板巖隧道開挖施工質量影響因素及控制措施研究

劉羽春

（中交路橋南方工程有限公司，北京101100）

1 引言

板巖在我國分布較為廣泛，是由黏土質、粉砂質沉積巖或中酸性凝灰質巖石、沉凝灰巖等經區域低溫動力變質作用形成的一種淺變質巖。板巖的成因使其具有層理結構特性，內部多存在板狀劈理、裂隙等缺陷，表現有明顯的各向異性。因此，對板巖力學特性的研究有助于板巖隧道開挖技術與質量控制的提升。

目前，學者們圍繞板巖力學特性與板巖隧道開挖變形控制等方面開展了系列研究，也取得了較多具有實際工程價值的研究成果【1～5】。冒海軍等【6～8】通過試驗研究，探討了板巖結構面、應力、水等因素對其力學性能的影響規律，并利用Hoek-Brown強度準則建立了含一組結構面板巖的強度準則及力學

旻參數的獲取方法；黃 鵬等【9】利用巖石剪切流變儀對板巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，研究了板巖內部固有各向異性對蠕變特性的影響。

基于此，本文系統總結板巖隧道開挖質量的影響因素及影響規律，并有針對性地提出有效的質量控制措施，為板巖隧道工程的設計與施工提供參考。

2 板巖隧道開挖施工質量影響因素

2.1 板巖成分與結構

板巖由隱晶質黏土礦物、綠泥石、絹云母、石英、長石等礦物組成，有多個分類方法，常見的有按照板巖成分劃分為泥質板巖、碳質板巖、鈣質板巖、砂質板巖等。在板巖結構方面，板巖中的綠泥石、絹云母及隱晶質黏土礦物中的伊利石通常呈棱角狀，定向排列，與膠結物中的變質礦物和泥質膠結在一起，形成層理面，層理面上的膠結物之間及膠結物與剛性顆粒之間存在微裂隙，大致與層理平行，使得層理面處的強度較低，也往往是破壞面或滑移面產生的位置。因此，板巖的成分與結構會從根本上影響圍巖的等級，完整的板巖，如砂質板巖，巖石強度稍高，圍巖級別可達到Ⅲ級；含泥質成分較多的板巖，如碳質板巖，巖石強度偏低，圍巖級別一般為IV級。同時，板巖的成分與結構還會左右開挖方式與輔助控制措施的確定，是影響開挖施工質量的主要因素。

2.2 板巖地質構造

板巖的地質構造對圍巖的穩定影響較大，容易引起圍巖變形甚至坍塌的地質構造包括：（1）褶皺，在背斜和向斜的軸部，板巖的巖層發生折斷，產有次生斷裂，結構面組合較為復雜，掩體整體性較差；（2）斷層，斷層會沿縱向和深部延伸，影響范圍較大；（3）順層，圍巖為單斜構造時，板巖隧道開挖后，分離巖塊會沿軟弱結構面向臨空面發生順層滑動，導致兩側圍壓壓力不對稱，容易折斷初襯結構；（4）節理密集帶，構造節理密集發育，無規律，掩體結構面組合復雜，整體性差；（5）軟弱夾層，軟弱夾層雖然占比小，但卻在很大程度上影響了圍巖穩定。受復雜地質構造影響的板巖級別可以達到VI級。

2.3 地下水

巖體在泡水后強度都會有一定程度的降低，板巖的遇水軟化表現得更為明顯，尤其是富含黏土礦物特別是膨脹性礦物、易溶礦物和有機質的板巖，板巖遇水軟化的機理表現在2個方面，一是化學反應，如一些礦物成分與水反應生成結晶水，體積膨脹、強度降低；二是水體會增大礦物顆粒間的電層厚度，從而使得黏聚力、內摩擦角等強度參數降低。水對板巖力學性能的影響主要是通過改變板巖中層理面、結構面、裂隙等滲水部位的強度來完成的。裂隙水發育或富含地下水的板巖，圍巖級別可以達到V～VI級。因此，板巖隧道開挖施工中需充分考慮地下水的情況。

2.4 開挖方法

板巖隧道的開挖方法包括臺階法、環形開挖預留核心土法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等，在確定具體選用哪種開挖方法時需綜合考慮圍巖的地質條件、對應開挖方法的適用范圍、自身的施工水平等因素。開挖方法的選取是針對客觀地質條件的主觀決斷，不僅對隧道開挖施工質量具有明顯的影響，還對工程成本、工期有很大的影響。

