隧道掌子面與不利地質結構最小安全凈距分析

郭穎 肖景紅 冷先倫 陳健

摘要：

隧道穿越不利地質結構施工時掌子面極易發(fā)生坍塌，故通常對其進行注漿加固，這其中如何確定隧道掌子面與不利地質結構最小安全凈距是亟需解決的核心問題。首先基于朗肯土壓力理論概化出巖板可能存在的模型，進而分析掌子面的應力狀態(tài)；結合抗拉和抗剪強度理論，推導出掌子面巖板在不同約束模式下的最小安全凈距解析解；最后，以天峨縣穿越破碎帶的崗嶺坡隧道為依托，研究了在破碎帶不同高度、寬度以及傾角條件下，掌子面距不利地質結構的最小安全凈距的變化規(guī)律，驗證推導的理論解其可靠性和可行性。結果表明：① 最小安全凈距隨破碎帶高度和寬度的增加而增大，隨著破碎帶傾角的增加而減小；② 臺階法開挖時，最小安全凈距隨臺階高度增加而增大，減小隧洞直徑可以有效減小安全距離。③ 不同方法得到的最小安全巖板凈距大小依次為：彈性厚板理論>本文方法（固支）=線性Mohr-Coulomb準則>本文方法（簡支）=突變理論。相關研究成果可為隧道穿越破碎帶的設計與施工提供理論基礎。

關 鍵 詞：

破碎帶； 掌子面； 最小巖板厚度； 最小安全凈距

中圖法分類號： U455.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.026

0 引 言

隧道穿越不利地質結構時將不可避免地遇到破碎帶。因此，如何確定隧道掌子面與破碎帶的最小安全凈距是保障隧道安全施工的關鍵技術難題。

國內外學者對隧道施工穿越破碎帶時掌子面失穩(wěn)問題開展了大量的研究。圍巖變形是穿越破碎帶隧道穩(wěn)定性研究的基礎，唐曉杰等［1］、司建強等［2］提出了隧道變形的建議控制值以及變形穩(wěn)定時間參考值。巖溶隧道掌子面最小安全凈距是隧道圍巖穩(wěn)定性的關鍵，李術才等［3］通過巖板受力的平衡條件推導出充填型巖溶突水突泥的最小厚度解析公式。破碎區(qū)域穩(wěn)定性對保障隧道施工安全具有重要意義，Jancsecz等［4］、An等［5］基于支護結構的極限狀態(tài)，設計確定了隧道支撐工作面最小安全支護力，并分析了隧道前方圍巖的穩(wěn)定性。楊子漢等［6］、朱合華等［7］、戴國亮等［8］基于上限分析原理提出了兩種計算巖體厚度的新思路，即線性Mohr-Coulomb準則與非線性Hoek-Brown準則。徐鐘等［9］以Mohr-Coulomb準則為依據，結合斷裂力學理論提出巖板保持最小安全厚度的理論模型。以上學者為巖板厚度的確定提供了更加確切的依據。巖石力學參數對地下洞室的敏感性是隧道建設的重要指標。郭佳奇等［10］、劉欽等［11］、劉超群等［12］依托隧道穿越斷層破碎帶的工程實例，分析了斷層破碎帶高度、寬度和傾角及走向對隧道掌子面最小安全凈距的影響。此外，張軍偉等［13］、臧守杰［14］、郭佳奇等［15］針對隧道-巖溶系統(tǒng)建立彈性梁板模型等典型力學模型，通過簡化隧道掌子面受力情況推導了隧道底板巖層的最小安全凈距的理論公式。

上述研究成果為隧道穿越不利地質結構時掌子面及圍巖穩(wěn)定性控制提供了理論依據和技術支持。然而，隧道穿越斷層破碎帶等不利地質結構時，掌子面與破碎地質帶的安全凈距，破碎帶的分布及幾何特征對隧道穩(wěn)定性影響規(guī)律的相關研究仍然較為缺乏。

