隧道掌子面稳定性控制理论研究(文献综述)

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2110-5640-4836库尔勒隧道开挖掌子面稳定性研究朱孟艳1,2陈国1,2*窦晗1谈闯2（1.中铁一局集团有限公司第三工程分公司陕西宝鸡721006；2.南京林业大学土木工程学院江苏南京210037）摘要：在砂质围岩地层和软弱破碎围岩中开挖隧道会引起围岩扰动卸荷并改变围岩应力状态，若变形控制不当，极易导致掌子面发生破坏。

库尔勒隧道为典型的戈壁全风化砂岩浅埋隧道，下穿既有营业线，掘进施工难度大，技术复杂。

采用离散元颗粒流软件PFC2D研究全断面法、双台阶法及三台阶法在库尔勒隧道开挖中的适用性，从而确定合理的开挖工法。

研究结果表明：采用全断面法和双台阶法施工时，围岩变形控制能力差，塑性区分布面积较大，围岩易产生滑塌。

三台阶法更适合开挖库尔勒隧道，仰拱施作后隧道衬砌结构的安全系数较大，结构内力较小。

相关研究成果可为今后类似工程提供借鉴。

关键词：隧道工程掌子面全断面法两台阶法三台阶法变形控制中图分类号：U456.3文献标识码：A文章编号：1674-098X(2021)08(c)-0026-05 Research on Stability of Excavating Face of the Korla TunnelZHU Mengyan1,2CHEN Guo1,2*DOU Han1TAN Chuang2(1.China Railway First Group Third Engineering Co.,Ltd.,Baoji,Shaanxi Province,721006China;2.College of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing,Jiangsu Province,210037China)Abstract:Tunnel excavation in sandy surrounding rock strata and soft fractured surrounding rock will cause disturbance and unloading of surrounding rock and change the state of stress distribution of surrounding rock.If the deformation is not controlled properly,it is very easy to cause damage to the tunnel face.Korla tunnel is a typical shallow buried tunnel in Gobi completely weathered sandstone.It crosses the existing business line,which is difficult to excavate and complex in technology.The discrete particles flow software PFC2D is used to study the applicability of the full face method,double-step method,three-step method in the Korla tunnel excavation,so as to determine the reasonable excavation method.It is found that when using the full face and double-step methods in the excavation,the deformation control of the surrounding rock is bad,the distribution area of the plastic area is large, and the surrounding rock is easily collapsed.The three-step method is more suitable to excavate the Korla tunnel, the safety factor of the tunnel lining structure after inverted arch construction is bigger,and the internal force of the structure is smaller.The relevant research results can provide reference for similar projects in the future.Key Words:Tunnel engineering;Tunnel face;Full face method;Double-step method;Three-step method;Deformation control作者简介：朱孟艳（1982—），男，硕士，高级工程师，研究方向为桥梁与隧道施工。

围岩级别对大断面隧道掌子面稳定性影响论文【摘要】隧道围岩级别对掌子面稳定性有着极为重要的影响，围岩条件越差，隧道自支护的能力越差，掌子面稳定性越差。

Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，塑性区和掌子面的变形都较小，掌子面主要发生弹性变形，掌子面稳定。

Ⅳ～Ⅵ级围岩，随着围岩级别增大，塑性区和掌子面变形均大幅度增大，应及时采取支护措施，防止隧道坍塌。

1、大断面隧道定义按照国际隧协断面划分标准，认为隧道断面面积为50.0～100.0m2时，即为大断面隧道。

随着大断面隧道的增多，世界各国都把大断面隧道修建技术作为一个重要的课题加以研究。

本文主要从围岩级别对大断面隧道掌子面稳定性影响进行研究。

2、模型的建立和计算本文的数值模型是基于工程实例来确定的，隧道断面尺寸为：宽×高=10m×8.5m，三心圆隧道。

根据国际隧协关于隧道断面的划分标准，本隧道断面面积已超过50m2，属于大断面隧道。

利用FLAC3D软件建立了数值模型，模型两侧宽度各取4倍跨度，埋深均为25m，纵向深度取40m。

围岩材料的力学模型采用Mohr-Coulomb弹塑性理论模型，支护结构的力学模型采用弹性模型，均采用实体单元，隧道开挖方式采用全断面开挖。

我国铁路隧道和公路隧道采用同样的围岩分级方法，把围岩基本上分为六级。

隧道围岩分级是以坑道稳定性为为前提进行分级的，即把稳定性大致相同的地质条件归属于同样稳定性的一级。

从根本上说，在坑道工程中，如何保证坑道的暂时稳定（施工期间）和长期稳定（运营期间）始终是一个基本、关键性的问题。

[1]为了研究掌子面的稳定性情况，选取同一隧道在Ⅱ～Ⅵ级围岩条件下进行计算，研究其掌子面上塑性区的形成情况和掌子面变形进而判定其稳定性。

3、计算结果分析3.1. Ⅱ级围岩从数值模拟结果可以看出，在Ⅱ级围岩的条件下开挖后掌子面处于弹性状态，并无塑性区域产生。

掌子面的变形很小，最大挤出位移约为2.3mm，此时的掌子面还处于弹性变形阶段。

隧道工程中的软岩隧道设计与掌子面稳定分析随着城市化进程的不断推进，地下交通成为缓解交通拥堵的有效方式之一。

而软岩地层作为隧道工程中常见的地质构造，其设计与掌子面稳定分析成为工程师们在隧道建设中必须要面对和解决的重要问题之一。

1. 软岩隧道设计的挑战软岩地层指的是由石膏、石灰石、砂岩等组成的地层，其力学性质相对较差，易受水分、温度等因素的影响。

在软岩地层中设计隧道需要解决的问题，主要集中在以下几个方面：(1) 隧道稳定性：软岩地层中的隧道容易发生坍塌、局部溃落等不稳定现象，需要通过充分地了解地质构造、地下水位等因素，设计合理的支护结构，以确保隧道的稳定性。

(2) 导水问题：软岩地层通常存在较大的渗透能力，设计隧道时需综合考虑地层渗透性及地下水位等因素，合理设计隧道排水系统，防止隧道受到地下水侵蚀。

(3) 施工困难：软岩地层的强度较低，易破碎、塌陷，给施工带来了困难。

因此，在软岩隧道设计中，需要充分考虑施工过程中的支护措施，以确保施工安全。

2. 软岩隧道设计技术为了应对软岩隧道设计的挑战，工程师们结合先进的技术手段和经验，提出了一系列有效的设计技术。

(1) 地质勘探与分析：在软岩隧道设计前，进行详细的地质勘探，了解地层的土质、岩石特性、水文地质情况等。

通过地质分析，确定软岩地层的稳定性和可行性，为隧道设计提供科学依据。

(2) 支护结构设计：根据软岩隧道的不同地质情况，确定合适的支护结构。

常用的支护结构包括钢拱、锚杆、喷锚网等。

通过采用这些支护结构，保证软岩隧道的整体稳定性。

(3) 排水系统设计：针对软岩地层的渗透特性，设计合理的排水系统，防止地下水进入隧道。

常见的排水方式包括设置涵洞、排水坑等。

3. 软岩隧道掌子面稳定分析软岩隧道掌子面稳定分析是软岩隧道设计的重要环节，直接关系到隧道的施工安全和使用寿命。

(1) 掌子面分析方法：软岩隧道掌子面稳定性分析一般采用解析方法和数值模拟方法两种。

解析方法常用的有极限平衡法、变形极限法等，而数值模拟方法则包括有限元法、离散元法等。

隧道施工中的岩层掌子面稳定性分析随着城市建设和交通网络的发展，隧道的建设已经成为一种常见现象。

在隧道施工的过程中，岩层掌子面的稳定性是一个重要的问题。

本文将对隧道施工中岩层掌子面的稳定性进行分析，以帮助工程师和施工人员更好地排除隧道施工中的安全隐患。

1. 引言隧道施工中的岩层掌子面稳定性是指在施工过程中，岩层或土壤的断裂、滑动、坍塌等不稳定现象。

在进行隧道施工前，必须进行岩土力学测试和分析，以评估岩层掌子面的稳定性，确保施工过程中的安全。

2. 岩土力学测试和分析在进行隧道施工前，岩土力学测试是必不可少的。

通过采集岩层样本并进行实验，可以得到岩层的物理力学性质，如抗压强度、抗剪强度等。

此外，还可以进行地质勘察，了解岩层的结构、岩性、断裂裂隙等情况。

通过这些数据，可以进行岩土力学分析，评估岩层的稳定性。

3. 岩层掌子面的稳定性分析岩层掌子面的稳定性是指岩层在施工过程中是否有倾倒、滑动或坍塌等情况。

在分析岩层掌子面的稳定性时，需要考虑到以下因素：3.1 岩层的物理力学性质：岩层的抗压强度和抗剪强度是评估岩层稳定性的重要指标。

当岩层的抗剪强度较低时，容易发生滑动和倾倒现象；当岩层的抗压强度较低时，容易发生坍塌现象。

3.2 岩层的结构和岩层面的倾角：岩层的结构和岩层面的倾角也是影响岩层掌子面稳定性的因素。

结构复杂、岩层面倾斜较大的岩层更容易发生滑动和倾倒现象。

3.3 岩层周围的地应力：地应力是指施工场地附近的地下压力。

当地应力较大时，岩层掌子面的稳定性较差，容易出现滑动和倾倒现象。

4. 隧道施工中的岩层掌子面稳定性分析方法为了预防隧道施工过程中的岩层掌子面稳定性问题，可以采用以下方法进行分析和控制：4.1 前期地质勘察和岩土力学测试：在进行隧道施工前，必须进行详细的地质勘察和岩土力学测试，以了解岩层的结构、性质和稳定性。

