于琳茗，郭永春，张志强

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）

隧道掘进掌子面与前方碎屑流区域安全距离的计算

于琳茗1，郭永春1，张志强2

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）

隧道掘进过程中，掌子面和碎屑流地层之间的距离小于安全距离时，在高水压和高地应力的共同作用下，掌子面会由于经受不住其后方的水土压力而发生碎屑流。基于摩尔-库伦准则和极限平衡法，推导出隧道碎屑流安全距离的计算公式，并分析了各参数的影响。分析结果表明，安全距离随碎屑流地层水头高度、隧道洞径的增大而增大，随岩盘处和碎屑流地层处的内摩擦角和黏聚力的增大而减小。通过引硫济金引水隧洞和祁连山铁路隧道典型实例对公式进行了验证与分析。

安全距离；碎屑流；隧道

隧道碎屑流又称“洞中泥石流”，是指隧道掘进过程中，遇到断层破碎带、饱和松软围岩、充填岩溶洞穴、侵入岩接触破碎带时引发的泥水混合物突然大规模涌出，是一种具极强破坏力的隧道地质灾害［1-3］。

碎屑流具有突发性、破坏性、异常猛烈等特点，一旦发生，即会造成设备毁坏，支护冲垮、隧道堵塞等重大事故。杨新安等［4］通过分析国内发生的多次隧道泥石流事故资料认为，隧道泥石流的发生过程一般可分为孕育、潜伏和发生3个阶段，分析了其发生条件和一般特征，据此提出预防隧道泥石流的关键是使其不能同时具备3个形成条件，给出了若干技术措施。钟伟泉［5］通过对鱼跳水电站引水隧道施工中洞中泥石流发生及治理，讨论了地下工程中泥石流的产生条件、特性，提出预防措施及具体治理方法。柴海楼［6］就碎屑流地质灾害在引硫济金工程冷龙岭隧洞施工中的处理情况进行阐述，提出一种可行的深孔预注浆固结+大管棚超前支护综合施工处理技术。刘超群等［7］在隧道掌子面与前方溶洞安全距离分析中采用了理论的方法计算安全距离，但在岩盘阻力计算时用垂直土压力来代替岩盘上剪切面上的有效法向应力，导致安全距离计算结果偏小。

兰新铁路祁连山隧道穿越F6和F7断层破碎带遇到大量碎裂散体物质突涌而出，出现碎屑流现象。论文以此为背景，探讨隧道碎屑流安全距离计算公式并分析各参数对安全距离的影响，为碎屑流地层的隧道设计与施工提供理论依据。

1　隧道碎屑流的工程地质模型

隧道碎屑流形成的条件有碎屑物质、水力条件、临空面3个方面［8］。其中碎屑物质是指由粒径不大的块碎石、断层泥、黏土以及风化物组成的混合物，在水的持续作用下有极强的流动性［9］。水力条件是指碎屑地层要有充足的水源和较高的地下水位，为碎屑流的启动提供动力［10-11］。临空面主要是指隧道开挖形成的掌子面，是碎屑流物质的流通通道。只有同时具备上述3个条件时，碎屑流才会发生［12］。

兰新铁路祁连山隧道，具备典型的碎屑流形成条件。根据工程地质勘查资料，断层破碎带即碎屑流地层区域，其碎屑物质是发生隧道碎屑流的主要物质，也是主要含水层。将断层破碎带简化成直立的碎屑流地层，在隧道进口侧，岩体是板岩，为不透水地层，在隧道出口侧，岩体是砂岩，为透水层。因此，F7断层破碎带的地质模型可概化成图1所示的碎屑流地层模型。

图1　隧道碎屑流工程地质模型

2　隧道碎屑流力学分析模型

隧道掘进过程中，掌子面和临界掌子面之间的距离小于某个距离时，在高水压和高地应力的共同作用下，掌子面会由于经受不住其后方的水土压力而发生碎屑流，而这个距离就是安全距离。根据图1所示的纵断面图可将安全距离计算模型简化为图2。碎屑流发生的力学平衡条件是作用在临界掌子面上的侧向压力FH不大于岩盘阻力FS，即：

