開挖過程隧道掌子面穩(wěn)定性研究綜述

康海波，萬志強，趙剛應，張 乾

(1. 四川路橋建設股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610020；2.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川成都 610031；3. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

在我國，中西部山區(qū)分布廣泛，地勢起伏，地質(zhì)條件復雜，經(jīng)常會遇到軟巖、斷層破碎帶以及高地應力等復雜地質(zhì)情況，使得隧道建設變得困難，要使得隧道成功貫通并投入使用，最主要的還是解決隧道圍巖穩(wěn)定的問題，在研究隧道圍巖穩(wěn)定性方面，學者對開挖隧道周圍巖體穩(wěn)定性研究較多，在對開挖過程中，隧道掌子面穩(wěn)定性的研究不多，而在實際工程中，經(jīng)常會遇到開挖面坍塌而引起施工延期、危害人員安全的事故，如奧地利陶恩公路隧道、南昆線家竹箐鐵路隧道以及臥龍隧道等，都發(fā)生掌子面坍塌現(xiàn)象，南昆線家竹箐隧道在施工過程中掌子面附近拱頂沉降達240 cm，隧道產(chǎn)生嚴重的大變形，影響開挖進度，所以對開挖面穩(wěn)定性的研究極為重要。本文將結(jié)合工程實例并對前人科研成果進行總結(jié)，論述了海內(nèi)外對掌子面穩(wěn)定性問題的研究現(xiàn)狀以及存在的問題，并且闡述隧道施工掌子面失穩(wěn)的特點。

1 隧道掌子面失穩(wěn)工程實例

自隧道工程發(fā)展以來，出現(xiàn)了許多關于隧道掌子面失穩(wěn)破壞的案例，掌子面失穩(wěn)嚴重影響施工工期，并且導致人員傷亡，表1總結(jié)了國內(nèi)隧道掌子面失穩(wěn)的案例以及失穩(wěn)特征。

從表1可大致的總結(jié)出隧道開挖面失穩(wěn)的一些原因以及失穩(wěn)特點，總結(jié)如下：

(1)隧道掌子面發(fā)生失穩(wěn)的圍巖巖性一般為軟弱圍巖，圍巖抗壓強度低，屬于隧道圍巖分級的Ⅳ、Ⅴ級圍巖范疇。

(2)在地下水較為發(fā)育的地段，容易產(chǎn)生隧道掌子面失穩(wěn)破壞，并且通常伴隨掌子面突水涌泥現(xiàn)象。

(3)開挖面失穩(wěn)前，由于開挖面前方巖體強度以及剛度無法達到圍巖平衡的要求，圍巖擠出變形很大，且形變呈不收斂擴大的趨勢，以致隧道開挖輪廓面巖體失去穩(wěn)定，隧道開挖面坍塌；隧道開挖面失穩(wěn)特征受地質(zhì)條件、隧道埋深、地下水分布、地應力等的影響，且隧道開挖面失穩(wěn)不一定發(fā)生在軟弱巖體中，在節(jié)理裂隙不發(fā)育、圍巖巖體完整的地段也會發(fā)生掌子面失穩(wěn)。

(4)開挖面發(fā)生失穩(wěn)性破壞時，隧道圍巖產(chǎn)生大變形，隧道開挖面發(fā)生失穩(wěn)性破壞通常有以下現(xiàn)象：在自然地表發(fā)生坍塌、裂縫，開挖面土體向隧道內(nèi)變形，隧道四周巖體變形速率增大，初期支護開裂，鋼拱架出現(xiàn)扭曲，二襯出現(xiàn)裂紋掉塊等。

2 隧道掌子面穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

隧道開挖面穩(wěn)定研究主要集中在對隧道開挖面破壞機理方面，隧道開挖面破壞機理的分析可概括為兩類：一種是隧道開挖面破壞之前的穩(wěn)定性分析，另一種是開挖面破壞以后，其破壞方式的分析，然而對破壞之前進行穩(wěn)定性分析，對實際施工來講可以更加有效的預防災害的發(fā)生，所以國內(nèi)外學者通過理論分析，模型實驗以及數(shù)值模擬的方法，對在開挖面失穩(wěn)極限狀態(tài)下道周圍巖穩(wěn)定性分析開展了大量有益工作。