这将为后续的施工过程提供重要的参考依据。

4.2 施工支护结构的设计和改进：根据岩层的稳定性分析结果，设计合适的施工支护结构，如锚杆、喷射混凝土和钢筋网等。

矩形顶管隧道掌子面支护压力及稳定性分析王明胜;王光辉;刘岩;徐虎城;叶康慨【摘要】为了研究繁华城区大断面顶管隧道施工过程中掌子面的支护压力及稳定性规律,本文采用有限元数值模拟,计算分析了不同地层下隧道掌子面变形发展规律,对比分析了两种工况下极限支护压力比λ,同时计算分析了隧道埋深和土体强度因素对极限支护压力的影响规律.研究成果能够为工程施工中掌子面稳定压力的确定提供数据支持.%In order to study the laws of supporting pressure and stability of tunnel face during the construction of large section pipe jacking tunnel in prosperous urban area,the development of deformation of tunnel face with different stratums was calculated by adopting the FEM numerical simulation.The ultimate support pressure ratio under two conditions was analyzed.In addition,the effects of buried depth and soil strength on ultimate supporting pressure were studied.The conclusion can be used to determine the steady pressure of tunnel face during engineering construction.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2017(039)005【总页数】4页(P82-84,89)【关键词】矩形顶管隧道;极限支护压力;稳定性分析【作者】王明胜;王光辉;刘岩;徐虎城;叶康慨【作者单位】中铁隧道集团有限公司,河南洛阳471000;中铁隧道勘测设计研究院有限公司, 河南洛阳471000;中铁隧道股份有限公司, 郑州450000;中铁隧道股份有限公司, 郑州450000;中铁隧道股份有限公司, 郑州450000【正文语种】中文【中图分类】TU942采用矩形顶管法修建城市地下交通隧道工程，不仅能够有效降低施工过程对周边环境和交通车流的影响，确保周边环境安全可控，而且极大提高地下空间利用率，且相比盾构法隧道，造价更低，实用性更高。

隧道围岩稳定性研究综述随着科学技术的高速发展，人们对隧道围岩稳定性研究的方法呈现出各种各样。

文章通过资料的查阅，总结了隧道围岩稳定性研究的发展历史及现状，在前人研究的基础上分析了其以后的发展趋势。

标签：公路隧道；围岩稳定性；理论研究；数值模拟；模型试验1 概述近几年随着我国加大了对基础设施建设的力度，我国的隧道也随之不断发展，其规模越来越大，样式越来越多，据统计，截至2015年底，我国大陆运营公路隧道14006座，总长12684km，每年其数量都在以16%的速度增长，这其中包含了各种地质、环境等差的隧道。

为了解决隧道施工及运行的安全，因此，大量的从事隧道相关的科研人员对其稳定进行了大量的研究。

本文对他们的研究总结及其阐述，并在前人研究的基础上分析了未来隧道围岩稳定性研究的发展趋势。

2 围岩稳定性研究现状2.1 理论研究现状围岩压力理论从19世纪的古典压力理论，后來的散体压力理论，到现在的弹性力学理论及塑性力学理论，人们无不时时刻刻在对围岩压力理论进行研究。

在国外，芬纳（Fenner）-塔罗勃根据压力理论总结出了围岩的弹塑性应力图形，日本研究人员Kawamoto采用美国学者Krajcinova提出的损伤力学知识对节理岩体的力学性质进行研究。

在国内孙钧通过对围岩-支护系统受力机理的理论研究，其提出了西原模型在隧道围岩-支护系统中的有限元解朱合华[1]提出了广义虚拟支撑力法，其采用位移释放系数来反映掘进面对围岩的空间约束程。

大量理论研究表明隧道开挖后会使围岩原始应力发生改变，并在开挖面附近出现应力集中现象。

2.2 数值模拟现状进入21世纪以来，由于计算机技术得到迅猛发展，其计算能力得到不断提高，能够方便快速的解决问题，因此越来越多科研人员采用数值模拟来解决围岩稳定性问题。

现有的数值模拟大致分为4种，其包括有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法。

有限元法是发展的非常早的数值分析方法，发展到现在其十分成熟，并包含了几十种岩体的本构模型。

隧道施工管理文献综述文献一：汪令平《隧道的常规施工和管理》四川建筑第28 卷３期20０８06隧道施工是由多种作业工序构成,施工的综合性非常强。

对隧道工程的施工管理中常规和普通的做法进行了分析和总结, 为常规隧道的施工管理提供了一个思路, 希望能够为隧道的施工和管理提供借鉴。

作者从确定目标、管理实施两个方面,结合乌鞘岭隧道论述隧道施工和管理方法.首先，确定隧道施工目标，然后确定隧道工程的管理实施:正确配置生产要素，合理布置临时设施，动态施工管理。

重视作业环境。

隧道施工是由多种作业工序构成，每一项作业搞不好，都会影响全局, 施工的综合性非常强。

隧道工程的管理实施就是保证各工序正常生产并合理衔接, 不断提高隧道的工厂化和规范化施工能力，使工程快速有序的进展, 最终实现工程目标。

文献二:章健华《提高隧道施工管理水平探讨》现代隧道技术第38卷第4期目前在我国隧道工程中,施工管理是一个薄弱环节, 大部分还是传统的或受传统模式影响的管理模式,在组织隧道施工中存在种种误区, 已经越来越不适应市场经济发展的要求。

如何改变观念，向管理要效益、挖潜力, 是一个急待解决的问题。

文章从实际出发并针对目前施工中存在的问题提出了自己的观点和看法。

在现代生产中, 科学技术是生产力诸多要素中的第一要素, 管理科学的研究和应用为第一生产力要素增添了新的内涵。

管理在现代化大生产中的作用表现为通过对生产力诸多要素合理的配置和有效的驾驭, 提高硬技术的使用效率或扩大其功能，从而构成整体效益的优化。

目前我国隧道工程造价居高不下, 而施工质量不容乐观, 施工单位的效益不尽人意,问题出在哪儿？关键在管理.作为传统的隧道施工管理方法、模式，已经越来越不适应社会主义市场经济的要求,如何向管理要效益、挖潜力，促进我国隧道施工管理水平上新台阶是摆在每一个隧道工作者面前的一个重要课题。

