・７２・ 路基工程 Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１０年第４期（总第１５１期） 砂土围岩隧道掌子面破坏模式及影响因素研究 童建军 （西南交通大学峨眉校区土木工程系，四川峨眉山６１４２０２） 摘要：通过１６组模型试验，研究砂土围岩隧道开挖中掌子面的变形破坏形态，分析掌子面破 坏的模式和影响因素，最后总结出未支护段破坏、掌子面破坏、掌子面和未支护段均破坏等三种破坏 模式。文中指出围岩物理力学参数是影响掌子面稳定性的首要因素，并与掌子面稳定性成正相关关 系。埋深比、进尺与掌子面稳定性成负相关关系，但对砂土掌子面破坏规律还需进一步研究。 关键词：砂土；掌子面；破坏模式；影响因素 中图分类号：Ｕ４５１． ２ Ｏ前言 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—８８２５（２０１０）０４—００７２—０３ １试验材料 随着我国社会经济和交通建设的快速发展，出现 各围岩系列的配比和围岩参数见表１。 表１试验材料物理力学指标 了大量的土质围岩公路隧道。现行相关规范 根据工 程经验将土质隧道分为Ⅵ，Ｖ，Ⅳ三级。这是针对洞 身围岩的，没有涉及到掌子面，而施工中掌子面的稳 定性直接影响到施工安全和进度。 本文通过多组室内试验，得到砂土围岩公路隧道 掌子面的破坏规律。由于本文主要是从定性上研究砂 土围岩开挖中掌子面变形破坏形态，分析掌子面的破 坏模式和影响因素，故模型试验装置采用几何相似比 １：３０，试验选用以干砂土、粘土和水不同比例配比 的原型材料进行。 加载 注：试验材料为砂土：粘土：水。 ２试验装置 ， 模型试验装置见图１。 ｆ ０ ．．．．．．．． ，初支 ．．．．．．．．．．．．－－Ｊ ｝ ．Ｑ １．Ｏ （ａ）侧视图 （ｂ）正视图 图１试验装置（单位：ｍ） 模型试验采用立式台架，模型槽尺寸为０．８ ｍ× １．０ ｍ Ｘ１．５ ｍ。为了较好地消除边界效应，模型槽上 璃，另外两面装上树脂玻璃，以便于观察试验过程中 围岩的变形和破坏。模型试验加载采用杠杆原理设 部面积比底部略小，同时在模型槽的两面装上普通玻 收稿日期：２００９—０５—１８ 基金项目：西南交通大学峨眉校区科技发展基金项目（２００８０１０１） 作者简介：童建军（１９７７一），男，四川仁寿人。讲师，主要从事 隧道工程、地质工程方面的教学与研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｊｔｏｎｇ ＠１６３．ｃｏｒｎ。 置，通过调整力臂长度、加载物体重量两种方式控制 加载力的大小。隧道围岩的开挖采用填土后人工模拟 全断面施工。 ３试验过程 （１）按照一定配比配制好材料，并以一定密度 童建军：砂土围岩隧道掌子面破坏模式及影响因素研究 ・７３・ 填人模型试验槽中。 （２）填土的过程中按照预先设计的位置埋置好 掌子面也发生破坏。对于此破坏模式，可直接由围岩 开挖产生，也可由第１种、第２种破坏模式转化 初期支护。 （３）土体填人模型试验槽中到一定高度，静置 一定时间。 （４）开挖围岩到指定位置，在此过程中观察围 岩的变形破坏情况。 （５）通过加载装置在模型顶部逐级加载到未支 护段或掌子面破坏，描述围岩破坏形态。 根据试验研究目的，试验中未支护长度（即开挖 进尺）选取０，３．３，６．７，１０．０ ｃｍ，埋深通过施￣Ｊｎ＃ｌ－ 荷载实现。 ４试验结果 一 ４．１掌子面破坏特征 （１）破坏位置。砂土围岩发生破坏的位置主要 有未支护段拱部、边墙和掌子面。ｇ３，咖 柱恒 卦 ６ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ （２）破坏形态。掌子面完整破坏面近似为对数 螺线曲面，底部角度Ｏｔ＝４５。＋ ／２，发育不完整的 破坏面为斜向上的平面；未支护段破坏后形成平衡 拱，破坏面横、纵向均近似为椭圆抛物曲面。 （３）破坏与时间关系。各系列最初破坏位置有 所不同。系列１首先是未支护段发生破坏，系列２、 系列３首先是掌子面发生破坏，系列４是未支护段和 掌子面同时破坏。 （４）破坏与空间关系。掌子面和未支护段的破 坏是相互影响的。掌子面破坏后，使未支护段失去支 撑，相当于增加未支护段长度，导致未支护段破坏； 反之，未支护段破坏后，形成平衡拱，增加了掌子面 高度，使其不能自稳。因此，无论哪个先破坏，随着 埋深比的增大，最终发展为两者均破坏。 ４．２掌子面破坏模式 （１）未支护段破坏模式（系列１）。按照拱部塌 落方向可分为横向破坏模式、纵向破坏模式和纵横向 同时破坏模式。 开挖断面在未支护段横向上不能形成稳定的平衡 拱，故出现未支护段拱部横向塌方，这种破坏称为未 支护段拱部横向破坏模式。按理洞形开挖的未支护段 在横向上能形成稳定的平衡拱，但由于进尺过大，造 成未支护段拱部纵向不能形成平衡拱而发生坍塌 破坏。 （２）掌子面破坏模式（系列２、系列３）。掌子 面在上部土压力和未支护段再分配土压力的作用下， 在掌子面底部出现沿Ｏｔ＝４５。＋ ／２角度发生的整体 性破坏和局部破坏。 （３）未支护段与掌子面同时破坏模式（系列４）。 该模式是指在未支护段发生横向或纵向破坏的同时， 形成。 ４．３掌子面稳定性影响因素分析 ４．３．１埋深比 进尺埋深比与掌子面前移量关系见图２。 ＋系列１ ＋系列２ ＋系列３ ２ ４ ６ ８ 埋深比 （ａ）进尺为Ｏｃｍ ｇ３，咖 柱阻 褂 ３，删浍柱恒 耕 ６ ５ ４ ３ ２ ｌ Ｏ ６ ５ ４ ３ ２ １ ＋系列１ ＋系列２ ＋系列３ ２ ４ ６ ８ 埋深比 （ｂ）进尺为３．３ｅｒａ ＋系列１ ＋系列２ ＋系列３ ２ ４ ６ ８ 埋深比 （Ｃ）进尺为６．７ｅｍ 暑 咖 楹 ＋系列１ 暄 ＋系列２ ＋系列３ 耕 ２ ４ ６ ８ 埋深比 （ｄ）进尺为１０．