基于此，本文首先通過建立不同地質條件下的隧道掌子面力學模型，把掌子面巖層劃分為“完整巖層”和“不完整巖層”，根據巖體的破碎情況和節(jié)理裂隙的分布情況，進一步將隧道掌子面巖層簡化成固支、簡支-固支和簡支3種力學模型。采用破碎巖土體荷載傳遞線交匯法將開挖面的巖層簡化為彈性巖板，并進一步推導了巖板豎向彎矩、剪力沿開挖面的分布解析式。最后，以廣西壯族自治區(qū)天峨縣穿越破碎帶的崗嶺坡隧道為依托，采用解析公式分析了隧道掌子面巖板與破碎帶的最小安全凈距及破碎帶的分布和幾何特征對隧道穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 破碎帶與掌子面巖板相互作用概化模型

1.1 隧道與巖層概化模型

隧道施工過程中不利地質構造破壞涉及的因素較多，為了便于分析掌子面巖板與破碎帶的相互作用，對隧道掌子面巖板進行力學模型的概化（見圖1）。根據巖板的完整性，將隧道穿越的巖層分為：“完整巖板”“不完整巖板”兩種。其中“完整巖板”是指隧道穿越的巖層未被節(jié)理裂隙切割或切斷，或存在裂隙但膠結狀況良好巖層，反之稱為“不完整巖板”［16］。對隧道施工時穿越破碎帶進行地質模型概化，作如下假設：

（1） 隧道周圍巖體與破碎帶是均質、連續(xù)、各向同性且滿足小變形的彈性體；

（2） 隧道開挖時圍巖處于平衡狀態(tài)，故忽略巖板的自重，將巖板分為“完整巖板”“不完整巖板”，僅考慮巖板前方破碎帶的影響；

（3） 將破碎帶區(qū)域土壓力作用在隧道工程的不同部位概化為沿巖板分布的非均布線性荷載；

（4） 當破碎帶區(qū)域和掌子面巖板與周圍巖體接觸良好無明顯或較大的裂縫，巖板簡化為固支梁，如圖1（b）所示；

（5） 當破碎帶區(qū)域和掌子面巖板上側與周圍巖體接觸有明顯的裂縫，巖板簡化為簡支-固支梁，如圖1（c）所示；

（6） 當破碎帶區(qū)域和掌子面巖板與周圍巖體接觸有明顯的裂縫，巖板簡化為簡支梁，如圖1（d）所示。

1.2 破碎帶受力概化模型

為了構建破碎帶受力分析模型，對破碎帶與隧道前方巖板相互作用區(qū)域進行概化，將破碎帶視為無黏性的有限土體。張騫等［17］及孟凡樹等［18］均采用類似假設，以經典朗肯土壓力理論開展了破碎帶受力分析，證明了這一假設的合理性。由于破碎帶內部巖體松散，裂隙發(fā)育，將破碎區(qū)域對巖板的作用力視為主動土壓力，進而求解破碎帶附近隧道區(qū)域的地應力（見圖2）。

破碎帶是具有一定長度、寬度、高度以及傾角的地質體，其幾何尺寸及受力情況如圖3所示。其中，a為破碎帶土體底部左右寬度；b為破碎帶土體底部前后寬度；H為破碎帶有效深度；γ為破碎帶巖土體的重度；W為隧道前方工作面巖板自重；R為圍巖對破碎松散巖土體的反作用力；E為隧道掌子面巖板的反力；β為圍巖對破碎松散巖土體的作用力與水平方向夾角；φ1為破碎巖土體法向與隧道工作面巖板的支護反力E的夾角；θ為破碎松散巖土體與水平方向的夾角。

2 工程案例分析

針對天峨至北海公路（天峨經鳳山至巴馬段）崗嶺坡隧道，選取樁號ZK019+920～ZK020+080段進行驗證。地質破碎變化導致前述3種工況均有發(fā)生，在不同斷面均會誘發(fā)掌子面坍塌與圍巖失穩(wěn)（見圖7）。其中隧道工作區(qū)主要屬于剝蝕低山地貌，隧道圍巖主要為中風化粉砂巖，隧道施工過程局部區(qū)域存在裂隙發(fā)育的破碎區(qū)域，導致影響區(qū)域巖體力學參數較低。本文根據上述理論計算了破碎巖土體高度、寬度和傾角對隧洞開挖前方工作面巖板最小安全厚度的影響，忽略隧道前方工作面巖板與破碎巖土體間的摩擦，即δ＝0。針對上述情況分析固支、簡支-固支和簡支3種力學模型中掌子面巖板最小安全厚度，其中巖體力學參數分別為：粉砂巖巖土體密度γs為26.5 g/cm3，破碎巖土體重度γ為24.5 g/cm3，破碎巖土體摩擦角φ1為25°，隧道掌子面巖板寬度n為12 m，隧道掌子面巖板高度h為10.7 m，掌子面巖板抗拉強度σt為3.5 MPa，掌子面巖板黏聚力c為3.3 MPa，掌子面巖板摩擦角φ為43.83°，巖體的彈性模量E為25 GPa［19］。

本文為了對比驗證掌子面前方最小安全厚度的控制參數，以期對施工前方的巖板有進一步的認識，引用彈性厚板理論［6］、線性Mohr-Coulomb準則方法［10］、突變理論［20］等力學模型來驗證受拉、受剪破壞結果的可靠性（見表1）。

2.1 破碎帶高度、寬度對最小安全巖板凈距的影響

圖8、圖9為不同理論模型下掌子面最小安全巖板厚度與破碎帶高度H、寬度a的關系。

當隧道前方破碎帶左右寬度a為1 m，破碎帶前后寬度b為10 m，破碎巖土體的傾角θ為45° 時，同時破碎帶高度H在30～100 m之間變化，其施加在掌子面上側荷載隨著破碎帶高度的增長而變大（從3.453 MPa增大到11.511 MPa），掌子面下側荷載也從4.685 MPa增大到12.742 MPa。同理，當破碎帶高度H為100 m時，破碎帶寬度a在3～9 m范圍內增長，掌子面下方荷載在3.822～11.468 MPa范圍內增大。

由圖8、圖9可知：破碎帶高度、寬度對工作面最小安全巖板凈距影響十分顯著，隨著破碎帶高度及寬度的增大，最小安全巖板凈距也隨之增大，不同力學模型下掌子面最小安全凈距厚度與破碎帶幾何特征均呈正比例關系，且隨著破碎帶高度及寬度的增大，不同力學模型增幅有明顯區(qū)別。

當破碎帶高度在30～100 m范圍內增長或寬度在3～9 m范圍內增長時，掌子面前方的巖板不論為固支或簡支的約束模式，采用彈性厚板理論分析時破碎帶高度及寬度影響均較大，而最小安全厚度之差卻與破碎帶高度、寬度成負相關，此與實際情況有所差異。

當采用固支及固支-簡支力學模型時，此時破碎帶高度在30～100 m范圍內變化，固支模式受彎拉情況最小安全巖板凈距在2.39～4.08 m范圍內變化，固支-簡支模式受彎拉情況最小安全巖板凈距在2.13～3.17 m范圍內變化，線性Mohr-Coulomb準則受彎拉情況巖板厚度在1.63～2.90 m范圍變化，可看出拉彎破環(huán)情況趨勢一致。

固支模式剪切情況時，最小安全巖板凈距在0.43～1.24 m范圍內變化，固支-簡支模式剪切破壞最小安全巖板凈距在0.53～1.54 m范圍內變化，突變理論剪切破壞巖板厚度在0.77～1.15 m范圍內變化，此與剪切破環(huán)情況相符。

2.2 破碎帶傾角對最小安全巖板凈距的影響

圖10給出了隧道開挖工作面的最小巖板厚度與破碎巖土體傾角的關系曲線。隧道前方破碎帶左右寬度a為1 m，破碎帶前后寬度b為20 m，破碎帶高度H為50 m，破碎巖土體的傾角θ在30°～80°變化時，其施加在掌子面上側的荷載從12.203 MPa降低到7.026 MPa，掌子面下側的荷載從14.814 MPa降低到8.529 MPa。