首先建立适应市场经济的隧道工程建设水平的标准, 然后编制切实可行的施工组织计划,一般来说, 编制施工组织计划应遵循以下几个原则:连续性原则、协调性原则、均衡性原则、弹性原则、经济性原则。

隧道围岩掌子面稳定性分析及支护设计隧道是建设中的重要工程，在穿越一些复杂地质条件时，往往需要对围岩进行支护。

隧道围岩掌子面稳定性分析和支护设计是隧道建设过程中必不可少的环节。

本文将从围岩掌子面稳定性分析和支护设计两个方面进行探讨。

一、围岩掌子面稳定性分析1.1 围岩分类围岩是指隧道开挖所接触到的地质层。

根据其性质和组成，围岩可分为岩石类、弱结构岩和土层类。

其中岩石类围岩的稳定性相对较好，其次是弱结构岩，土层类围岩则稳定性最差。

1.2 围岩支撑方式围岩支撑方式通常分为自稳支撑、锚杆网支撑和衬砌支撑。

自稳支撑适用于较稳定的岩石围岩，锚杆网支撑适用于中等稳定性的岩石和弱结构岩围岩，衬砌支撑则适用于稳定性较差的土层和软岩围岩。

1.3 掌子面稳定分析方法在分析掌子面稳定性时，需要考虑地质条件、地应力状态和围岩摩擦角等因素。

常用的分析方法包括理论分析法、数值模拟法和实际采样测试法等。

二、支护设计在进行支护设计时，需要结合围岩的稳定性分析结果，选取适当的支护方式和支护措施。

2.1 支护方式根据掌子面稳定情况和围岩性质选择合适的支护方式。

自稳支护方式多采用短杆、锚短杆、锚索等方式；锚杆网支护方式多采用锚索网、网壳、锚索墙等方式；衬砌支护方式多采用钢筋混凝土衬砌或机械衬砌等方式。

2.2 支护措施根据围岩性质、地下水和地震等因素，选择合适的支护措施。

一些常用的措施包括喷射混凝土、爆破充填、拱形截面等。

三、结论在进行隧道建设时，围岩掌子面稳定性分析和支护设计是非常重要的环节。

通过合理的围岩支撑方式和支护措施，可以使隧道建设过程更加安全、顺利。

在未来的工程实践中，还需要不断地进行技术改进和优化，以更好的满足隧道建设的需求。

工程技术哈尔滨地铁工程掌子面及隧道洞身稳定性研究全强1郭文静2史培贺2（1.哈尔滨地铁集团有限公司黑龙江哈尔滨150080；2.山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061）摘要：本文依托哈尔滨地铁粉质黏土隧道工程，基于超前小导管的支护作用，并根据围岩亚级划分的标准，建立了双参数下超前小导管支护的弹性地基梁受力模型，开展了超前小导管支护下的隧道掌子面稳定性评估，并基于收敛约束法进行了隧道开挖过程中不用支护情况的弹塑性二次应力状态分析，开展了隧道洞身稳定性及衬砌结构稳定性评价。

关键词：超前小导管掌子面稳定性收敛约束法隧道洞身稳定性中图分类号：U231.3文献标识码：A文章编号：1674-098X(2021)10(b)-0029-05Research on Excavation Face and Tunnel Stability ofHarbin Metro EngineeringQUAN Qiang1GUO Wenjing2SHI Peihe2(1.Harbin Metro Group Co.,Ltd.,Harbin,Heilongjiang Province,150080China;2.Geotechnical andStructural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan,Shandong Province,250061China)Abstract:Based on the silty clay tunnel project of Harbin metro,based on the support effect of advance small conduit and the standard of sub grade classification of surrounding rock,the mechanical model of the double-parameter elastic foundation beam supported by the leading ductile was established,and the stability evaluation of the excavation face under the action of the leading ductile was carried out.Based on the convergence constraint method,the elastic-plastic secondary stress state without support during tunnel excavation is analyzed as well,and the stability of tunnel body and lining structure are evaluated.Key Words:Leading ductile;Stability of the excavation face;Convergence constraint method;Stability of the surrounding rock隧道掘进过程中，掌子面和围岩的变形是影响隧道开挖过程中围岩稳定性的重要因素，所以保证掌子面及围岩的稳定性对施工安全至关重要。