2.1 理論分析

理論研究普遍采用三種方法，著眼于開挖面的整體性破壞或者穩(wěn)定性的研究，一種是穩(wěn)定系數(shù)法，第二種為極限分析法，最后一種為筒倉理論。

2.1.1 穩(wěn)定系數(shù)法

通過穩(wěn)定系數(shù)法研究掌子面穩(wěn)定性的工作起步較早，1967年Broms等[1]采用極限解析的方法，提出在無支護條件下，黏土地層中掌子面穩(wěn)定性系數(shù)，如下所示：

N=(σs+γH-σT)/Su

表1 隧道掌子面失穩(wěn)案例

式中：Su為不排水抗剪強度，σs為超載，γ為土的容重，H為隧道軸心到地表面的距離，σT為開挖面支護壓力，N為穩(wěn)定性系數(shù)。最終基于室內(nèi)模型實驗和現(xiàn)場測試，得出相對穩(wěn)定性系數(shù)N超過6時開挖面將發(fā)生失穩(wěn)破壞的結(jié)論。

Davis[2]基于開挖面穩(wěn)定系數(shù)研究方法，采取上邊界塑性的極限分析法，計算中假設研究對象為Tresca材料，并且隧道為無支護、縱向平面應變穩(wěn)定問題，在塌陷與鼓起兩種不同的破壞條件下分析隧道開挖面穩(wěn)定與支護剛度大小的關系，研究得到掘進過程中開挖面穩(wěn)定的兩個下限解，以及兩個穩(wěn)定系數(shù)計算方程。Sloan等[3]在Davis等的前人研究基礎上，對開挖面穩(wěn)定性的上限解進行了改善，由于沒有考慮滲透力對掌子面穩(wěn)定性的影響，所以Sloan所提出的穩(wěn)定系數(shù)計算公式只適用于隧道掌子面無地下水作用的條件下。

2.1.2 極限分析法

Atkinson和Potts[4-5]在滿足屈服準則和應力邊界的條件下，創(chuàng)建了一個和自然地表相切的圓弧形靜力許可應力場，借助應力平衡方程求得隧道支護作用力下限解。根據(jù)隧道模型實驗得出隧道巖體坍塌形態(tài)，創(chuàng)建一個楔形坍落體的速度許可場，最后根據(jù)坍落體的內(nèi)功率與外功率相等，求得隧道支護力上限解。Soubra[6]采用極限分析法，建立掌子面失穩(wěn)的三維破壞機制，根據(jù)掌子面土體破壞模式的不同，分別計算出隧道主動破壞和被動破壞兩種方式下的極限支護力。

2.1.3 筒倉理論

本次研究所有統(tǒng)計數(shù)據(jù)全部采用統(tǒng)計學軟件SPSS18.0進行處理，其中計數(shù)資料使用χ2進行檢驗，使用P＜0.05表示具有統(tǒng)計學意義。

Janssen通過觀察到筒倉中豎向應力與深度的變化，得出在筒倉中豎向應力與深度變化呈非線性變化的特點，從而建立Janssen方程，Horm基于Janssen筒倉理論，建立由開挖面前方楔形體和開挖面上方棱柱體兩部分構(gòu)成的三維楔形體計算模型如圖1所示，在計算時，Horm采用開挖面的面積約等于正方形ABCD的面積，即B=πD/4(其中B為楔形體寬，D為隧道高度)，Atkinson等[7]借助楔形體和上方棱柱體的極限平衡方程，通過水平和豎直方向的平衡方程，最終求出保證隧道開挖面開挖穩(wěn)定的最小支護作用力。

圖1 Horm建立的三維楔形體計算模型

2.2 模型實驗

室內(nèi)實驗是分析隧道圍巖穩(wěn)定性的另一類方法，依據(jù)相似理論，通過建立一定比例相似材料的隧道模型，研究在開挖過程中隧道圍巖的穩(wěn)定性以及支護結(jié)構(gòu)受力和變形特點，當模型實驗滿足相似原理的條件下，可以直觀的觀察隧道圍巖變形破壞過程，并且結(jié)果可靠，因此國內(nèi)外研究者通過模型實驗對隧道開挖過程中掌子面的破壞形態(tài)做了許多研究。

