隧道掌子面稳定性控制理论研究(文献综述)

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1、隧道掌子面稳定性控制理论研究(文献综述)隧道掌子面稳定性控制理论研究摘要：随着现代交通的快速发展，地下工程建设项目越来越多，深埋、长大及偏压隧道的需求也日益增大。隧道在施工过程中频繁地遇到各种复杂的地质情况，而其隧道在穿越各种地层时也将遇到各种地质灾害。面对这种情况，隧道掌子面稳定性控制的研究显得十分重要。本文通过查阅国内外学者的研究成果，对掌子面周围土体及围岩、支护技术、信息处理技术和预测检测技术进行粗略地总结，对掌子面稳定性研究现状进行探讨，从中总结出掌子面稳定性研究的进步与不足之处。关键词：隧道掌子面稳定性支护技术预测与检测信息处理1前言中国是一个多山的国家

2、，其60%的全国面积属于山区和高原地区。在修建山区铁路时，隧道工程是必不可少的。随着科技水平的进步，隧道工程的技术水平也跟着提升了。尤其是在隧道现代化设计理念的提出，以及现代化机械设备和施工新技术的不断创新，实现了隧道工程的跨越式进步，其集中体现在城市地铁、长大深埋隧道、过江过海隧道等各类用途的地下工程及隧道工程。20世纪将成为人类向地下方向发展的世纪。而隧道工程的技术也将不断发展创新，同时也面临着各种新技术的挑战。隧道工程的发展正面临着开挖技术、支护技术和施工组织等方面的技术性问题。但是隧道工程实际上还是一个地质工程，在隧道的建设过程中，会遇到各种各样的地质环境

3、，同时在施工过程中也就产生了各种地质难题。比如，隧道在软弱破碎带时，其围岩具有稳定性差、受力复杂等特点，常常会形成软弱围岩大变形等地质灾害。而且围岩受力普遍复杂，围岩的应力分布及变化情况复杂，在隧道施工中都存在很多困难，常常造成塌方等安全事故。因此针对隧道施工的特点及地层围岩变形特性可知，隧道开挖面的稳定性是十分重要的。而一直以来，国内外的隧道工程因为掌子面失稳而发生的事故也屡见不鲜。国内的如2011年４月２０日，兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道在进行初期支护施工时，发生拱部局部坍塌，掌子面发生坍塌事故，坍塌部位距隧道洞口约３００米，塌陷纵深长约１３米，塌方土石约

4、２００－３００立方米，造成１２名现场作业人员被困;雅泸高速的泥巴山隧道，在隧道施工时，由于地下水的软化和腐蚀使得围岩强度下降且围岩内应力不断加大，致使钢拱架扭曲严重，甚至断裂，最后造成了长达20m的大塌方；国外的如日本惠那山隧道发生掌子面坍塌的事故。在未来几年里，我国将新开工的铁路、公路隧道工程将越来越多，因此隧道工程将穿越更多的破碎、松散的软弱围岩或土质层。尤其是对水文地质条件复杂的大断面浅埋软弱围岩隧道，在开挖过程中，掌子面的失稳问题给人们带来了惨痛的教训。对掌子面稳定性的控制研究越来越迫切。2掌子面稳定性的国内外研究现状2.1有关隧道掌子面的研究在隧道开挖之

5、后，掌子面的失稳已成为一种严重的地质灾害，对隧道工程的建设具有严重的影响。对此国内外的学者已做了不少研究，但对隧道掌子面的稳定性研究还不够完善，而且施工现场的地质岩体状况复杂。目前的研究工作状况如下：李斌等【1】在极限埋深计算时，用摩尔-库伦准则推导出的公式得出计算结果。再通过影响因素分析和FLAC3D有限元差分软件建立模型，模拟结果从而得到掌子面上的塑性分布情况。通过以上研究得出了以下结论：掌子面的弹塑性状态可以通过摩尔-库伦准则确定，同时在此基础上可以采用新意法分类；通过内聚力对极限埋深计算的研究，可知围岩的物理力学参数对极限埋深有明显的影响，因此同一级别的围

6、岩之间的极限埋深存在差异；掌子面为弹性区时，新意法分类为A类，处于稳定状态，不需要对其进行超前加固；当埋深大于极限埋深时，掌子面处于塑性区，随着埋深增加而范围加大，需要超前加固措施。郭桃明等【2】通过使用ADINA8.3进行数值分析，用三维有限元方法建立三维有限元模型，从而得出台阶长度与掌子面纵向位移关系、核心土长度与掌子面纵向位移关系、核心土形状与掌子面纵向位移关系、台阶长度与隧道纵向塑性区关系、台阶长度与隧道横向塑性区关系等的函数图形。通过各图像之间的比较与分析，他们研究发现台阶长度对软弱围岩隧道掌子面的稳定有重要作用，且在台阶长度取0.618D（D=10.6

7、m）时，掌子面最稳定，而这一点与隧道衬砌要及早封闭相呼应。其次，核心土越长，宽度越大，那么核心土与掌子面交线处的纵向位移越小，即掌子面越稳定。他们在研究中发现核心土长度与台阶长度同为0.618D时，掌子面最稳定。但是在控制拱顶下沉及拱腰水平收敛方面，台阶长度和核心土的长度、宽度所起的作用不明显。袁飞等【3】通过建立三维弹塑性非线性方法模拟施工过程来分析偏压黄土连拱隧道施工时左右主洞的掌子面间距的合理数值。以山西离石连拱隧道为研究对象，运用FLAC3D软件进行数值计算，并对隧道施工过程三维数值模拟。经过计算结果对比分析，得出掌子面纵向间距对开挖面空间效应、左右洞在施

8、工时的相互