地铁隧道掌子面支护稳定性分析与安全评价研究随着城市的不断发展，地铁系统已然成为了城市公共交通的主要组成部分。

伴随着地铁系统的各项建设，地铁隧道的建设更是成为了整个系统中不可或缺的一部分。

地铁隧道的建设不仅可以有效地解决城市交通的拥堵问题，同时也有效地改善了城市运输的效率和人们的出行质量。

而地铁隧道建设中的一个重要问题便是如何保证隧道的掌子面支护稳定性。

本文将对地铁隧道掌子面支护稳定性进行分析研究并进行安全评价。

一、隧道掌子面支护形式地铁隧道中的掌子面支护主要有两种形式，分别是钢撑和玻璃钢带。

其中钢撑是使用较为广泛的掌子面支护方式，但钢撑在施工过程中需要不断加强长杆靠架的支撑，在施工过程中施工效率较慢，同时在后期维护中也会增加一定的难度。

相比之下，玻璃钢带掌子面支护更为轻便、便于施工和维护，且具有较好的防腐和节能效果，成为地铁隧道掌子面支护的主要发展方向。

二、掌子面支护稳定性影响因素地铁隧道掌子面支护稳定性受众多因素的共同影响，主要包括岩层性质、施工方式、围岩地应力状态、支护形式和支护结构等。

其中，岩层性质直接影响着地铁隧道的掌子面支护稳定性，特别是在软弱围岩的情况下更为明显。

同时在施工过程中，施工方式的合理选择和控制也对隧道掌子面支护稳定性有重要影响，地铁施工中切削方式和施工时间也是影响隧道掌子面支护稳定性的重要因素之一。

三、掌子面支护稳定性评价方法地铁隧道掌子面支护稳定性的评价主要包括人工评估和数值计算方法两种形式。

人工评估方法主要是根据工程施工经验及现场观测，通过判定隧道支护稳定性来进行安全评价，但这种方法缺乏科学性和准确性。

相比之下，数值计算方法更为准确，主要是基于有限元和边界元方法进行的，能够在模拟工程施工过程中出现的各种突发情况时进行定量评估，更为科学准确。

四、掌子面支护稳定性分析针对地铁隧道掌子面支护稳定性分析，本文将以某地铁工程施工过程中的掌子面支护稳定性问题为例进行分析。

过程中使用玻璃钢带作为掌子面支护，针对可能出现的隧道收敛、支护系统承载能力和隧道周围地层的变形等问题进行具体分析，并基于有限元方法进行的安全评价，得到的评价表明该地铁工程的掌子面支护稳定性较为稳定，符合相关要求。

深埋软岩隧道掌子面变形控制研究以陕西汉中新茨沟隧道工程为背景，研究不同支护参数、不同台阶长度、不同台阶高度 3 种情况下隧道掌子面变形规律。

通过三维数值模拟和现场监测数据分析得出以下结论：对于深埋软岩隧道，掌子面挤出变形量大，变形速度快；掌子面挤出变形受初期支护参数和上台阶断面开挖高度影响显著，实际施工过程中应通过加强初期支护参数和减小上台阶高度控制掌子面变形，确保隧道整体稳定。

标签：深埋软岩隧道；掌子面变形；控制0 引言软弱围岩的显著特征就是质软、结构松散、岩体稳定性差，软岩隧道在施工过程中经常遇到围岩变形量过大、初期支护严重变形而导致侵限严重、掌子面变形过大而导致局部坍塌、频繁设计变更等问题。

因此，软岩隧道的变形特征和稳定性控制一直是当前隧道工程界研究的热点问题之一。

目前，国内专家学者主要采用理论分析、数值模拟、室内实验以及现场监测等手段，研究软岩隧道的施工力学行为。

受目前监测技术和认识水平的限制，对于深埋软岩隧道的研究重点主要集中在隧道开挖后的洞周变形上，而对于掌子面变形的研究相对较少。

工程实践中对于深埋软弱围岩来说，有效控制掌子面的变形才是保证隧道整体稳定的关键。

本文以新茨沟隧道为工程背景，通过对不同支护参数、不同台阶长度、不同台阶高度 3 种工况进行三维数值模拟，得出隧道掌子面变形规律，将三维数值模拟结果用于指导现场施工。

1 工程概况新茨沟隧道位于汉江右侧中、低山区，隧道起止里程为DZK219+840～DZK220+737，全长897 m，隧道最大埋深215 m，隧道洞身穿越地层主要为第四系坡积层、志留系下统片岩，为深埋软岩隧道。

本隧道在施工过程中遇到的主要地质问题为炭质片岩，炭质片岩为软弱围岩，片状构造发育，地层产状多变，褶曲发育，受构造挤压作用明显，岩体从破碎至极破碎，开挖中容易产生坍塌。

DZK220+525～DZK220+669 段原设计为Ⅴ级一般围岩，采用1 榀/m 的格栅钢架支护，初期支护厚度为22 cm，现场实际施工过程中，掌子面变形过大而导致局部坍塌，初期支护严重受损破坏并侵限。

铁路凝灰岩隧道掌子面稳定性控制技术研究发布时间：2021-09-08T06:25:45.649Z 来源：《城镇建设》2021年第4卷4月第12期作者：王林俊[导读] 实际施工中再结合合理调整开挖工法，加强施工组织，使围岩快挖、快支、快封闭，最大限度的保证掌子面稳定。

王林俊 (中铁十七局集团第二工程有限公司，西安 710038) 摘要：大临铁路白石头隧道通过软弱凝灰岩地层，围岩易风化崩解，遇水软化，掌子面开挖后围岩极不稳定，开挖后易出现溜塌现象。

结合围岩松动圈理论对凝灰岩隧道掌子面围岩变形机理进行分析，提出将靠近掌子面一环垂直打设的系统锚杆调整为斜向打设，通过FLAC3D数值计算软件模拟初期支护和施工倾斜系统锚杆措施条件下围岩的受力状态，计算得出倾斜系统锚杆可显著增强初期支护与围岩的耦合性，可以减小围岩所受的剪切应力，进而起到控制围岩失稳的作用，有效控制掌子面稳定。

