基于极限分析理论的隧道掌子面稳定性评估

巡视日期：年月日
新田隧道掌子面稳定性巡视检查记录巡视人时间掌子面里程
左洞掌子面
稳定情况
右洞掌子面
稳定情况
备注
说明：主要记录掌子面围岩级别；掌子面周边拱架有无变形、下沉；掌子面有无裂缝及坍塌的可能性；有无突泥突水、溶洞等异常。

新田隧道掌子面稳定性巡视检查记录
巡视人时间掌子面里程
左洞掌子面
稳定情况
右洞掌子面
稳定情况
备注
说明：主要记录掌子面围岩级别；掌子面周边拱架有无变形、下沉；掌子面有无裂缝及坍塌的可能性；有无突泥突水、溶洞等异常。

隧道掌子面稳定性分析的一种简化方法顾博渊;白浪峰;徐平;刘燕鹏【摘要】为提出一种快速、准确评估软弱围岩隧道浅埋段掌子面稳定性的计算方法,在基于楔形块体理论对掌子面稳定性进行分析的基础上,得到一种分析隧道掌子面稳定性的简化方法;采用该方法对黑山南北高速KOSMAN隧道项目的掌子面稳定性进行计算分析.现场实际情况和计算结果表明,该方法具有快速、简便、实用等优点,能够及时、有效地为现场施工提供技术指导,可为今后类似项目提供参考.【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】6页(P129-134)【关键词】隧道工程;掌子面;稳定分析;楔形块体理论【作者】顾博渊;白浪峰;徐平;刘燕鹏【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075【正文语种】中文【中图分类】U455.420 引言近年来，在中国经济快速增长的背景下，国家对交通行业大力投入，使中国公路交通行业得到了迅猛发展。

截至2016年底，中国隧道共计23 707.9 km、19 516处，较2015年增幅分别达到10.99%、9.10%，无论是长度还是数量都已位居世界第一。

随着隧道总长和数量的全面增长，隧道修建过程中遇到穿越软弱破碎围岩[1-2]和古滑坡体[3-4]等不良地质现象的隧道工程实例不断增加。

在这些地区修建隧道时，如何控制掌子面稳定并采取及时、有效的预加固措施一直是隧道工程设计和施工领域的一大难点。

目前，隧道掌子面稳定分析已经引起广大隧道工作者的关注，并在理论分析、数值计算两方面得到很多有益的成果[5-11]。

在理论分析方面，Müller-Kirchenbauer提出掌子面微稳定模型，主要适用于由颗粒状物质构成的掌子面稳定分析，此种围岩具有非常低的黏聚力。

穿越断层破碎带时隧道掌子面稳定性分析苏先锋;骆阳【摘要】对于穿越断层破碎带段的隧道,其施工难度大,风险高,在施工中会遇到各种复杂的问题,其中最突出的问题是掌子面的稳定性问题.针对这一现状,文章基于3DEC数值模拟,对穿越断层破碎带掌子面的稳定性进行系统分析,分析不同位置处隧道掌子面的稳定情况,对保证隧道断层破碎带段的施工安全意义重大.【期刊名称】《四川建筑》【年(卷),期】2018(038)005【总页数】3页(P84-86)【关键词】隧道;断层破碎带;掌子面;3DEC数值模拟【作者】苏先锋;骆阳【作者单位】西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031【正文语种】中文【中图分类】U456.3+1随着我国高等级公路建设的迅猛发展，出于隧道工程线型的要求，越来越多的隧道需穿越断层破碎带。

断层破碎带内岩体一般松散破碎、自稳能力差，容易发生塌方事故。

因此，研究断层破碎带对隧道施工塌方的影响及工程对策有重要的理论和实际意义。

本文通过3DEC数值模拟方法，对隧道穿越断层破碎带进行了三维离散元分析，得出了隧道穿越断层破碎带过程中的各个位置掌子面位移变化特征。

1 掌子面稳定性研究现状围岩稳定性问题是隧道施工安全的重要前提，在地形、地貌及地质条件复杂的西部地区修建长大隧道工程将会遇到更多的不良地质条件，施工中极易引发塌方、突涌水等灾害事故。

在各种不良地质条件中，断层破碎带是重要的地质灾害源[1]。

周森[2]等人利用Matlab编制计算程序进行优化求解，通过算例得到了不同边界条件下维持浅埋隧道掌子面稳定所需支护反力系数，解释了浅埋隧道掌子面失稳机理；常乔磊[3]采用3DEC计算模拟了不同断层参数，如断层倾角、倾向、宽度对围岩变形的影响；刘健[4]采用ABAQUS分析了不同埋深情况下掌子面的稳定情况。

