掌子面

掌子面又稱礃子面，是坑道施工中的一個術語。即開挖坑道（採煤、採礦或隧道工程中）不斷向前推進的工作面。

基本介紹

• 中文名：掌子面
• 外文名：Tunnel face
• 所屬學科：建築施工
• 研究內容：穩定性和變形控制等
• 又稱：工作面、礃子面等
• 影響因素：不良地質條件、地應力、地下水等

變形分布規律

從微觀上看，隧道岩土體表現出固有的流變特性，從巨觀上看，隧道掌子面圍岩變形也有一定的規律，表現出特有的空間效應和時間效應。

隧道的開挖使得支撐隧道洞身的圍岩被挖掉，掌子面後方出現臨空，圍岩應力重新分布，導致圍岩向隧道淨空方向變形。這種變形包括掌子面面內豎向、橫向變形和面外縱向變形，一般根據變形的空間效應，將隧道圍岩變形分為以下3種形態：掌子面前方變形、掌子面擠出變形、掌子面後方變形。軟弱圍岩隧道設定超前支護和初期支護的主要目的，就是抑制這些變形的發展，防止圍岩出現圍岩鬆弛現象。

①掌子面前方變形：

掌子面前方變形與圍岩條件有密切關係。正常圍岩條件下，前方變形約為總變形的20~30%；當圍岩條件越差，其值越大，超過總變形的30%，甚至達到50%以上，如果不加以控制，這種變形將顯著增加，容易發生掌子面拱頂坍塌，並帶動掌子面周邊變形的發展，導致隧道出現大變形。

掌子面前方變形主要表現為掌子面面內圍岩的下沉和擠壓；對於淺埋隧道，掌子面前方圍岩的變形還可能會發展到地表，造成地表變形開裂，甚至發生坍塌冒頂。這種塌方嚴重危害隧道工程的建設。

②掌子面擠出變形：

隧道正前方掌子面的擠出變形主要表現為掌子面縱向水平鼓出，若這種變形不進行控制，掌子面縱向水平變形過大，則可能發生掌子面的擠出塌方。

③掌子面後方變形：

掌子面後方變形表現為隧道開挖後，出現拱頂下沉，洞周收斂變形。

失穩破壞機制

隧道開挖過程中，掌子面圍岩受力情況是不斷的變化的。地層作為隧道的初始應力場，在壓應力作用下，隧道開挖破壞了圍岩原有的三向應力平衡，受力狀態由三向變成近似二向，從而產生應力重分布，出現二次應力狀態。在這一過程中，當二次應力大於部分圍岩的塑限或強度極限時，圍岩就會進入流變狀態，出現顯著的變形、破裂和鬆弛現象，表現出明顯的地層壓力效應，此時隧道需要採取支護措施，否則圍岩會從薄弱處發生破壞，進而隧道掌子面失穩，最後導致隧道的坍塌；只有在二次應力量值沒有超過圍岩塑性和強度限值，圍岩長期穩定，
位移不侵入限界時，隧道理論上才是不需要支護的。

研究發現，地層壓力效應是造成隧道掌子面失穩的根本原因，地層壓力效應是指隧道開挖後圍岩二次應力與其變形強度特性相互作用而產生的一種力學現象。地層壓力包括變形壓力、膨脹壓力和鬆動壓力。變形壓力是在二次應力作用下，圍岩局部出現作用在支護結構上的塑性變形形成壓力，或者是有明顯的流變特性的圍岩黏彈塑性變形形成的支護壓力；膨脹壓力是由於圍岩體積膨脹引起的，在軟岩隧道中，部分軟岩（如泥灰岩）在開挖時，岩體遇水後發生膨脹變形，對支護產生了變形壓力；鬆動壓力是由隧道開挖後鬆動區的自重引起的，是鬆散的岩體直接作用在隧道支護結構上的作用力，一般出現在隧道的拱頂和側牆，它的形成是由於隧道開挖後圍岩應力重分布，圍岩結構面因此而失去強度，成為不完整的鬆散體，在重力作用下產生滑移掉落。軟弱圍岩隧道掌子面失穩主要是這三種壓力對圍岩和支護結構作用的結果。當掌子面圍岩強度無法抵抗地層壓力，變形壓力和膨脹壓力過大，對隧道圍岩會產生鬆動壓力，引起掌子面的失穩。

