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(yīng)，張 乾

(1. 四川路橋建設(shè)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(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031；3. 西南交通大學(xué)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(fù)雜，經(jīng)常會遇到軟巖、斷層破碎帶以及高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)情況，使得隧道建設(shè)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(xué)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(dá)240 cm，隧道產(chǎn)生嚴(yán)重的大變形，影響開挖進(jìn)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(jìn)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(guān)于隧道掌子面失穩(wěn)破壞的案例，掌子面失穩(wěn)嚴(yán)重影響施工工期，并且導(dǎo)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(dá)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(yīng)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(hù)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(jìn)行穩(wěn)定性分析，對實際施工來講可以更加有效的預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，所以國內(nèi)外學(xué)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(hù)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(hù)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(shè)研究對象為Tresca材料，并且隧道為無支護(hù)、縱向平面應(yīng)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(hù)剛度大小的關(guān)系，研究得到掘進(jìn)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(chǔ)上，對開挖面穩(wěn)定性的上限解進(jìn)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(zhǔn)則和應(yīng)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(yīng)力場，借助應(yīng)力平衡方程求得隧道支護(hù)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(hù)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(hù)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(xué)軟件SPSS18.0進(jìn)行處理，其中計數(shù)資料使用χ2進(jìn)行檢驗，使用P＜0.05表示具有統(tǒng)計學(xué)意義。

Janssen通過觀察到筒倉中豎向應(yīng)力與深度的變化，得出在筒倉中豎向應(yīng)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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形特點，當(dāng)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(dāng)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(dāng)隧道埋深改變時，通過逐漸減小開挖面的支護(hù)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(dāng)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(dá)地表，且當(dāng)隧道道徑固定時，開挖面的臨界支護(hù)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(hù)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(hù)區(qū)間破壞方式、開挖面破壞方式以及未支護(hù)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(xué)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(rèn)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(rèn)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(dāng)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(jìn)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(xué)參數(shù)等方面對掌子面破壞的影響也進(jìn)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(hù)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(guān)鍵的因素是確定極限支護(hù)力的大小，當(dāng)支護(hù)力大于極限支護(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)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(hù)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(hù)壓力開展了數(shù)值分析，并將分析結(jié)果和室內(nèi)試驗進(jìn)行了對比分析。然而在盾構(gòu)掘進(jìn)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(guān)系。在開挖面破壞形態(tài)方面，秦建設(shè)[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(dǎo)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(jìn)行超前支護(hù)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(jìn)行滑塌，導(dǎo)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(yīng)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(jìn)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(fēng)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(dāng)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(dǎo)致開挖面失穩(wěn)。當(dāng)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(yīng)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(yīng)力重分布而變得松散破碎，進(jìn)而導(dǎo)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(hù)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(dāng)隧道埋深達(dá)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(dá)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(hù)區(qū)段產(chǎn)生掉塊，若進(jìn)行支護(hù)，會出現(xiàn)支護(hù)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(dǎo)致前部土體圍巖道周應(yīng)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(shè)計斷面內(nèi)，若開挖面前方土體變形導(dǎo)致圍巖侵入隧道凈空斷面則標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(hù)下掌子面的穩(wěn)定性問題，以及多個超前支護(hù)共同作用和單一超前支護(hù)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(hù)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。