在研究當隧道圍巖為軟弱松散巖體，開挖面的破壞方式以及破壞形態(tài)方面，Chambora和Corte[8]通過模型實驗研究隧道圍巖為無粘聚力土體，當隧道埋深改變時，通過逐漸減小開挖面的支護力，觀察開挖面巖體的破壞形態(tài)(圖2)。研究結(jié)果表明：開挖面前方巖體的破壞形態(tài)與楔形體相似，上方巖體則與筒倉狀相似；當隧道埋深較淺時，塌陷巖體容易擴展到地表，埋深較大時，開挖面前方巖體的塌陷深度不會到達地表，且當隧道道徑固定時，開挖面的臨界支護作用力的大小受埋深的影響不大。

圖2 掌子面破壞形態(tài)[8]

童建軍等[9]采用室內(nèi)實驗的方法對砂土隧道開挖面的破壞形態(tài)開展了研究，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)開挖面的破壞位置主要集中在開挖面前方尚未支護段的圍巖拱部以及邊墻位置，或在開挖面上，開挖面破壞方式有三種分別為：未支護區(qū)間破壞方式、開挖面破壞方式以及未支護區(qū)間與開挖面一起破壞方式，并且得出隧道巖體的基本力學參數(shù)是影響開挖面失穩(wěn)破壞的重要因素。Mair[10]總結(jié)在砂土層和粘土層隧道開挖模型實驗結(jié)果，認為在砂土層和粘土層隧道開挖過程中，掌子面具有不同的破壞形態(tài)(圖3)，并且破壞機理也顯著不同，在砂性土中，開挖面上方巖體破壞面呈現(xiàn)明顯的“煙囪”狀；而在粘性土中，由于c值(粘聚力)大于砂性土，掌子面上方巖體破壞形態(tài)則呈現(xiàn)為盆狀。Korniya[11]則通過模型實驗驗證了Mair部分結(jié)果，他認為在隧道斷面為矩形時，在砂性土中隧道掌子面的破壞形態(tài)和Mair結(jié)果一致，但當隧道斷面為圓形時，與Mair的結(jié)果則不一致。

圖3 黏土和砂土的掌子面破壞機理[10]

國內(nèi)外研究者通過模型實驗對隧道掌子面的破壞形態(tài)以及破壞機理進行了大量工作，但主要著重點在砂土以及黏性土中隧道開挖時，掌子面的破壞形態(tài)上，并且對隧道埋深、圍巖性質(zhì)、隧道斷面類型以及圍巖物理力學參數(shù)等方面對掌子面破壞的影響也進行了研究。

2.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬軟件的出現(xiàn)極大的提高了隧道模擬計算分析能力，研究者主要通過數(shù)值模擬研究掌子面的破壞形態(tài)以及在盾構(gòu)施工中極限支護力大小。通過數(shù)值模擬研究開挖面的穩(wěn)定性主要集中在盾構(gòu)隧道開挖面的穩(wěn)定性。

盾構(gòu)施工中要保障掌子面的穩(wěn)定最為關鍵的因素是確定極限支護力的大小，當支護力大于極限支護力時，在施工過程中才能保障掌子面的穩(wěn)定，所以極限支護力這個參數(shù)極為重要，許多研究者也對盾構(gòu)施工過程中掌子面推力進行了研究。裴洪軍[12]采取數(shù)值模擬軟件對南京某地鐵區(qū)段盾構(gòu)支護力開展了模擬分析，提出了該區(qū)段開挖面穩(wěn)定系數(shù)取值的合理范圍，他提出盾構(gòu)區(qū)間的深跨比對盾構(gòu)支護力的大小起決定作用，它是個非常重要的影響因素。黃正榮[13]等采取FLAC3D軟件對盾構(gòu)開挖面的臨界支護壓力開展了數(shù)值分析，并將分析結(jié)果和室內(nèi)試驗進行了對比分析。然而在盾構(gòu)掘進過程中，開挖面直徑也對掌子面的穩(wěn)定性有重要影響，高立群運用數(shù)值計算軟件，比較分析正常直徑和大直徑盾構(gòu)在開挖面受力大小，研究發(fā)現(xiàn)開挖直徑越大，隧道開挖對地層的影響越大，掌子面前方和側(cè)方巖體的下沉量越大，并且研究得出開挖直徑與下沉量的關系。在開挖面破壞形態(tài)方面，秦建設[14]釆用FLAC3D軟件依次對砂土中和黏土中隧道幵挖面的穩(wěn)定性開展了分析。得到以下研究結(jié)果：砂性土中開挖面前部巖體破裂表現(xiàn)為楔形狀，上部則變現(xiàn)為煙囪狀，而且伴隨隧道深度的增大，其坍塌范圍越難以影響到自然地表；黏土中開挖面的破壞方式由兩部分組成：開挖面前部滑動及上部巖體變形，導致在地表形成塌陷。

(1)現(xiàn)在的研究主要集中在盾構(gòu)施工過程中，開挖面的穩(wěn)定性問題，而實際山嶺隧道很少使用盾構(gòu)機械施工，多采用新奧法施工，盾構(gòu)施工可以對掌子面施加推力來保障隧道掌子面的穩(wěn)定而新奧法施工無法給掌子面施加推力，而是對開挖面前方圍巖進行超前支護以及采用合理的開挖方法來確保開挖面的穩(wěn)定。

(2)掌子面穩(wěn)定性的研究多集中在軟巖以及砂質(zhì)巖隧道中，在實際工程中，也會出現(xiàn)完整性較好的硬巖隧道出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)的情況，例如隧道穿越傾斜巖層，巖體可能沿著巖層層理面進行滑塌，導致開挖面失穩(wěn)。

3 隧道掌子面失穩(wěn)特點研究綜述

通過總結(jié)海內(nèi)外研究者對開挖面穩(wěn)定性的研究成果以及結(jié)合表一實際工程案例，可以看出開挖面失穩(wěn)通常發(fā)生在開挖面臨空圍巖或者開挖面前部巖體，不同隧道因其地質(zhì)環(huán)境、地應力、圍巖巖性以及隧道埋深的不同，掌子面發(fā)生失穩(wěn)時，其失穩(wěn)破壞的位置、時間、程度以及影響范圍都不相同。為了研究掌子面失穩(wěn)的特點，本節(jié)將從圍巖巖性條件、掌子面失穩(wěn)類型以及掌子面破壞特點等方面進行總結(jié)研究。

3.1 掌子面失穩(wěn)圍巖巖性條件

掌子面失穩(wěn)主要發(fā)生在軟弱圍巖中，軟巖是指在極限飽和抗壓強度不超過30 MPa的巖石，如泥巖、千枚巖、頁巖等在隧道處于偏壓、淺埋或者深埋狀態(tài)，當出現(xiàn)地下水作用時，此類巖體極易出現(xiàn)軟化、膨脹、溶蝕等現(xiàn)象，使得巖體的強度下降，從而發(fā)生變形破壞導致掌子面失穩(wěn)，表2總結(jié)了容易發(fā)生開挖面失穩(wěn)的圍巖性質(zhì)，從表2可以看出，掌子面容易發(fā)生失穩(wěn)的圍巖巖性主要是集中在泥質(zhì)含量較高或者層理發(fā)育的沉積巖中，少量由沉積巖變質(zhì)而來的變質(zhì)巖，由于保留了變質(zhì)前的層理結(jié)構(gòu)，也極容易發(fā)生掌子面失穩(wěn)，巖漿巖由于巖體完整，巖體強度高，很少發(fā)生掌子面失穩(wěn)，但值得注意的是，掌子面失穩(wěn)不一定只發(fā)生在軟巖中，整體性較好、巖性強度與剛度較高的地層也有可能發(fā)生。