实际施工中再结合合理调整开挖工法，加强施工组织，使围岩快挖、快支、快封闭，最大限度的保证掌子面稳定。

关键词：凝灰岩掌子面溜塌倾斜系统锚杆 FLAC3D 稳定性中图分类号：文献标识码：Design and application of new positioning fixture for water stop belt of tunnel low side wall Wang linjun (China Railway 17th Bureau Group 2th Engineering Co., Ltd., Xian 710038, China) Abstract: The baishitou tunnel of Dalin railway passes through the weak tuff stratum. The surrounding rock is easy to be weathered and disintegrated and softened when meeting water. The surrounding rock is extremely unstable after excavation, and it is easy to slide after excavation. Combined with the theory of surrounding rock loose circle, the deformation mechanism of surrounding rock on the face of tuff tunnel is analyzed. It is proposed that the system bolt set vertically near the face should be adjusted to the oblique direction. The stress state of surrounding rock under the conditions of initial support and construction inclined system bolt measures is simulated by FLAC3D numerical calculation software, The results show that the inclined system bolt can significantly enhance the coupling between the initial support and surrounding rock, reduce the shear stress of surrounding rock, and then control the instability of surrounding rock, and effectively control the stability of tunnel face. In the actual construction, the excavation method should be adjusted reasonably, and the construction organization should be strengthened, make the surrounding rock fast excavation, fast support, fast closureso, as to ensure the stability of the tunnel face to the maximum extent. Key Word: Tuff tunnel face collapse inclined system anchor FLAC3D stability引言随着铁路建设的快速发展，逐渐向偏远地质条件复杂的山区延伸，遇到的复杂地质情况越来越多，因此施工中由不良地质引起的工程难题也越来越多。

哈尔滨地铁工程掌子面及隧道洞身稳定性研究近年来，随着城市化进程的加速推进，越来越多的大中城市开始规划和建设地铁交通系统。

作为我国东北地区的重要经济中心和交通枢纽城市，哈尔滨也开始了地铁建设工程，以提升城市交通效率和改善居民出行条件。

随着哈尔滨地铁建设的展开，掌子面及隧道洞身的稳定性成为了工程施工的重要问题之一、为了确保地铁运营的安全性和可靠性，必须进行科学的研究和分析，以保证隧道洞身的稳定性。

