上覆富水砂层地铁隧道掌子面变形特征数值试验研究∗

为研究地铁隧道在上覆富水砂层下的变形特征，以典型上覆富水砂层隧道—青岛地铁 2 号线啤—苗区间为工程研究背景，采用 FLAC 3D 数值模拟软件对不同富水砂层厚度与隔水层厚度工况下隧道掌子面位移、塑性区变化特征进行了研究分析。研究结果表明：隔水层厚度是影响掌子面是否发生涌水涌砂的主控因素，在开挖过程中应时刻注意富水砂层距离隧道顶板的安全距离，临界隔水层的厚度为 3 m。同时，当隔水层厚度越大、富水砂层厚度越小时，掌子面变形就会越小。以临界工况为研究对象，通过分析开挖过程中隧道拱顶—拱腰—掌子面应力和位移变形规律，引入了位移释放系数和应力释放率两参数来揭示围岩与掌子面在隧道开挖过程中的影响关系。通过进一步拟合掌子面失稳破坏预测方程，得到了掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前的重要结论，因此在实际隧道开挖过程中应将掌子面的变形作为首选敏感监测指标。研究结果可为该不良地质条件下隧道掌子面稳定性和预加固时机选择提供一定的理论指导。     

深埋隧洞掌子面岩爆的真三轴试验模拟

深埋隧洞施工过程中开挖掌子面上发生的岩爆灾害严重威胁施工人员与设备安全。为了探究掌子面岩爆的发生机制与特征，利用高压伺服真三轴试验机，采用预制非贯通圆孔花岗岩立方体岩样(150 mm×150 mm×150 mm),成功模拟了深埋隧洞掌子面岩爆过程。结果表明：掌子面岩爆主要经历颗粒弹射、劈裂成板和板折弹射3个阶段；在相同加卸载条件下，与常见的出现在围岩四周洞壁的岩爆现象相比，掌子面岩爆的孕育过程以张拉破裂模式为主，动力失稳前夕出现明显板裂屈曲现象，岩块弹射烈度相对较弱，但动力失稳过程在时间上更为集中，岩体破损体积较大；与单向开挖情况相比，双向开挖情况下且掌子面岩柱厚度较小时，掌子面岩爆更易发生，岩爆烈度更高，需采取有效安全调控措施。