掌子面
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掌子面又称礃子面，是坑道施工中的一个术语。即开挖坑道（采煤、采矿或隧道工程中）不断向前推进的工作面。
中文名
掌子面
外文名
Tunnel face
所属学科
建筑施工
研究内容
稳定性和变形控制等
又 称
工作面、礃子面等
影响因素
不良地质条件、地应力、地下水等
目录
1 变形分布规律
2 失稳破坏机制
3 稳定性的因素
▪ 不良地质影响
▪ 地应力的影响
▪ 地下水的影响
▪ 尺寸形状影响
变形分布规律
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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。 [1]
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]
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。 [1]
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。 [1]
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。 [1]
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。 [1]
失稳破坏机制
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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。 [1]
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。 [1]
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。 [1]
稳定性的因素
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不良地质影响
工程地质是影响掌子面变形与稳定的客观因素。影响隧道掌子面变形的因素很多，不良地质条件是造成开挖面失稳塌方的基本因素，公路隧道作为一个典型的地下工程，施工过程中会遇到许多地质现象是不可预测的地质结构。不良地质主要是指滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、溶洞等地层，隧道穿越这些断层破碎带、堆积层、溶洞时，开挖后初始应力能快速释放，岩体在受力后产生变形、破坏，围岩不稳定，出现掉块和塌落，严重的就容易发生塌方。隧道开挖面稳定性的还有地层褶曲构造，隧道穿越向斜层，容易出现掉块坍塌，当平行褶曲地层时易产生偏压。总之，隧道围岩体的坚硬程度、完整程度和结构面特性对围岩的稳定性起着重要作用。 [1]
地应力的影响
当隧道开挖引起的应力重分布超过围岩强度，导致围岩产生过量有害变形，就容易造成隧道掌子面的失稳。应力重分布是否会超过围岩强度就看初始应力的大小和方向，所以地应力是控制掌子面围岩稳定的基本因素之一。地应力主要是由于岩体的重力和地质构造运动产生。地应力对隧道的影响主要看最大主应力与最小主应力的差值、主应力的大小和方向。隧道开挖引起地应力重分布，最大主应力过大，超过岩体屈服强度时，使岩体发生塑性变形，围岩自稳能力丧失；最小主应力过小，使得岩体出现应力松弛现象，变形得不到约束。地应力分布不
均匀，容易产生应力集中现象，围岩局部加速变形，最后导致整个掌子面坍塌。 [1]
地下水的影响
地下水是造成掌子面塌方的另一个重要原因。地下水是由地表水的渗透或地下水源补给的。地下水浸泡、冲蚀、溶解岩体，使岩体软化，促成了层间的滑动，加速岩石的变形位移，从而导致塌方；在某些围岩中，如灰岩、页岩为主的黏土岩中，遇水膨胀，在地下水作用下，结构面强度大大降低，使得围岩稳定性下降，加剧岩体的失稳和塌方。 [1]
围岩中富含地下水，既影响岩体的应力状态和蠕变力学特性，又会影响围岩的强度，进而影响隧道掌子面围岩的稳定性。这些不利作用主要表现在，隧道开挖过程中，随着新的开挖面的形成，地下水会产生一种静水压力，并对周围岩体产生向洞内运动的推动力；地下水的活动，会增加围岩的含水率和饱和度，侵蚀和泥化岩体，改变岩体的物理力学性质，降低了岩体的强度，隧道开挖后，引起掌子面围岩变形破坏，极易导致隧道涌水、失稳塌方等现象。 [1]
当有可能出现地下水导致塌方时，必须采取适当的方法及时控制地下水，避免情况的恶化。 [1]
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尺寸形状影响
隧道断面尺寸和形状中，跨度影响较为显著，围岩级别相同，跨度越大，掌子面围岩的稳定性就越差，这是因为隧道的跨度越大，其切割的围岩结构面就越多，能够形成较多的不稳定块体，导致围岩易失稳。隧道的断面形状对围岩稳定性也有影响，矩形断面在夹角处容易形成应力集中，而圆形断面就不容易产生。 [1