可以看出隧道開挖工作面的最小安全巖板厚度與破碎巖土體傾角成負相關，并且隨著破碎巖土體傾角的增大，隧道開挖工作面的最小安全巖板厚度不斷降低。

楊志剛等［21］針對隧道穿越大傾角斷層破碎帶段隧道施工時，如何防止局部變形過大而導致初期支護變形、圍巖失穩(wěn)等問題進行了研究。當破碎帶傾角從30°～80°變化時，隧道掌子面的最小安全巖板厚度從1.40 m減小到0.81 m（固支模式），且?guī)r板厚度減小幅度越來越小，表明破碎帶為大傾角時，斷層破碎巖土體前方掌子面所需巖板厚度最小，掌子面巖板最危險。從最小安全巖板厚度之差與破碎帶傾角θ的對比圖可看出，破碎帶傾角θ的變化對最小安全巖板厚度之差有一定的影響。

2.3 臺階法對最小巖板厚度的影響

圖11給出了不同理論模型下掌子面的最小安全巖板厚度m與臺階高度h的關系曲線。圖中掌子面前方破碎帶寬度a及前后寬度b分別為1 m及20 m，高度H為100 m且破碎巖土體的傾角θ為45°。

圖11中，在固支模式下全斷面開挖高度為10.7 m，臺階法施工高度為3.5 m，彎曲破壞時掌子面安全厚度由5.87 m減小到1.85 m，減小量達68%，剪切破壞時掌子面安全厚度由2.41 m減小到0.77 m。在簡支模式下全斷面開挖高度為10.7 m，臺階法施工時高度為7 m，彎曲破壞時的掌子面安全厚度由6.78 m減小到2.26 m，減小量達66%，表明采用合理的臺階高度施工，變形可以更好地得到控制。固支-簡支模型在不同的臺階高度下，其安全厚度有所區(qū)別。

針對掌子面巖板需要采取合理的開挖方案和完善的監(jiān)測技術。目前，臺階法施工在隧道工程中得到了大量應用，在設計時要綜合考慮選取力學模型，選用合理臺階高度，同時，在施工中對掌子面進行注漿具有重要意義。

3 結 論

本文針對破碎帶與隧道掌子面巖體的穩(wěn)定性問題，針對完整、裂隙圍巖分別建立3種不同掌子面板巖約束模型，并以崗嶺坡隧道為依托，分析破碎帶參數對掌子面最小安全巖板厚度的影響。主要研究結論如下：

（1） 本文針對工程實例運用不同模型開展了對比分析。綜合考慮了破碎帶高度、寬度、傾角及走向的影響；基于結構力學法的抗拉、抗剪強度理論有效確定掌子面的最小安全凈距，建議了穿越破碎帶時施工的最小安全巖板厚度；在接近安全距離前實施必要的預支護措施，可提高掌子面的安全性。

（2） 在相同參數影響下，不同理論力學模型結果變化趨勢大致相同，固支、固支-簡支模式與線性Mohr-Coulomb準則受拉彎破環(huán)情況趨勢一致，固支-簡支、簡支模式剪切破壞與突變理論巖板厚度剪切破壞情況相符。不同方法所得到的最小安全巖板凈距大小依次為彈性厚板理論>本文方法（固支）=線性Mohr-Coulomb準則>本文方法（簡支）=突變理論。

（3） 臺階法施工由于開挖時采用分級開挖，可以有效降低圍巖變形，保證其穩(wěn)定性，其中固支模式掌子面安全厚度減小量達68%，簡支模式掌子面安全厚度減小量達66%，從而使得安全距離比全斷面施工的安全距離更優(yōu)，未來可以進一步研究該施工法對掌子面最小安全距離的影響。

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（編輯：鄭 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