研究所用软件为Matlab、ABAQUS和FLAC3D，数值模拟没有考虑岩体的节理、裂隙对围岩变形的影响，而采用3DEC计算的例子中几乎很少有涉及到掌子面和断层同时研究的情况，所以本次采用离散元软件3DEC，进行隧道穿越断层破碎带过程中的各个位置掌子面位移变化特征分析。

第 54 卷第 4 期2023 年 4 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.4Apr. 2023分层土中盾构隧道掌子面极限推力研究傅鹤林，吴疆，邓皇适，陈足(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)摘要：在盾构隧道开挖过程中，掌子面受力十分复杂，盾构机对掌子面的推力对维持掌子面前方土体的稳定起着关键性作用，为此，基于筒仓理论和极限平衡法，改进传统楔形体模型，考虑盾构隧道掌子面处土体分层对掌子面极限推力的影响，建立折线型滑动模型，推导掌子面极限推力的计算公式。

依据实际工程建立相应的数值模拟模型，并对计算公式中各参数敏感性进行分析。

研究结果表明：考虑掌子面土体分层时极限推力的数值模拟解与由本文所得公式计算的理论解误差很小，验证了本文所述模型和计算方法的可靠性与准确性；掌子面极限推力随隧道埋深和直径增加而增大；分层土中引起极限推力变化的主要土体是上层软弱土；盾构直径越大，土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响越大，且内摩擦角对极限推力的影响更显著；当盾构直径较小时，土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响较小。

关键词：分层土；极限推力；筒仓理论；极限平衡法；折线型滑动模型中图分类号：U45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）04-1370-09Research on ultimate thrust of shield tunnel face in layered soilFU Helin, WU Jiang, DENG Huangshi, CHEN Zu(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)Abstract: During the excavation of a shield tunnel, the force on the tunnel face is very complicated, and the thrust of the shield machine on the face plays a key role in maintaining the stability of the soil in front of the tunnel. Based on the silo theory and limit equilibrium method, the traditional wedge-shaped model was improved, and the influence of the layered soil at the face on the ultimate thrust was considered. A broken-line sliding model was established, and the calculation formula for the ultimate thrust of the face was deduced. The corresponding numerical simulation model was established based on the actual project. The results indicate that when considering the stratification of the palm soil mass, the numerical simulation solution of the ultimate thrust force is very close to the theoretical solution obtained by the caculation formula in this paper, which verifies the reliability and收稿日期： 2022 −06 −10； 修回日期： 2022 −08 −25基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51538009)；贵州省科技计划项目([2020]2Y035) (Project(51538009)supported by the National Natural Science Foundation of China; Project([2020]2Y035) supported by the Science and Technology Plan Program of Guizhou Province)通信作者：傅鹤林，博士，教授，从事隧道与地下工程研究；E-mail ：**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.04.015引用格式： 傅鹤林, 吴疆, 邓皇适, 等. 分层土中盾构隧道掌子面极限推力研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(4): 1370−1378.Citation: FU Helin, WU Jiang, DENG Huangshi, et al. Research on ultimate thrust of shield tunnel face in layered soil[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(4): 1370−1378.第 4 期傅鹤林，等：分层土中盾构隧道掌子面极限推力研究accuracy of the model and calculation method described in this paper. The numerical solution is very different from the calculation result when the soil layering at the face is not considered, indicating that the soil layering at the face has great influence on the ultimate thrust of the face, which cannot be ignored in the calculation and proves the rationality of the model in this paper. The ultimate thrust of the face increases with the increase of the buried depth and diameter of the tunnel, the main soil mass that causes the ultimate thrust change in the layered soil is the upper soft soil. The larger the shield diameter, the greater the influence of soil cohesion and internal friction angle on the ultimate thrust, and the more significant the influence of internal friction angle. When the shield diameter is smaller, the two influences on the ultimate thrust are smaller.Key words: layered soil; ultimate thrust; silo theory; limit equilibrium method; broken-line sliding mode在盾构隧道开挖过程中，掌子面推力对保持盾构机前方土体平衡起着极其重要的作用，推力过大和过小都会对上方建构筑物产生严重的不良影响，因此，研究盾构隧道掌子面极限推力具有十分重要的理论价值和经济价值。

