隧道掌子面

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。

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。

掌子面不良地质影响

工程地质是影响掌子面变形与稳定的客观因素。影响隧道掌子面变形的因素很多，不良地质条件是造成开挖面失稳塌方的基本因素，公路隧道作为一个典型的地下工程，施工过程中会遇到许多地质现象是不可预测的地质结构。不良地质主要是指滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、溶洞等地层，隧道穿越这些断层破碎带、堆积层、溶洞时，开挖后初始应力能快速释放，岩体在受力后产生变形、破坏，围岩不稳定，出现掉块和塌落，严重的就容易发生塌方。隧道开挖面稳定性的还有地层褶曲构造，隧道穿越向斜层，容易出现掉块坍塌，当平行褶曲地层时易产生偏压。总之，隧道围岩体的坚硬程度、完整程度和结构面特性对围岩的稳定性起着重要作用。

掌子面地应力的影响

当隧道开挖引起的应力重分布超过围岩强度，导致围岩产生过量有害变形，就容易造成隧道掌子面的失稳。应力重分布是否会超过围岩强度就看初始应力的大小和方向，所以地应力是控制掌子面围岩稳定的基本因素之一。地应力主要是由于岩体的重力和地质构造运动产生。地应力对隧道的影响主要看最大主应力与最小主应力的差值、主应力的大小和方向。隧道开挖引起地应力重分布，最大主应力过大，超过岩体屈服强度时，使岩体发生塑性变形，围岩自稳能力丧失；最小主应力过小，使得岩体出现应力松弛现象，变形得不到约束。地应力分布不

均匀，容易产生应力集中现象，围岩局部加速变形，最后导致整个掌子面坍塌。

掌子面地下水的影响

地下水是造成掌子面塌方的另一个重要原因。地下水是由地表水的渗透或地下水源补给的。地下水浸泡、冲蚀、溶解岩体，使岩体软化，促成了层间的滑动，加速岩石的变形位移，从而导致塌方；在某些围岩中，如灰岩、页岩为主的黏土岩中，遇水膨胀，在地下水作用下，结构面强度大大降低，使得围岩稳定性下降，加剧岩体的失稳和塌方。

围岩中富含地下水，既影响岩体的应力状态和蠕变力学特性，又会影响围岩的强度，进而影响隧道掌子面围岩的稳定性。这些不利作用主要表现在，隧道开挖过程中，随着新的开挖面的形成，地下水会产生一种静水压力，并对周围岩体产生向洞内运动的推动力；地下水的活动，会增加围岩的含水率和饱和度，侵蚀和泥化岩体，改变岩体的物理力学性质，降低了岩体的强度，隧道开挖后，引起掌子面围岩变形破坏，极易导致隧道涌水、失稳塌方等现象。

当有可能出现地下水导致塌方时，必须采取适当的方法及时控制地下水，避免情况的恶化。

掌子面尺寸形状影响

隧道断面尺寸和形状中，跨度影响较为显著，围岩级别相同，跨度越大，掌子面围岩的稳定性就越差，这是因为隧道的跨度越大，其切割的围岩结构面就越多，能够形成较多的不稳定块体，导致围岩易失稳。隧道的断面形状对围岩稳定性也有影响，矩形断面在夹角处容易形成应力集中，而圆形断面就不容易产生。