表2 易發(fā)生掌子面失穩(wěn)的圍巖巖性

3.2 掌子面失穩(wěn)類型

圍巖巖性和地下水條件的不同會使得掌子面失穩(wěn)的類型也同，如在軟弱圍巖中，因為巖體強度較低，再加上有地下水的作用，使得巖體軟化，巖體崩落；另外在核心土上部的巖體，因為存在不透水層，從而使上部透水層產(chǎn)生的土壓、水壓從開挖面涌現(xiàn)，最終導致開挖面巖體塌陷。在砂質(zhì)巖體中，開挖面失穩(wěn)主要為兩種情況：一種是地下水較為發(fā)育的砂質(zhì)圍巖，砂層隨著地下水一起涌出掌子面而發(fā)生坍塌；另一種是砂質(zhì)圍巖在由于排水和通風的原因而變干燥，圍巖強度降低造成坍塌。在巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的地層中，在特殊情形下巖體中會夾雜有強度小厚度薄的千枚巖薄層，巖體在開挖擾動下，會沿其節(jié)理面發(fā)生錯動，甚至崩塌。當隧道越過傾斜巖層時，雖然巖石強度高，但是巖體順著軟弱節(jié)理構(gòu)造面發(fā)生剝落而崩塌，導致開挖面失穩(wěn)。當隧道巖體較為破碎時，因為軟弱破碎帶的存在，巖體開挖后，圍巖應力發(fā)生重分布破壞了原有圍巖間的接觸程度，在地下水發(fā)育的破碎帶圍巖中，掌子面可能產(chǎn)生突水，涌泥的現(xiàn)象，如果在地下水不發(fā)育破碎帶圍巖，隧道開挖后開挖面巖體由于應力重分布而變得松散破碎，進而導致坍塌。

3.3 掌子面變形破壞特點

開挖面發(fā)生失穩(wěn)時，首先破壞的位置主要在開挖截面的拱部以及未支護圍巖段邊墻或者拱腰位置等。就淺埋隧道而言，隧道開挖面發(fā)生失穩(wěn)時，破壞影響范圍將延續(xù)至地表，由于在橫斷面方向上不能形成有效承載拱，所以開挖面前部土體快速下沉，延續(xù)至地表形成塌陷坑。當隧道埋深達到一定程度時，此時掌子面破壞對地表幾乎沒有顯著的影響。對于埋深大隧道，隧道開挖后，達到失穩(wěn)條件的開挖面在拱部由于拱部圍巖被擠出，難以形成承載拱結(jié)構(gòu)，在未及時支護區(qū)段產(chǎn)生掉塊，若進行支護，會出現(xiàn)支護開裂，鋼架發(fā)生扭曲等現(xiàn)象。開挖面前方圍巖發(fā)生變形破壞也是開挖面失穩(wěn)的重要表現(xiàn)，開挖面前方土體由于開挖擾動的影響，導致前部土體圍巖道周應力增大使得變形提前釋放，開挖面前方土體變形程度取決于圍巖強度以及受開挖擾動的強弱，而開挖面前方土體的變形程度又決定圍巖是否侵入設計斷面內(nèi)，若開挖面前方土體變形導致圍巖侵入隧道凈空斷面則標志開挖面發(fā)生失穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文對隧道掌子面失穩(wěn)工程實例進行總結(jié)歸納，系統(tǒng)論述國內(nèi)外對掌子面穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀并且提出研究所存在的問題，最終結(jié)合國內(nèi)外研究成果以及隧道掌子面失穩(wěn)實際工程案例，對掌子面失穩(wěn)特點進行總結(jié)，得出以下結(jié)論以及展望：

(1)現(xiàn)有的研究主要集中在盾構(gòu)施工隧道掌子面穩(wěn)定性問題，對新奧法施工過程掌子面的研究較少，新奧法施工可以研究超前支護下掌子面的穩(wěn)定性問題，以及多個超前支護共同作用和單一超前支護對隧道掌子面穩(wěn)定性的影響。

(2)開挖面失穩(wěn)多發(fā)生在軟弱圍巖隧道，破碎巖體以及地下水和結(jié)構(gòu)面發(fā)育的地段，并不代表開挖面失穩(wěn)只發(fā)生在巖體破碎或者巖體強度差的區(qū)段，對于完整性好的硬巖也有可能發(fā)生開挖面失穩(wěn)。

(3)掌子面失穩(wěn)類型隨著圍巖巖性以及地下水分布情況不同而不同，首先發(fā)生失穩(wěn)的破壞部位主要是開挖輪廓面的拱部以及未支護圍巖段邊墻或者拱腰部位，隧道埋深對掌子面失穩(wěn)破壞方式有重要影響，并且掌子面前方土體變形也是掌子面失穩(wěn)破壞的主要原因。