根据力学平衡条件便可求出隧道碎屑流安全距离。

图2　安全距离计算模型

2.1作用在临界掌子面上的岩盘阻力FS

在深埋情况下，考虑到对称性，可将力学分析模型简化为图3。

图3　岩盘阻力力学分析模型

根据摩尔-库仑强度理论计算如下：dθ段对应的圆弧长度为0.5D·dθ（D为洞径），作用在圆弧段的合应力

式中，σ'1，σ'3分别为岩盘处竖向土压力和侧向土压力。

岩盘处竖向土压力σ'1可根据太沙基理论进行计算

式中，B'=D［1+tan（π/4-φ'/2）］/2，γ'为岩盘处岩体重度，H为隧道埋深，K0取1.0～1.5。

侧向土压力为

式中，λ'为岩盘处侧压力系数。

该圆弧段的剪应力为

式中：φ'，c'分别为岩盘处岩体内摩擦角和黏聚力。

该圆弧段的岩盘阻力为

式中，L为岩盘长度，即安全距离。

对式（6）积分可得岩盘阻力

2.2作用在临界掌子面上的侧向压力FH

采用摩尔-库仑法计算，见图4。

图4　摩尔-库仑准则示意

由图4几何关系可得BC=ACsinφ

带入参数化简后可得

式中：σ1为碎屑流地层竖向土压力；φ，c分别为碎屑流地层处岩体内摩擦角和黏聚力。

碎屑流地层竖向土压力σ1可根据太沙基理论进行计算

式中：B'=D［1+tan（π/4-φ/2）］/2，γ为碎屑流地层岩体重度，γw为水的重度，h为水头高度。

则作用在临界掌子面上的侧向压力FH为

2.3隧道碎屑流安全距离计算公式

由上节推导可得隧道碎屑流岩盘安全距离的计算公式为

另外，根据极限平衡法也推导出隧道碎屑流岩盘安全距离计算公式

2.4安全距离影响因素分析

1）隧道埋深、碎屑流地层水头高度、隧道洞径对安全距离的影响

由图5可见，两种方法的计算结果关系曲线趋势一致，摩尔-库仑法计算结果偏大，可以认为偏于安全。在埋深较小时，安全距离随隧道埋深的增大而增大，当埋深达到一定值时，由于土体的成拱效应，埋深的增加并不会导致安全距离的增大。安全距离随碎屑流地层水头高度、隧道洞径的增大而增大。这与实际工程中采用排水和双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等减小开挖断面的工法相一致。

图5　安全距离与隧道埋深、碎屑流地层水头高度、隧道洞径的关系

2）岩体物理力学性质对安全距离的影响

由图6可见，两种方法的计算结果关系曲线趋势基本一致，摩尔-库仑法比极限平衡法的计算结果偏大。碎屑物质和岩盘岩体的内摩擦角和黏聚力对安全距离的影响趋势一致。安全距离随两处的内摩擦角和黏聚力的增大而减小。而在实际工程中采用注浆、大管棚等加固岩土体的工程措施与这一特点具有一致性。

图6　安全距离与岩体物理力学参数的关系

3　实例验证与分析

引硫济金引水隧洞和祁连山隧道相距约2km，都是穿越祁连山的洞室工程，地质条件基本相同，引用上述2条隧道对隧道碎屑流安全距离计算公式进行验证与分析，岩体物理力学参数、隧道几何尺寸分别见表1和表2。计算结果：引硫济金隧洞安全距离仅2.01m；祁连山隧道安全距离为14.4m。

表1　岩体物理力学参数

表2　隧道几何尺寸m

根据文献资料介绍，引硫济金工程引水隧洞由于在开挖过程中没有采取必要的预防措施，掌子面开挖到碎屑流地层时，导致引水隧洞发生碎屑流。祁连山铁路隧道借鉴了引水隧洞工程的经验，在洞室开挖过程中，取安全距离为12m，采取相应的措施，安全通过了碎屑流地段。

4　结论与建议

通过摩尔-库仑法和极限平衡法对隧道碎屑流安全距离进行研究，得到隧道碎屑流安全距离计算方法，探讨了安全距离的影响因素，其主要结论如下：

1）在隧道开挖的过程中，根据隧道碎屑流安全距离公式，可以预估隧道开挖的安全距离；在接近安全距离时，及时采取必要的措施安全通过碎屑流地层。

2）通过安全距离影响性分析，得出隧道埋深、地下水水位、碎屑流地层和岩盘处岩体强度、隧道洞径与安全距离的关系曲线。从关系曲线中可以得出降低地下水水位、加固碎屑流地层和岩盘处岩体强度、减小隧道洞径可以有效降低安全距离，这与工程中采用的排水、注浆、管棚、三台阶七步开挖法、双侧壁导坑法等减小开挖断面的工法具有较好的一致性。

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AbstractIn the process of the excavation of tunnel，when the distance between working face and debris flow strata is less than the safe distance，the tunnel debris flow will happen，because the working face cannot withstand high water pressure and high ground stress.Based on M ohr-Coulomb criterion and limit equilibrium method，the formula for the safe distance of tunnel debris flow was deduced，and influence on various parameters were analyzed.T he results show that safe distance increases with the increase of the water head and diameter of tunnel in debris flow strata，and decreases with the increase of angle of internal friction and cohesion in both laccolith area and debris flow strata.Yinliujijin diversion tunnel and Qilianshan railway tunnel are used as typical examples to verify the formula.

Calculation About Safe Distance for Tunnel Driving Between Working Face and Debris Flow Area Ahead

YU Linming1，GUO Yongchun1，ZHANG Zhiqiang2
（1.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Safe distance；Debris flow；T unnel

U452.2+7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.13

1003-1995（2016）04-0047-04

（责任审编赵其文）

2015-09-25；

2015-12-15

国家自然科学基金（51278427）

于琳茗（1989—），男，硕士研究生。