隧道设计中的应力分析与稳定性评估隧道设计是一项复杂而又关键的工程任务，其中应力分析与稳定性评估是不可或缺的一部分。

隧道的稳定性评估主要包括隧道内部的应力分布分析、挡土结构的设计和地下水的流动分析等方面。

本文将从应力分析和稳定性评估两个角度来探讨隧道设计中的关键问题。

在隧道设计中，应力分析起着决定性的作用。

应力分析是通过对隧道内部的力学特性进行研究，来确定隧道四周的应力分布情况。

这种分析需要考虑岩石的强度、应力状态、岩层的断裂及褶皱等方面。

隧道设计师需要利用这些信息来确定隧道结构的稳定性，并选择合适的支护措施来保证隧道的安全。

在进行应力分析时，设计师首先需要考虑的是隧道的地质情况。

不同的地质条件会对应不同的应力状态，从而直接影响到隧道的稳定性。

例如，在岩层中存在大量断裂和褶皱的地区，隧道的应力状态可能会比较复杂，设计师需要通过精确的力学计算来确定应力分布，并据此确定支护措施。

此外，设计师还需要考虑隧道的围岩强度。

围岩的强度决定了隧道的稳定性，因此需要进行详尽的实地勘查和岩石力学实验。

通过这些数据，设计师可以确定围岩的强度参数，并据此进行应力分析。

如果围岩的强度较低，设计师可能需要采取加固措施来提高隧道的稳定性。

除了应力分析，稳定性评估也是隧道设计中至关重要的一环。

稳定性评估主要包括挡土结构的设计、地下水的流动分析和隧道排水系统设计等方面。

挡土结构的设计涉及到隧道外部的土壤和岩石的稳定性，设计师需要考虑土壤和岩石的内聚力、摩擦角等参数，并合理选择挡土结构的类型和尺寸，以确保隧道的稳定性。

地下水的流动分析是稳定性评估的另一个重要方面。

隧道施工过程中，地下水的流动会对土壤和岩石的稳定性产生影响，因此需要进行地下水的渗流计算和水压分析。

设计师需要了解地下水的水位变化规律和渗透性特性，并根据这些数据来确定相应的排水系统，以保证隧道施工过程中的安全性和稳定性。

总之，隧道设计中的应力分析与稳定性评估是确保隧道结构安全稳定的重要步骤。

盾构隧道开挖面稳定性分析发布时间：2021-04-16T13:57:09.287Z 来源：《基层建设》2020年第32期作者：邓畅[导读] 摘要：隧道开挖方法多种多样，但是目前的隧道开挖主要以盾构为主，虽然盾构施工方法对周围地层扰动最小，但是由于受到地质条件和施工工艺的影响，并非能够将完全避免对周围环境的扰动，因此经常会出现隧道开挖面稳定性被破坏，导致地面塌陷等破坏性的现象发展。

湖南工业大学湖南省株洲市摘要：隧道开挖方法多种多样，但是目前的隧道开挖主要以盾构为主，虽然盾构施工方法对周围地层扰动最小，但是由于受到地质条件和施工工艺的影响，并非能够将完全避免对周围环境的扰动，因此经常会出现隧道开挖面稳定性被破坏，导致地面塌陷等破坏性的现象发展。

因此分析盾构隧道开挖面稳定性具有一定的现实意义。

关键词：开挖面盾构隧道稳定性 1盾构隧道施工工艺1.1盾构施工法的发展历史盾构隧道开挖技术作为目前应对复杂地质条件，广泛运用于隧道开挖的较为成熟的施工工艺，主要是指借助盾构机在地下进行隧道开挖，在防止开挖面稳定性的同时确保开挖作业的安全性，进而实现隧道开挖的施工方法。

盾构施工法由稳定开挖面、盾构挖掘机和衬砌三个部分组成，最早源自于英国，后来随着盾构施工的广泛运用，迅速得以传播。

1.2盾构施工原理介绍按照开挖面与作业室之间隔墙的构造，可以将盾构机分为全开敞式、半开敞式和密封式三种。

全开敞式主要适用于开挖面稳定性较好的围岩，半开敞式主要特点在于隔墙中可以设置排出口，而密封式盾构机则需要通过传感器掌握掘削情况，主要有泥水式盾构机和土压式盾构机。

盾构施工过程主要分为以下步骤：一是在隧道开挖点建立供盾构安装的竖井或基坑；二是固定后的盾构机沿着涉及抽象，向另一端的设计孔洞进行推进；三是在地层中开挖时，盾构机会受到来自地层的阻力，需要借助盾构千斤顶将地层阻力由隧道衬砌结构船只竖井或季肯的后靠壁上；四是当盾构掘进达到预定设计孔洞时，进入竖井或基坑，完成挖掘。

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. 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