掌子面灾变行为、碎屑流运动发展规律、围岩稳定控制是碎屑流隧道修建过程中关键科学问题。从碎屑流物质组成、结构特征入手，建立水—岩耦合作用的碎屑体（碎裂、散体）结构模型，标定碎屑体宏观参数与颗粒离散元细观参数对应关系；结合模拟试验，研究其孕育、演化、发展规律和成灾机理。采用水—岩耦合理论，探明水持续性作用下掌子面失稳模式、临界安全距离；围绕掌子面稳定，形成高位排水工法；研究掌子面挤出变形与稳定性关系，提出掌子面失稳判据。基于碎屑体赋存环境（作用力、富水）、物理力学性态（核心土）与工程作用（排水、预支护、开挖卸荷）相互作用方法，提出碎屑流灾害环境下围岩状态转变控制原理和方法，建立“排水—注浆—核心土预加固”成套掌子面稳定控制关键技术；结合现场多断面及复合体（地层—水压—支护）模型试验，建立碎屑流隧道合理支护结构体系；最终实现围岩状态由灾变到渐变甚至稳定的转变，形成碎屑流隧道灾害控制及修建技术。 2100433B

掌子面灾变行为、碎屑流运动发展规律、围岩稳定控制是碎屑流隧道修建过程中关键科学问题。从碎屑流物质组成、结构特征入手，建立水-岩耦合作用的碎屑体（碎裂、散体）结构模型，标定碎屑体宏观参数与颗粒离散元细观参数对应关系；结合模拟试验，研究其孕育、演化、发展规律和成灾机理。采用水-岩耦合理论，探明水持续性作用下掌子面失稳模式、临界安全距离；围绕掌子面稳定，形成高位排水工法；研究掌子面挤出变形与稳定性关系，提出掌子面失稳判据。基于碎屑体赋存环境（作用力、富水）、物理力学性态（核心土）与工程作用（排水、预支护、开挖卸荷）相互作用方法，提出碎屑流灾害环境下围岩状态转变控制原理和方法，建立排水-注浆-核心土预加固成套掌子面稳定控制关键技术；结合现场多断面及复合体（地层-水压-支护）模型试验，建立碎屑流隧道合理支护结构体系；最终实现围岩状态由灾变到渐变甚至稳定的转变，形成碎屑流隧道灾害控制及修建技术。

中文名称：掌子面

英文名称：tunnel face

定义： 所属学科： 水利科技（一级学科） ；岩石力学、土力学、岩土工程（二级学科） ；岩土工程（水利）（三级学科）

掌子面”是坑道施工中的一个术语，即开挖坑道不断向前推进的工作面，不是一个固定的面，开挖面有掌子面、边墙面和拱顶面，确切地说是正对着您的那个不断向前移动的工作面，英文叫heading.

掌子面就是已开挖和未开挖的岩层的分界面，比如隧道分台阶开挖，上部开挖里程为DK14 110，那么也可以说掌子面里程是DK14 1102100433B

从微观上看，隧道岩土体表现出固有的流变特性，从宏观上看，隧道掌子面围岩变形也有一定的规律，表现出特有的空间效应和时间效应。

隧道的开挖使得支撑隧道洞身的围岩被挖掉，掌子面后方出现临空，围岩应力重新分布，导致围岩向隧道净空方向变形。这种变形包括掌子面面内竖向、横向变形和面外纵向变形，一般根据变形的空间效应，将隧道围岩变形分为以下3种形态：掌子面前方变形、掌子面挤出变形、掌子面后方变形。软弱围岩隧道设置超前支护和初期支护的主要目的，就是抑制这些变形的发展，防止围岩出现围岩松弛现象。

①掌子面前方变形：

掌子面前方变形与围岩条件有密切关系。正常围岩条件下，前方变形约为总变形的20~30%；当围岩条件越差，其值越大，超过总变形的30%，甚至达到50%以上，如果不加以控制，这种变形将显著增加，容易发生掌子面拱顶坍塌，并带动掌子面周边变形的发展，导致隧道出现大变形。

掌子面前方变形主要表现为掌子面面内围岩的下沉和挤压；对于浅埋隧道，掌子面前方围岩的变形还可能会发展到地表，造成地表变形开裂，甚至发生坍塌冒顶。这种塌方严重危害隧道工程的建设。

②掌子面挤出变形：

隧道正前方掌子面的挤出变形主要表现为掌子面纵向水平鼓出，若这种变形不进行控制，掌子面纵向水平变形过大，则可能发生掌子面的挤出塌方。

③掌子面后方变形：

掌子面后方变形表现为隧道开挖后，出现拱顶下沉，洞周收敛变形。

隧道开挖过程中，掌子面围岩受力情况是不断的变化的。地层作为隧道的初始应力场，在压应力作用下，隧道开挖破坏了围岩原有的三向应力平衡，受力状态由三向变成近似二向，从而产生应力重分布，出现二次应力状态。在这一过程中，当二次应力大于部分围岩的塑限或强度极限时，围岩就会进入流变状态，出现显著的变形、破裂和松弛现象，表现出明显的地层压力效应，此时隧道需要采取支护措施，否则围岩会从薄弱处发生破坏，进而隧道掌子面失稳，最后导致隧道的坍塌；只有在二次应力量值没有超过围岩塑性和强度限值，围岩长期稳定，

位移不侵入限界时，隧道理论上才是不需要支护的。

研究发现，地层压力效应是造成隧道掌子面失稳的根本原因，地层压力效应是指隧道开挖后围岩二次应力与其变形强度特性相互作用而产生的一种力学现象。地层压力包括变形压力、膨胀压力和松动压力。变形压力是在二次应力作用下，围岩局部出现作用在支护结构上的塑性变形形成压力，或者是有明显的流变特性的围岩黏弹塑性变形形成的支护压力；膨胀压力是由于围岩体积膨胀引起的，在软岩隧道中，部分软岩（如泥灰岩）在开挖时，岩体遇水后发生膨胀变形，对支护产生了变形压力；松动压力是由隧道开挖后松动区的自重引起的，是松散的岩体直接作用在隧道支护结构上的作用力，一般出现在隧道的拱顶和侧墙，它的形成是由于隧道开挖后围岩应力重分布，围岩结构面因此而失去强度，成为不完整的松散体，在重力作用下产生滑移掉落。软弱围岩隧道掌子面失稳主要是这三种压力对围岩和支护结构作用的结果。当掌子面围岩强度无法抵抗地层压力，变形压力和膨胀压力过大，对隧道围岩会产生松动压力，引起掌子面的失稳。

一般的，软岩隧道开挖时，变形压力较大，使部分围岩进入流变变形阶段，出现塑性区并逐渐扩大。如果围岩强度高，即使在没有支护时，塑性区也不会一直扩大，在塑性区边界可以形成较高的应力。在软岩隧道中，由于岩体强度较小，当出现塑性大变形时，岩体出现破裂产生较大的松动压力，导致隧道失稳破坏。当设置了超前支护时，支护刚度产生抗力来抵抗前期变形压力，支护时间越早，超前支护上产生的抗力越大，塑性变形就越小；支护的越晚，超前支护上产生的抗力越小，塑性变形就越大。