一般的，軟岩隧道開挖時，變形壓力較大，使部分圍岩進入流變變形階段，出現塑性區並逐漸擴大。如果圍岩強度高，即使在沒有支護時，塑性區也不會一直擴大，在塑性區邊界可以形成較高的應力。在軟岩隧道中，由於岩體強度較小，當出現塑性大變形時，岩體出現破裂產生較大的鬆動壓力，導致隧道失穩破壞。當設定了超前支護時，支護剛度產生抗力來抵抗前期變形壓力，支護時間越早，超前支護上產生的抗力越大，塑性變形就越小；支護的越晚，超前支護上產生的抗力越小，塑性變形就越大。

穩定性的因素

不良地質影響

工程地質是影響掌子面變形與穩定的客觀因素。影響隧道掌子面變形的因素很多，不良地質條件是造成開挖面失穩塌方的基本因素，公路隧道作為一個典型的地下工程，施工過程中會遇到許多地質現象是不可預測的地質結構。不良地質主要是指滑坡、崩塌、岩堆、土石流、溶洞等地層，隧道穿越這些斷層破碎帶、堆積層、溶洞時，開挖後初始應力能快速釋放，岩體在受力後產生變形、破壞，圍岩不穩定，出現掉塊和塌落，嚴重的就容易發生塌方。隧道開挖面穩定性的還有地層褶曲構造，隧道穿越向斜層，容易出現掉塊坍塌，當平行褶曲地層時易產生偏壓。總之，隧道圍岩體的堅硬程度、完整程度和結構面特性對圍岩的穩定性起著重要作用。

地應力的影響

當隧道開挖引起的應力重分布超過圍岩強度，導致圍岩產生過量有害變形，就容易造成隧道掌子面的失穩。應力重分布是否會超過圍岩強度就看初始應力的大小和方向，所以地應力是控制掌子面圍岩穩定的基本因素之一。地應力主要是由於岩體的重力和地質構造運動產生。地應力對隧道的影響主要看最大主應力與最小主應力的差值、主應力的大小和方向。隧道開挖引起地應力重分布，最大主應力過大，超過岩體屈服強度時，使岩體發生塑性變形，圍岩自穩能力喪失；最小主應力過小，使得岩體出現應力鬆弛現象，變形得不到約束。地應力分布不
均勻，容易產生應力集中現象，圍岩局部加速變形，最後導致整個掌子面坍塌。

地下水的影響

地下水是造成掌子面塌方的另一個重要原因。地下水是由地表水的滲透或地下水源補給的。地下水浸泡、沖蝕、溶解岩體，使岩體軟化，促成了層間的滑動，加速岩石的變形位移，從而導致塌方；在某些圍岩中，如灰岩、頁岩為主的黏土岩中，遇水膨脹，在地下水作用下，結構面強度大大降低，使得圍岩穩定性下降，加劇岩體的失穩和塌方。

圍岩中富含地下水，既影響岩體的應力狀態和蠕變力學特性，又會影響圍岩的強度，進而影響隧道掌子面圍岩的穩定性。這些不利作用主要表現在，隧道開挖過程中，隨著新的開挖面的形成，地下水會產生一種靜水壓力，並對周圍岩體產生向洞內運動的推動力；地下水的活動，會增加圍岩的含水率和飽和度，侵蝕和泥化岩體，改變岩體的物理力學性質，降低了岩體的強度，隧道開挖後，引起掌子面圍岩變形破壞，極易導致隧道湧水、失穩塌方等現象。

當有可能出現地下水導致塌方時，必須採取適當的方法及時控制地下水，避免情況的惡化。

尺寸形狀影響

隧道斷面尺寸和形狀中，跨度影響較為顯著，圍岩級別相同，跨度越大，掌子面圍岩的穩定性就越差，這是因為隧道的跨度越大，其切割的圍岩結構面就越多，能夠形成較多的不穩定塊體，導致圍岩易失穩。隧道的斷面形狀對圍岩穩定性也有影響，矩形斷面在夾角處容易形成應力集中，而圓形斷面就不容易產生。