shí)掌子面前方塌方體形態(tài)如圖5所示。由圖可知：隨著a的增加，掌子面前方塌方體的體積增大，塌方范圍擴(kuò)大，包括塌方體的高度和深度都在增加；塌方體上部形狀類似于一個(gè)帽子(中間面形狀類似拋物線)，下部邊界類似于對(duì)數(shù)螺旋線。

圖5 不同a時(shí)掌子面前方塌方體形態(tài)

不同a時(shí)掌子面變形形態(tài)如圖6所示。由圖可知：掌子面上軟層的位移要較下硬層的位移大很多，這主要是因?yàn)橄掠矊拥淖冃文Ａ勘壬宪泴拥淖冃文Ａ看?，在同樣荷載作用下，變形模量小的位移要大；另外由于掌子面四周圍巖的約束作用，導(dǎo)致掌子面軟弱地層中心的位移要較四周的大，呈現(xiàn)一個(gè)鼓出的狀態(tài)，且最大位移發(fā)生在掌子面軟弱地層厚度的中心偏下位置，如當(dāng)掌子面全部處于軟弱地層中時(shí)，最大位移在掌子面中心偏下位置。因此，掌子面中心偏下位置是掌子面位移控制的關(guān)鍵，在施作掌子面正面支護(hù)時(shí)(如掌子面錨桿)，這個(gè)部位應(yīng)加密加強(qiáng)。

圖6 不同a時(shí)掌子面變形形態(tài)

3.3 地表沉降槽形狀

a=0.50時(shí)地表沉降云圖和沉降槽形狀如圖7所示，可見(jiàn)，隧道中心對(duì)應(yīng)的地表沉降最大，向四周逐漸減小，形成1個(gè)凹坑；a取其他值時(shí)情況與此類似。

圖7 地表沉降變形云圖與沉降槽形狀

軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)與掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)、地表最大沉降之間的關(guān)系見(jiàn)表2。由表2可知：臨界塌方時(shí)，地表沉降槽的最大沉降和掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)均隨著a的增大而減小。這是由于對(duì)于同樣的圍巖，a增大，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低，即圍巖折減得少，發(fā)生掌子面塌方時(shí)，所以變形才減小。

表2 軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)與掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)、地表最大沉降之間的關(guān)系

3.4 掌子面臨界失穩(wěn)時(shí)應(yīng)力傳遞路徑

不同a時(shí)應(yīng)力傳遞路徑如圖8所示，由圖8可得如下結(jié)論。

(1)隨著a的增加，掌子面前方的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，最大主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且發(fā)生應(yīng)力偏轉(zhuǎn)的范圍擴(kuò)大，也即開挖的影響范圍在擴(kuò)大。

(2)掌子面上軟地層的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)影響范圍較下硬地層的更大，表明開挖對(duì)上軟地層的影響較下硬地層影響大，更易導(dǎo)致上軟地層的局部失穩(wěn)。

(3)當(dāng)應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成拱形，即存在拱效應(yīng)，上部荷載通過(guò)應(yīng)力拱進(jìn)行傳遞，此處是掌子面縱向拱效應(yīng)。隨著掌子面軟弱地層厚度的增加，應(yīng)力拱的范圍在擴(kuò)大，且傳遞到掌子面下部的力更大，因此更應(yīng)注重掌子面下部的加固，這個(gè)也印證了3.2小節(jié)中結(jié)論，掌子面中心偏下是位移控制的關(guān)鍵。

圖8 不同a時(shí)應(yīng)力傳遞路徑

4 掌子面穩(wěn)定的極限分析

4.1 極限分析掌子面穩(wěn)定的原理

利用文獻(xiàn)[16]求解支護(hù)力的公式并結(jié)合強(qiáng)度折減法分析上軟下硬地層掌子面的穩(wěn)定性。為了將極限分析的結(jié)果應(yīng)用于礦山法，此處將支護(hù)力稱為虛擬支護(hù)力，對(duì)圍巖的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，應(yīng)用折減后的參數(shù)求解掌子面虛擬支護(hù)力，當(dāng)虛擬支護(hù)力為0時(shí)的折減系數(shù)，即為掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)。