首先，我们需要对掌子面进行研究和探讨。

掌子面是地铁隧道中的一种重要结构形式，其作用是通过两个面板和上部拱顶来支撑和分散地下水平荷载。

对掌子面的稳定性研究旨在确定掌子面设计的合理参数和施工工艺，以确保隧道洞身的力学性能满足工程需求。

具体的研究内容包括：掌子面结构的稳定性分析、掌子面承载力的计算、材料力学性能的测试和分析等。

其次，隧道洞身的稳定性研究是地铁工程中不可忽视的问题。

因为地铁隧道是在地下进行施工的，地下水体、地质构造和地下建筑物等因素都会对隧道洞身的稳定性产生影响。

因此，我们需要从地质勘察、潜水位测量以及地下水压力分析等方面入手，全面了解隧道洞身的地质和水文条件，以制定合理的工程方案。

同时，还需要对隧道洞身的变形性能进行研究，包括荷载-位移关系的分析、地下水渗流对洞身变形的影响分析等。

为了进行以上研究，我们可以采取多种科学手段和方法，包括数值模拟、物理模型试验和现场监测等。

数值模拟可以通过有限元方法对结构进行力学仿真，以分析和评估不同工况下的稳定性。

物理模型试验可以通过缩小比例建立模型，模拟实际工况来验证数值结果。

现场监测可以通过传感器、测量仪器等设备对隧道洞身进行实时监测，以获取实际工况下的数据。

综上所述，哈尔滨地铁工程的掌子面及隧道洞身稳定性研究是地铁建设工程中的重要问题。

通过对掌子面和隧道洞身的深入研究和分析，我们可以提出合理的工程设计和施工方案，以确保地铁的安全运营。

这不仅对于哈尔滨地铁的建设具有重要意义，也对于其他城市地铁建设工程具有一定的参考价值。

基于强度折减法的隧道掌子面稳定性及破坏形态安永林;欧阳鹏博;岳健;胡文轩【摘要】为了获得掌子面的稳定性及临界失稳破坏形态,依托武广客运专线浏阳河隧道某断面里程位置的情况,建立数值模型,基于强度折减法的原理,从掌子面中心点水平位移、最大塑性应变、塑性区面积/隧道面积等随折减系数的变化,获得掌子面的临界稳定安全系数,得到掌子面的塑性区分布及破坏形态,并同现场监测及相关研究做了对比.结果表明:该隧道的掌子面的稳定安全系数为2.8,与实际情况较吻合;破坏形态是在掌子面斜上方一个火焰形状的区域,未发展至地表,与已有的相关试验有所不同,主要是因为掌子面围岩失稳既有黏聚力的影响,也有内摩擦角的影响.【期刊名称】《矿业工程研究》【年(卷),期】2018(033)001【总页数】6页(P39-44)【关键词】隧道工程;强度折减法;掌子面稳定;破坏形态【作者】安永林;欧阳鹏博;岳健;胡文轩【作者单位】湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学岩土工程稳定控制与健康监测省重点实验室,湖南湘潭411201;湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭411201【正文语种】中文【中图分类】U453.2掌子面失稳而发生隧道坍方的事故很多,如广深港客运专线狮子洋隧道、合宁铁路亭子山2号隧道、宝中铁路堡子梁隧道等[1,2].因此,隧道掌子面的稳定性问题得到了很多学者和工程界的关注和研究.目前隧道稳定性的研究工作主要采用数值模拟方法、理论解析法、极限平衡法、模型试验、极限分析法等[3-5].数值分析[6，7]主要目的是研究围岩与支护结构的塑性区、应力、应变和位移等变化情况,进而评价隧道开挖稳定性,其中为了细化围岩的安全性,一部分学者提出了隧道屈服接近度的概念;为了得到整体稳定性,把强度折减法应用隧道稳定性分析中.解析法[7]多用于圆形隧道的求解,对于洞室是非圆形时,就需要通过保角变换将单位圆外域映射到洞室外域.在进行围岩稳定性分析时,采用复变函数进行围岩应力与变形计算,能得出弹性解析解;而洞室的映射函数是问题的求解关键.在围岩稳定分析中,解析法适用于边界条件较为简单及围岩不复杂的情况.极限平衡法[8]是将破坏区域划分成若干刚性体,通过建立刚性体之间的静力平衡方程,求解系统的安全系数或外荷载.根据分块不同,又有条分法、瑞典圆弧法等.模型试验方法[9,10]主要有离心模型试验、重力场模型试验和现场试验监测.一些学者应用离心机试验研究了隧道支护压力和变形,用X射线CT扫描技术记录了不同参数下的隧道开挖面破坏形状的三维图像.极限分析[3,11]在岩土的3大问题:边坡稳定性、土压力、地基承载力等方面已有了广泛应用;近几年,也开始应用于隧道的极限支护压力、山岭隧道围岩压力、围岩稳定性等方面[12-15].本文借用边坡稳定性分析中的强度折减法,分析隧道掌子面的纵向稳定性,得到相应的安全系数,并获得临界的破裂面形状.1 强度折减法分析隧道掌子面稳定性原理1.1 强度折减法及掌子面稳定安全系数定义在计算隧道掌子面稳定安全系数时[11],首先按式(1)将围岩强度参数粘聚力c和内摩擦角φ值同时除以一个折减系数F得到一组新的c′,φ′值,然后作为新的材料参数输入,再进行试算;当达到隧道失稳标准时,对应的F被称为隧道掌子面的最小稳定安全系数.(1)式中:F 为折减系数;c为围岩黏聚力;φ为围岩内摩擦角;c′为按F值折减后的黏聚力;φ′为按F值折减后的内摩擦角.1.2 隧道掌子面失稳判据粘聚力c和内摩擦角φ折减多少,才能判断隧道掌子面失稳,是获得隧道掌子面稳定安全系数的关键.相关研究有以等效塑性应变贯通作为临界失稳判据,也有以计算不收敛作为判据的[4,16].本数值模拟分析中以特征部位掌子面中心位移、最大塑性应变和塑性区面积与隧道面积之比的突变性或不收敛性、塑性区是否贯通作为隧道掌子面失稳的判剧[16].2 依托工程概况与数值模拟分析2.1 工程概况与数值模型建立浏阳河隧道位于武广客运专线长沙市东部,捞刀河以南,止于黎托乡平阳村.隧道长度10 115 m,起讫里程DIIK1560+785～DIIK1570+900.模拟分析断面里程位置为DIIK1563+375.该段是V级围岩(物理力学参数,弹性模量80 MPa,泊松比0.38,重度25.2 kN/m3,粘聚力50 kPa,内摩擦角34°),采用3台阶法开挖,初期支护中工字钢采用I20a间距0.6 m,喷射混凝土C25厚25 cm,超前小导管Φ42 mm,长度3.5 m.数值模型见图1,边界条件是顶面和洞内开挖掌子面为自由面,模型左边、右边和模型底面约束方向位移,洞内上部和下部约束法向位移.本文主要是考虑初期支护稳定的情况下,研究掌子面的稳定性及临界破坏形态;同时为简化计算,取二维进行分析.屈服模型采用Mohr-Coloumb准则,强度折减系数如表1所示.为了快速获得临界折减系数,同时减少试算的模型,强度折减系数按0.5进行递增,当发现特征部位的监测指标发生突变,则在该折减系数和上一折减系数之间按0.1的递增进行折减.