掌子面

從微觀上看，隧道岩土體表現出固有的流變特性，從宏觀上看，隧道掌子面圍巖變形也有一定的規律，表現出特有的空間效應和時間效應。 ^[1] 

隧道的開挖使得支撐隧道洞身的圍巖被挖掉，掌子面後方出現臨空，圍巖應力重新分佈，導致圍巖向隧道淨空方向變形。這種變形包括掌子面面內豎向、橫向變形和麪外縱向變形，一般根據變形的空間效應，將隧道圍巖變形分為以下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。軟弱圍巖隧道設置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，防止圍巖出現圍巖鬆弛現象。 ^[1] 

①掌子面前方變形：

掌子面前方變形與圍巖條件有密切關係。正常圍巖條件下，前方變形約為總變形的20~30%；當圍巖條件越差，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。 ^[1] 

掌子面前方變形主要表現為掌子面面內圍巖的下沉和擠壓；對於淺埋隧道，掌子面前方圍巖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。 ^[1] 

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。 ^[1] 

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。 ^[1] 

隧道開挖過程中，掌子面圍巖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，隧道開挖破壞了圍巖原有的三向應力平衡，受力狀態由三向變成近似二向，從而產生應力重分佈，出現二次應力狀態。在這一過程中，當二次應力大於部分圍巖的塑限或強度極限時，圍巖就會進入流變狀態，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，否則圍巖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巖塑性和強度限值，圍巖長期穩定，

位移不侵入限界時，隧道理論上才是不需要支護的。 ^[1] 

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巖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，圍巖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巖黏彈塑性變形形成的支護壓力；膨脹壓力是由於圍巖體積膨脹引起的，在軟巖隧道中，部分軟巖（如泥灰岩）在開挖時，巖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，是鬆散的巖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巖應力重分佈，圍巖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。軟弱圍巖隧道掌子面失穩主要是這三種壓力對圍巖和支護結構作用的結果。當掌子面圍巖強度無法抵抗地層壓力，變形壓力和膨脹壓力過大，對隧道圍巖會產生鬆動壓力，引起掌子面的失穩。 ^[1] 

一般的，軟巖隧道開挖時，變形壓力較大，使部分圍巖進入流變變形階段，出現塑性區並逐漸擴大。如果圍巖強度高，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。在軟巖隧道中，由於巖體強度較小，當出現塑性大變形時，巖體出現破裂產生較大的鬆動壓力，導致隧道失穩破壞。當設置了超前支護時，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。 ^[1] 

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、巖堆、泥石流、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，巖體在受力後產生變形、破壞，圍巖不穩定，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，隧道圍巖體的堅硬程度、完整程度和結構面特性對圍巖的穩定性起着重要作用。 ^[1] 

當隧道開挖引起的應力重分佈超過圍巖強度，導致圍巖產生過量有害變形，就容易造成隧道掌子面的失穩。應力重分佈是否會超過圍巖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巖穩定的基本因素之一。地應力主要是由於巖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佈，最大主應力過大，超過巖體屈服強度時，使巖體發生塑性變形，圍巖自穩能力喪失；最小主應力過小，使得巖體出現應力鬆弛現象，變形得不到約束。地應力分佈不

均勻，容易產生應力集中現象，圍巖局部加速變形，最後導致整個掌子面坍塌。 ^[1] 

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、溶解巖體，使巖體軟化，促成了層間的滑動，加速岩石的變形位移，從而導致塌方；在某些圍巖中，如灰巖、頁岩為主的黏土巖中，遇水膨脹，在地下水作用下，結構面強度大大降低，使得圍巖穩定性下降，加劇巖體的失穩和塌方。 ^[1] 

圍巖中富含地下水，既影響巖體的應力狀態和蠕變力學特性，又會影響圍巖的強度，進而影響隧道掌子面圍巖的穩定性。這些不利作用主要表現在，隧道開挖過程中，隨着新的開挖面的形成，地下水會產生一種靜水壓力，並對周圍巖體產生向洞內運動的推動力；地下水的活動，會增加圍巖的含水率和飽和度，侵蝕和泥化巖體，改變巖體的物理力學性質，降低了巖體的強度，隧道開挖後，引起掌子面圍巖變形破壞，極易導致隧道湧水、失穩塌方等現象。 ^[1] 

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。 ^[1] 

隧道斷面尺寸和形狀中，跨度影響較為顯著，圍巖級別相同，跨度越大，掌子面圍巖的穩定性就越差，這是因為隧道的跨度越大，其切割的圍巖結構面就越多，能夠形成較多的不穩定塊體，導致圍巖易失穩。隧道的斷面形狀對圍巖穩定性也有影響，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。 ^[1]