4.2 虛擬支護(hù)力計(jì)算公式

掌子面極限分析受力原理如圖9所示。圖中：掌子面的破壞模式由2個(gè)剛性塊體 ①及③和1個(gè)剪切區(qū) ②構(gòu)成，塊體①是1個(gè)頂角為2φ的三角形OO′B；塊體③是1個(gè)等腰三角形OAE，AE線與水平方向的夾角為β=π/4+φ/2；剪切區(qū)②是1個(gè)以對(duì)數(shù)螺旋線BE圍成的剪切區(qū)OBE，點(diǎn)O為對(duì)數(shù)螺線中心點(diǎn)，點(diǎn)B和點(diǎn)E分別為對(duì)數(shù)螺線的起點(diǎn)和終點(diǎn)；σs為地表超載；σt為掌子面虛擬支護(hù)力；C為隧道覆土厚度；D為隧道開挖高度；h為O′到工地的距離；la為地表塌陷寬度；va為塊體①的速度；vOE為剪切區(qū)②在E點(diǎn)的速度；vOB為剪切區(qū)②在B點(diǎn)的速度；vC為塊體③的速度。

圖9 掌子面極限分析受力原理

根據(jù)極限分析原理[15]，掌子面虛擬支護(hù)力計(jì)算公式為

σt=γDNγ+σsNs-cNc

(3)

式中：γ為圍巖重度；Nγ，Ns，Nc分別為重度、超載和黏聚力的承載系數(shù)， 具體含義參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

4.3 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)

不同折減系數(shù)下的掌子面虛擬支護(hù)力如圖10所示，從圖可得如下結(jié)論。

(1)當(dāng)折減系數(shù)為2.40時(shí)，虛擬支護(hù)力為0，也即掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)為2.40。

(2)隨著折減系數(shù)的增大(即圍巖性質(zhì)變差)，掌子面所需要的虛擬支護(hù)力呈現(xiàn)非線性增大，且在折減系數(shù)小于2.40時(shí)，增加的梯度較大，然后增加的梯度較小。

(3)如果曲線從右向左看，隨著折減系數(shù)的降低(即圍巖性質(zhì)得到改善)，掌子面所需要的虛擬支護(hù)力降低，且降低幅度越來(lái)越大，表明通過(guò)改善圍巖性質(zhì)，如注漿等，可以有效降低掌子面虛擬支護(hù)力，提高掌子面的穩(wěn)定性。

圖10 不同折減系數(shù)下掌子面虛擬支護(hù)力

5 結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

5.1 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比

當(dāng)a=0.67時(shí)，采用本文的有限元強(qiáng)度折減法得到的掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)是2.90，而采用極限分析法所得掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)為3.42，比有限元強(qiáng)度折減法要大。分析其原因主要有以下兩方面。

(1)斷面形式的不同，文獻(xiàn)[16]應(yīng)用于盾構(gòu)隧道圓形開挖面的支護(hù)力研究，本文隧道開挖是新奧法施工馬蹄形隧道。

(2)極限分析的破壞模式頂部為圓錐形，而有限元模擬的塌方頂部類似于拋物線，兩者形狀不太一致，破壞模式的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有所差異。

5.2 掌子面破壞形態(tài)對(duì)比

圖11給出了文獻(xiàn)[17—19]中掌子面的塌方情況，對(duì)比圖5與圖11可以得出如下結(jié)論。

圖11 掌子面試驗(yàn)塌方形態(tài)

(1)3個(gè)文獻(xiàn)在上部的破壞模式有些差異。其中，文獻(xiàn)[17]的上部類似錐體，且為局部塌方破壞，這與極限分析的結(jié)果類似。文獻(xiàn)[18]的上部是1個(gè)斜向上的圓錐體，也為局部破壞。文獻(xiàn)[19]隨著覆跨比C/D的不同呈現(xiàn)不同的破壞模式，覆跨比小時(shí)為冒頂塌方，覆跨比大時(shí)為局部破壞；塌方體頂部像拋物線狀，中間部分類似筒狀，下部為對(duì)數(shù)螺旋體。

(2)3個(gè)文獻(xiàn)掌子面塌方體下部曲線均類似于對(duì)數(shù)螺旋線，這與本文有限元模擬結(jié)果及極限分析結(jié)果均一致。

6 參數(shù)影響規(guī)律

由公式(2)和公式(3)可知，影響掌子面穩(wěn)定系數(shù)的參數(shù)主要有圍巖的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、重度γ、開挖高度D、地表超載σs和覆跨比C/D等，下面分析各參數(shù)對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

6.1 圍巖黏聚力對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

黏聚力對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖12所示，可見(jiàn)隨著黏聚力的增大，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)提高，當(dāng)c<10 kPa時(shí)，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)小于1。可以認(rèn)為，圍巖性質(zhì)差或黏聚力小，會(huì)使得掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低，且降低幅度很大。這也是在松散圍巖地段易發(fā)生塌方的原因(松散圍巖的黏聚力很小，無(wú)自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時(shí)間很短)。

圖12 黏聚力對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

6.2 圍巖內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖13所示，可見(jiàn)隨著內(nèi)摩擦角的增大，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)得到提高，但是提高的幅度不一樣。

圖13 內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

對(duì)比圖12和圖13可知，提高圍巖黏聚力比提高圍巖內(nèi)摩擦角更能改善掌子面穩(wěn)定性，也即掌子面穩(wěn)定性對(duì)黏聚力更加敏感。

6.3 黏聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的共同影響

掌子面失穩(wěn)時(shí)，圍巖弱化表現(xiàn)出黏聚力和內(nèi)摩擦角均降低，因此很有必要研究黏聚力和內(nèi)摩擦角共同對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響。

黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖14所示，由圖可得如下結(jié)論。

圖14 黏聚力、內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定性的共同影響

(1)黏聚力和內(nèi)摩擦角共同對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，并不是1個(gè)平面，而是1個(gè)曲面，表明黏聚力和內(nèi)摩擦角共同對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響也表現(xiàn)出非線性特性。

(2)圖14(a)中，把等值線的拐點(diǎn)用虛線連接起來(lái)(圖中的虛線)，則其類似于地形圖中的山脊線，即此虛線上掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)最高，兩側(cè)最低，故稱此虛線為最優(yōu)路徑。

(3)當(dāng)黏聚力低于5 kPa時(shí)，不論內(nèi)摩擦角如何大，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)始終小于1，表明弱膠結(jié)松散圍巖地段更易發(fā)生塌方，不能自穩(wěn)，必須采取加固措施，這個(gè)與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于圍巖自穩(wěn)能力的判斷相吻合。

6.4 圍巖重度對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

圍巖重度對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖15所示，可見(jiàn)隨著圍巖重度的增加，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低。

圖15 重度對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

6.5 隧道開挖高度D對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

開挖高度對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖16所示，可見(jiàn)隨著開挖高度的增加，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低，但是降低的幅度不一樣。因此，對(duì)于軟弱圍巖，應(yīng)采取分部開挖，降低一次開挖的高度。

圖16 開挖高度對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

6.6 覆跨比C/D對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

覆跨比對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖17所示，由圖可得如下結(jié)論。

(1)當(dāng)C/D≤0.75時(shí)(即覆土厚度C≤3.42 m)，隨著C/D的增加，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低。

(2)當(dāng)0.753.42 m)，隨著C/D的增加，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)得到提高。

所以，對(duì)于超淺埋段，掌子面的穩(wěn)定性隨著覆土厚度的增加而降低。此段最好采用明挖法施工，無(wú)條件采用明挖的，宜采用淺埋暗挖法施工，切實(shí)做好掌子面的超前支護(hù)與加固。

(3)當(dāng)C/D≥3.00時(shí)，掌子面穩(wěn)定性系數(shù)不變。當(dāng)C/D≥3.00時(shí)可以認(rèn)為隧道是深埋的，此時(shí)深埋對(duì)掌子面的穩(wěn)定性不影響，這與圖11(c)中深埋的情況類似。

(4)該曲線存在極值，這可以將其作為確定隧道合理埋深的參考條件之一。

圖17 C/D對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

6.7 軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)a對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖18所示，由圖可得如下結(jié)論。

(1)隨著a的增加，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低；

(2)從曲線的斜率來(lái)看，當(dāng)a≤0.3時(shí)，降低最快；其次是0.3

圖18 軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

6.8 地表超載對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

2種不同覆跨比時(shí)地表超載對(duì)掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)的影響曲線如圖19所示，由圖可得如下結(jié)論。

(1)當(dāng)C/D=2.26時(shí)，隨著地表超載的增大，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)呈線性降低。因此，在掌子面穩(wěn)定性差且淺埋地段，對(duì)地表超載要進(jìn)行控制，如限速、禁止堆載等。

(2)當(dāng)C/D=3.00時(shí)，隨著地表超載的增大，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)不變。這是由于隧道埋深較深，地表超載通過(guò)拱效應(yīng)向兩側(cè)傳遞擴(kuò)散，不會(huì)傳遞到掌子面。另外，根據(jù)Boussinesq公式或Saint.Venant原理，也可知地表超載隨著隧道埋深的增加，其影響的程度逐漸降低。

圖19 地表超載對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響

7 結(jié) 論

(1)軟硬地層分界線在拱頂及以上位置，上部軟弱地層的厚度不影響掌子面的穩(wěn)定；此時(shí)應(yīng)關(guān)注已支護(hù)段安全。軟硬地層分界線在掌子面，軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)越大，穩(wěn)定性越??；掌子面中心上部的軟弱地層對(duì)穩(wěn)定性的影響更大。軟硬地層分界線在掌子面以下，軟弱地層的厚度對(duì)掌子面的穩(wěn)定性影響較小。

(2)隨著軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)的增加，掌子面前方塌方體的體積增大，塌方范圍擴(kuò)大，包括塌方體的高度和深度都在增加；塌方體上部形狀類似于一個(gè)帽子，下部邊界類似于對(duì)數(shù)螺旋線。最大位移值在掌子面軟弱地層中心偏下位置，此處是掌子面位移控制的關(guān)鍵。

(3)掌子面應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成拱形，存在縱向拱效應(yīng)，上部荷載通過(guò)應(yīng)力拱進(jìn)行傳遞；隨著軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)的增加，應(yīng)力拱的范圍在擴(kuò)大，且傳遞到掌子面下部的力更大，因此更應(yīng)注重掌子面中心偏下部的加固。

(4)黏聚力較內(nèi)摩擦角更能影響掌子面穩(wěn)定性，低黏聚力圍巖更易發(fā)生塌方；黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)掌子面穩(wěn)定性的共同影響存在最優(yōu)路徑。

(5)掌子面穩(wěn)定性隨著重度、開挖高度的增大而增大，隨著軟弱地層相對(duì)厚度系數(shù)的增大而減小，曲線梯度均呈現(xiàn)前陡后緩，因此應(yīng)從降低圍巖含水量、減小開挖高度等方面改善掌子面穩(wěn)定性。覆跨比C/D對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響存在極值，此可作為確定隧道合理埋深的參考條件之一。地表超載只在淺埋情況下才影響掌子面的穩(wěn)定性。