2.5 管理水平

隧道工程的建設周期較長，不確定性因素較多，因此管理工作對施工質量的影響舉足輕重。管理工作可以分為風險管理和安全管理2個方面，風險管理包括風險識別、風險評估與評價、風險決策3個方面；安全管理是在施工前、施工中與施工后對施工作業人員、機械、材料以及施工工藝的管理和監督。管理水平直接影響了施工隊伍的整體素質，對隧道開挖施工質量的把控也非常重要。

3 板巖隧道開挖施工質量控制措施

3.1 建立超前的地質預報體系

超前地質預報方法較多，各有優勢和不足，如地質法對不可見的地質體易漏報，鉆探法成本高、預報范圍有限，物探法存在多解性，到目前為止，還沒有一種方法可以預報地質問題。因此，實際工程中在對超前預報方法選擇時，需充分考慮隧道沿線地質情況，并結合每種超前地質預報方法的預報距離和效果，盡量做到不同超前地質預報方法的搭配使用，即綜合運用多種方法，充分發揮各方法的優勢，相互驗證和補充，提高預報的可靠度和精度。

3.2 判定圍巖等級

板巖隧道開挖中，圍巖等級的判定是開挖方法、支護形式、圍巖穩定性評價的重要依據。然而，影響圍巖等級判定的因素很多，如巖體強度、巖體結構、地質構造、地下水等，傳統的判定方法很難滿足所有隧道工程。這里針對板巖隧道的圍巖等級判定做如下建議：（1）施工過程中需盡量采集圍巖產狀、節理發育、破碎夾層、結構面與隧道走向的組合關系以及不穩定巖體等現場圍巖信息，以對設計階段圍巖等級的判定進行修正，進而指導施工；（2）對于地質條件復雜的圍巖，可以借助軟化系數、地下水、巖體完整性系數、主要結構面與隧道縱向夾角等指標，建立適用于特定地質條件的圍巖分級體系；（3）巖層走向與隧道走向交角較小甚至平行時，容易產生順層構造，同時節理裂隙容易發育，此圍巖不宜定為Ⅲ級；（4）可采用模糊理論、變形理論、神經網絡等相關技術來判定和細分圍巖等級，為后續開挖工作的開展提供更加可靠的依據。

3.3 確定開挖方法

板巖隧道通常采用的方法包括臺階法、預留核心土法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等，在確定具體施工方法時，需結合現場實際情況，設置對應的施工參數，并利用數值計算程序（如FLAC、ANSYS等）對2～3種不同施工方法進行計算，對比分析不同施工方法下洞周位移（包括拱頂沉降、底部隆起、收斂等）、掌子面擠出位移、支護結構受力、圍巖塑性區等數值，基于分析結果選取最能保證開挖質量的開挖方法，并可對施工參數進行進一步的優化分析。

3.4 健全監測體系

板巖隧道開挖時需設置監測點以跟蹤圍巖變形及圍壓壓力分布，并根據監測數據及時調整施工參數，監測項目包括支護狀況觀察、拱頂下沉、水平收斂、圍巖壓力、錨桿軸力、鋼拱架內力、初期支護與二次襯砌接觸應力等，實際工程中需根據圍巖等級、施工方案等條件確定具體的監測項目、監測點布設參數、監測頻率、監測精度、預警值等，并及時分析監測數據，對原有的施工方案進行指導和修正，確保施工安全。

3.5 提升管理水平

想要提升管理水平，一支高素質的管理團隊是必不可少的，項目部需成立隧道專項管理團隊，該團隊的組建需要從管理理念、管理制度、管理人員3方面入手。管理理念上，不要形式主義，高效發揮管理職能；管理制度上，落實專人負責制度，對施工交底、超前預報、開挖支護、監控量測等各個環節制定嚴格的監管與保障制度；管理人員上，尤其是主要管理人員，需要具備扎實的專業認知和高水平的管理能力，能夠根據地質條件、日常施工、監測數據及時有效地辨識風險、規避風險，所有人員都需要有很高的安全意識。

4 結語

圍繞板巖隧道開挖施工的全過程，本文首先系統分析、歸納了影響板巖隧道開挖施工質量的5大因素，即板巖成分與結構、板巖地質構造、地下水、開挖方法與管理水平，并給出了各因素對開挖質量的影響情況。然后，針對以上分析從建立超前地質預報體系、判定圍巖等級、確定開挖方法、健全監測體系、提升管理水平5個方面給出了具體的板巖隧道開挖施工質量控制措施。