富水砂层隧道掌子面稳定性控制关键技术项目摘要

研究首先针对富水砂层中修建的隧道发生的各类涌砂塌方事故展开调查，分析事故原因，总结塌方规律。然后采用有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型，结合掌子面稳定的两个参数：掌子面挤出变形和极限约束压力，分析在不同水位压力和不同渗透系数条件下水的渗流对隧道掌子面稳定性的影响；接着开展多组土工试验，配置不同含水率的砂层进行直剪实验，得到粘聚力和内摩擦角两个强度参数，分析砂层含水率对砂层力学参数的影响，并将得到的强度参数输入到三维数值模型中进行力学计算，研究含水率对掌子面稳定性的影响，同时采用PFC3D软件建立颗粒离散元模型，综合采用新意法理论、摩尔库伦准则等理论及其指标，分析不同工法下，隧道掌子面变形规律特征，对掌子面稳定性进行评价，在评价结果的基础上，对隧道超前核心土体采取加固措施并评估加固效果。最后，进行三维模型试验，分析现场监控量测数据，对理论分析和数值计算结果进行验证，并得到最终结论。

隧道掌子面失稳将极大地危及施工人员和机械设备的安全。相关的研究问题包括掌子面稳定性评价和支护参数的设计。实际工程中，影响掌子面稳定性的因素往往频繁变化，因此，以极限分析、数值计算、模型实验为代表的传统方法在解决这类问题时的时效性和简易性方面不足。本研究针对这些问题，提出了八种方法，为设计和施工提供借鉴，主要内容包括：1.采用全面实验设计采集实验样本并通过强度折减计算标定。构建基于朴素贝叶斯的分类器。通过比较新样本稳定和不稳定后验概率的大小进行预测。2. 对于不确定性问题，通过蒙特卡洛采集一系列的样本，将每一个样本采用朴素贝叶斯分类器进行预测，根据采集样本中不稳定预测的数量得到失效概率。3.采用正交实验设计方法采集样本并标定。构建基于支持向量机的分类模型用于新样本的预测。采取集体学习机制降低预测误差。对于掌子面不稳定的情况，通过微幅调整隧道直径，逼近决策函数的临界值，得到台阶法最大开挖高度。4. 将蒙特卡洛和支持向量机分类器结合，并引入k-临近值法选择训练样本，构建基于未知样本的自适应决策边界，提高失效概率估算精度。5.将二分法和强度折减法结合，在确定的迭代区间内调整掌子面支护压力，直到其对应的强度折减系数逼近为零，从而得到极限支护压力。6. 采用极限分析和荷载乘子，在掌子面塌方方向施加单位荷载，求得其临界状态的荷载乘子，根据单位荷载与荷载乘子的乘机确定极限支护压力。7.将响应面嵌入二分法，在确定的迭代区间内调整支护压力，并计算其对应的可靠度指标，直到其与预设可靠度指标之差小于规定值。8.提出一种定义掌子面安全系数的公式，并通过极限分析和强度折减计算近似确定其中的两个变量，在输入任意支护压力时，即可通过公式计算安全系数，从而求解功能函数并得到可靠度指标。在确定的迭代区间内调整支护压力直到满足收敛条件。提出的方法可为富水砂层等软弱围岩中的隧道掌子面稳定性快速评价和支护压力设计提供借鉴。 2100433B

中文名称：掌子面

英文名称：tunnel face

定义： 所属学科： 水利科技（一级学科） ；岩石力学、土力学、岩土工程（二级学科） ；岩土工程（水利）（三级学科）

掌子面”是坑道施工中的一个术语，即开挖坑道不断向前推进的工作面，不是一个固定的面，开挖面有掌子面、边墙面和拱顶面，确切地说是正对着您的那个不断向前移动的工作面，英文叫heading.

掌子面就是已开挖和未开挖的岩层的分界面，比如隧道分台阶开挖，上部开挖里程为DK14 110，那么也可以说掌子面里程是DK14 1102100433B

从微观上看，隧道岩土体表现出固有的流变特性，从宏观上看，隧道掌子面围岩变形也有一定的规律，表现出特有的空间效应和时间效应。

隧道的开挖使得支撑隧道洞身的围岩被挖掉，掌子面后方出现临空，围岩应力重新分布，导致围岩向隧道净空方向变形。这种变形包括掌子面面内竖向、横向变形和面外纵向变形，一般根据变形的空间效应，将隧道围岩变形分为以下3种形态：掌子面前方变形、掌子面挤出变形、掌子面后方变形。软弱围岩隧道设置超前支护和初期支护的主要目的，就是抑制这些变形的发展，防止围岩出现围岩松弛现象。

①掌子面前方变形：

掌子面前方变形与围岩条件有密切关系。正常围岩条件下，前方变形约为总变形的20~30%；当围岩条件越差，其值越大，超过总变形的30%，甚至达到50%以上，如果不加以控制，这种变形将显著增加，容易发生掌子面拱顶坍塌，并带动掌子面周边变形的发展，导致隧道出现大变形。

掌子面前方变形主要表现为掌子面面内围岩的下沉和挤压；对于浅埋隧道，掌子面前方围岩的变形还可能会发展到地表，造成地表变形开裂，甚至发生坍塌冒顶。这种塌方严重危害隧道工程的建设。

②掌子面挤出变形：

隧道正前方掌子面的挤出变形主要表现为掌子面纵向水平鼓出，若这种变形不进行控制，掌子面纵向水平变形过大，则可能发生掌子面的挤出塌方。

③掌子面后方变形：

掌子面后方变形表现为隧道开挖后，出现拱顶下沉，洞周收敛变形。

掌子面灾变行为、碎屑流运动发展规律、围岩稳定控制是碎屑流隧道修建过程中关键科学问题。从碎屑流物质组成、结构特征入手，建立水—岩耦合作用的碎屑体（碎裂、散体）结构模型，标定碎屑体宏观参数与颗粒离散元细观参数对应关系；结合模拟试验，研究其孕育、演化、发展规律和成灾机理。采用水—岩耦合理论，探明水持续性作用下掌子面失稳模式、临界安全距离；围绕掌子面稳定，形成高位排水工法；研究掌子面挤出变形与稳定性关系，提出掌子面失稳判据。基于碎屑体赋存环境（作用力、富水）、物理力学性态（核心土）与工程作用（排水、预支护、开挖卸荷）相互作用方法，提出碎屑流灾害环境下围岩状态转变控制原理和方法，建立“排水—注浆—核心土预加固”成套掌子面稳定控制关键技术；结合现场多断面及复合体（地层—水压—支护）模型试验，建立碎屑流隧道合理支护结构体系；最终实现围岩状态由灾变到渐变甚至稳定的转变，形成碎屑流隧道灾害控制及修建技术。 2100433B