表1 强度折减系数折减系数1.01.52.02.52.62.72.82.93.03.5c/kPa50.033.325.020.019.218.517.917.216.714 .3φ/(°)34.024.218.615.114.514.013.513.112.710.9注:表中阴影部分表示在2.5和3.0折减系数按照0.1增加图1 数值模型(单位:m)2.2 判据指标随折减系数的变化不同判据指标与折减系数的关系见图2和图3.1)整体上,掌子面中心的位移、最大塑性应变、塑性区面积/隧道面积均随折减系数的增加而增大,但各自增加的梯度不一样,其中塑性区面积增加的梯度最大,这是因为强度指标c和φ直接影响到围岩的屈服准则,c和φ强度指标越低,越易屈服.2)当折减系数大于2.8时,梯度增加的最快,而当折减系数大于2.9时,梯度变缓,特别是对于最大塑性应变和掌子面中心点位移的梯度是随折减系数降低的.因此,可以认为隧道掌子面的稳定安全系数为2.8.图2 不同指标同折减系数的关系曲线图3 不同指标梯度同折减系数的关系曲线2.3 塑性区随折减系数的变化塑性区随折减系数的变化如图4所示.1)塑性区首先是发生在掌子面前方的半圆处,这与开挖面的顶部和底部的约束有关;随着折减系数的提高,塑性区不断向前方扩展,同时向拱顶和底板延伸,拱顶塑性扩展速度要大于底板的;折减系数小于2.0时,只可能出现掌子面小范围的坍塌.2)折减系数2.5时,拱顶上方塑性区贯通,折减系数2.8时,小部分塑性区贯穿到地表,很有可能出现冒顶坍方;折减系数3.5时,此时隧道上方出现大面积贯通地表的塑性区,这很有可能导致大范围的坍塌.同时折减系数3.5时,在掌子面的右下方45°方向也出了一定的塑性应变,这是由于剪切应力所引起的.图4 不同折减系数下塑性区分布形态2.4 围岩临界破坏时形态折减系数为2.8时的围岩位移矢量及沉降图,如图5所示.1)围岩临界破坏时,掌子面附近围岩的速度要比别的地方大的多,最大位移集中在掌子面中心位置,此处也是受隧道开挖周边约束最弱的地方.2)围岩破坏范围在掌子面上部斜上方的一个火焰形状内,坍方未发展至地表.图5 围岩破坏形态3 结果合理性的分析3.1 稳定安全系数合理性分析图6 拱顶沉降时程曲线数值模拟所得的安全系数为2.8,表明掌子面具有较大的安全性,不会发生失稳坍方.这与该地段的现场和监测情况是一致的,如掌子面观察是稳定的,拱顶沉降监测值也较小(见图6),表明强度折减法所得的稳定安全系数较合理.3.2 临界破坏形态的合理性分析Chambon通过离心试验,得到不同埋深下无粘性土的破坏模式如图7a,Mair和Taylor总结已有的试验结果,认为破坏模式如图7b所示[3].浏阳河隧道DIIK1563+375的围岩不是纯粹的无粘性土(如砂土),也不是纯粘土,该地段围岩既有内聚力,也有内摩擦角,同时,按照规范坍落拱判断深浅埋的方法,该地段属于深埋,所以不会坍塌至地表,上方的部分荷载通过拱效应,传递到两侧,破坏形状即没有砂土的陡峭,也不像粘土的范围很大.图7 其他学者提出的围岩破坏形态4 结论1)隧道掌子面的稳定安全系数为2.8,具有较高的安全性.2)围岩从稳定到失稳是一个渐进过程,首先掌子面处围岩发生破坏,然后向前上方扩展,最终破坏范围集中在掌子面斜上方的一个火焰形状内,未发展至地表.参考文献:【相关文献】[1] 胡亚峰,董新平,马晓良,等.浅埋软弱地层隧道施工中掌子面稳定性研究[J].地下空间与工程学报,2013,9(6):1368-1373.[2] 宁文国.基于隧道开挖空间效应的掌子面坍塌分析[J].山西建筑,2013,39(28):138-140.[3] 杨峰.浅埋隧道围岩稳定性的极限分析上限法研究[D].长沙:中南大学,2009.[4] Li Y, Emeriault F, Kastner R, et al. Stability analysis of large slurry shield-driven tunnel in soft clay[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2009,24(4):472-481.[5] Ibrahima E, Soubra A H, Mollon G, et al. Three-dimensional face stability analysis of pressurized tunnels driven in a multilayered purely frictional medium[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2015,49(1):18-34.[6] 柳群义,朱自强,钟正强,等.基于Hoek-Brown准则的隧道围岩屈服接近度分析[J].岩土力学,2009,30(8):2247-2251.[7] 张黎明,郑颖人,王在泉,等.有限元强度折减法在公路隧道中的应用探讨[J].岩土力学,2007,28(1): 97-102.[8] Nomikos P P, Sofianos A I, Tsoutrelis C E. Symmetric wedge in the roof of a tunnel excavated in an inclined stress field[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2002, 39(1):59-67.[9] Loganathan N, Poulos H G, Stewart D P. Centrifuge model testing of tunnelling-induced ground and pile deformations[J]. Geotechnique, 2000, 50(3):283-294.[10] Bilotta E, Taylor R N. Centrifuge modelling of tunnelling close to a diaphragm wall[J]. 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砂-黏复合地层中隧道掌子面的稳定性研究
胡健
【期刊名称】《建筑机械》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】针对砂土与黏土交替的复合地层中隧道开挖易诱发掌子面及周边地层变形较大甚至失稳等问题,文章以某车站横通道工程为依托,建立三维数值模型,分析了开挖过程中超前小导管支护下的掌子面变形特性,并探讨了开挖步长、超前小导管的倾角及长度对掌子面稳定性的影响。

结果表明,掌子面中心处的整体变形大于周边部位;变形会随着开挖步长增大而增大;存在最优的超前小导管的倾角和长度,使得掌子面变形最小。

研究成果可指导采用超前小导洞支护的隧道工程施工,对施工参数的优化有参考意义。

【总页数】5页(P189-193)
【作者】胡健
【作者单位】中交二航局第四工程有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U455.49
【相关文献】
1.砂卵石地层矿山法施工隧道掌子面稳定性评价方法
2.饱水砂性地层隧道掌子面稳定性分析
3.富水砂-黏复合地层大断面暗挖隧道的施工力学特性
4.砂卵石地层盾构
隧道掌子面稳定性理论分析5.基于拟静力法下复合地层盾构隧道掌子面稳定性分析
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