掌子面

隧道开挖过程中，掌子面围岩受力情况是不断的变化的。地层作为隧道的初始应力场，在压应力作用下，隧道开挖破坏了围岩原有的三向应力平衡，受力状态由三向变成近似二向，从而产生应力重分布，出现二次应力状态。在这一过程中，当二次应力大于部分围岩的塑限或强度极限时，围岩就会进入流变状态，出现显著的变形、破裂和松弛现象，表现出明显的地层压力效应，此时隧道需要采取支护措施，否则围岩会从薄弱处发生破坏，进而隧道掌子面失稳，最后导致隧道的坍塌；只有在二次应力量值没有超过围岩塑性和强度限值，围岩长期稳定，

位移不侵入限界时，隧道理论上才是不需要支护的。

研究发现，地层压力效应是造成隧道掌子面失稳的根本原因，地层压力效应是指隧道开挖后围岩二次应力与其变形强度特性相互作用而产生的一种力学现象。地层压力包括变形压力、膨胀压力和松动压力。变形压力是在二次应力作用下，围岩局部出现作用在支护结构上的塑性变形形成压力，或者是有明显的流变特性的围岩黏弹塑性变形形成的支护压力；膨胀压力是由于围岩体积膨胀引起的，在软岩隧道中，部分软岩（如泥灰岩）在开挖时，岩体遇水后发生膨胀变形，对支护产生了变形压力；松动压力是由隧道开挖后松动区的自重引起的，是松散的岩体直接作用在隧道支护结构上的作用力，一般出现在隧道的拱顶和侧墙，它的形成是由于隧道开挖后围岩应力重分布，围岩结构面因此而失去强度，成为不完整的松散体，在重力作用下产生滑移掉落。软弱围岩隧道掌子面失稳主要是这三种压力对围岩和支护结构作用的结果。当掌子面围岩强度无法抵抗地层压力，变形压力和膨胀压力过大，对隧道围岩会产生松动压力，引起掌子面的失稳。

一般的，软岩隧道开挖时，变形压力较大，使部分围岩进入流变变形阶段，出现塑性区并逐渐扩大。如果围岩强度高，即使在没有支护时，塑性区也不会一直扩大，在塑性区边界可以形成较高的应力。在软岩隧道中，由于岩体强度较小，当出现塑性大变形时，岩体出现破裂产生较大的松动压力，导致隧道失稳破坏。当设置了超前支护时，支护刚度产生抗力来抵抗前期变形压力，支护时间越早，超前支护上产生的抗力越大，塑性变形就越小；支护的越晚，超前支护上产生的抗力越小，塑性变形就越大。

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。

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。

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

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

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。