Ｏｅｍ 图２进尺埋深比与掌子面前移量关系 从图２可知，同一系列同一进尺中，随着埋深比 的增大，掌子面的前移量不断增大；但当掌子面坍塌 到一定程度，继续增大埋深比对掌子面前移的影响程 度明显减少。 Ｏ ０ ・７４・ 路基工程 Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ９ ８ ７ ２０１０年第４期（总第１５１期） ４．３．２进尺 ｇ。、螂涣楹旧 扑 ６ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ 掌子面破坏时的最小埋深比较大，掌子面稳定性 系列１掌子面破坏量与埋深比关系见图３。 较好。 从图３可知，当埋深比相同时，掌子面前移量和 未支护段塌高量受进尺影响较大，且一般进尺越大， 破坏量相对越大。 ＋系列３ ＋系列２ ＋系列１ ＋进尺０．０ｃｍ ＋进尺３．３ｃｍ ＋进尺６．７ｅｒａ 一进尺１０．０ｃｍ Ｏ ２ ４ ６ ８ １Ｏ １２ 进尺／ｃＩＴＩ ２ ３ ４ ５ ６ 图４进尺与掌子面破坏时最小埋深比关系 埋深比 （ａ）埋深比与掌子面前移量关系 ５结论 ４０ 越 到 （１）三种破坏模式破坏位置不同，但随着埋深 ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ 比的增加，最终统一为掌子面和未支护段均发生破 ３０ 坏，即三种破坏模式是统一的。 （２）围岩物理力学参数是影响掌子面稳定性的 ２０ －－＿进尺３．３ｃｍ 首要因数，埋深比和进尺是次要因素。 一进尺６・７ｃｍ （３）围岩物理力学参数与掌子面稳定性成正相关 ＊∈１０ ｊ挂尺 ｏ・ｏｃ 关系，埋深比、进尺与掌子面稳定性成负相关关系。 （４）由于本次试验结果是定性的，对于砂土掌 ０ 子面破坏规律还需进一步研究。 ２ ３ ４ ５ ６ 埋深比 （ｂ）埋深比与未支护段塌高量关系 参考文献： 图３系列１掌子面破坏量与埋深比关系 ［１］ＪＴＧ Ｄ７０－－２００４，公路隧道设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社 ２００４．７． ４．３．３围岩物理力学参数 ［２］程展林，等．砂基中泥浆盾构法隧道施工开挖面稳定性试验研究［Ｊ］ 长江科学院院报，２００１，ｌ８（５）：５３—５５． 进尺与掌子面破坏时最小埋深关系见图４。 ［３］李志业，等．大跨度公路隧道结构模型试验研究［Ｊ］．铁道学报 由图４可知，在相同进尺下，围岩条件较好时， １９９６。ｌ８（２）：１１４—１２０． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｍｏｄｅ ａｎｄ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｓａｎｄ Ｒｏｃｋ Ｔｕｎｎｅｌ Ｈｅａｄｉｎｇ ＴＯＮＧ Ｊｉａｎｄｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅｍｅｉ Ｃａｍｐｕｓ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍｏｕｎｔ Ｅｍｅｉ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１４２０２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ １６ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔｓ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｓａｎｄ ｒｏｃｋ ｔｕｎｎｅｌ ｈｅａｄｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｒｅｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｕｎｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ，ｈｅａｄｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ｂｏｔｈ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｓ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ｉｌｆｎｕｅｎｃｅｓ ｈｅａｄｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｅａｄｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｂｕｒｉｌａ ｄｅｐｔｈ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｆｏｏｔａｇｅ ｈａｖｅ ａ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｅａｄｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｆａｉｌｕｒｅ ｌａｗ ｏｆ ｓａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｈｅａｄｉｎｇ ｎｅｅｄｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓａｎｄ ｓｏｉｌ；ｔｕｎｎｅｌ ｈｅａｄｉｎｇ；ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ；ｉｌｆｎｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ
