板岩隧道开挖施工质量影响因素及控制措施研究

刘羽春

（中交路桥南方工程有限公司，北京101100）

1 引言

板岩在我国分布较为广泛，是由黏土质、粉砂质沉积岩或中酸性凝灰质岩石、沉凝灰岩等经区域低温动力变质作用形成的一种浅变质岩。板岩的成因使其具有层理结构特性，内部多存在板状劈理、裂隙等缺陷，表现有明显的各向异性。因此，对板岩力学特性的研究有助于板岩隧道开挖技术与质量控制的提升。

目前，学者们围绕板岩力学特性与板岩隧道开挖变形控制等方面开展了系列研究，也取得了较多具有实际工程价值的研究成果【1～5】。冒海军等【6～8】通过试验研究，探讨了板岩结构面、应力、水等因素对其力学性能的影响规律，并利用Hoek-Brown强度准则建立了含一组结构面板岩的强度准则及力学

旻参数的获取方法；黄 鹏等【9】利用岩石剪切流变仪对板岩进行了单轴压缩蠕变试验，研究了板岩内部固有各向异性对蠕变特性的影响。

基于此，本文系统总结板岩隧道开挖质量的影响因素及影响规律，并有针对性地提出有效的质量控制措施，为板岩隧道工程的设计与施工提供参考。

2 板岩隧道开挖施工质量影响因素

2.1 板岩成分与结构

板岩由隐晶质黏土矿物、绿泥石、绢云母、石英、长石等矿物组成，有多个分类方法，常见的有按照板岩成分划分为泥质板岩、碳质板岩、钙质板岩、砂质板岩等。在板岩结构方面，板岩中的绿泥石、绢云母及隐晶质黏土矿物中的伊利石通常呈棱角状，定向排列，与胶结物中的变质矿物和泥质胶结在一起，形成层理面，层理面上的胶结物之间及胶结物与刚性颗粒之间存在微裂隙，大致与层理平行，使得层理面处的强度较低，也往往是破坏面或滑移面产生的位置。因此，板岩的成分与结构会从根本上影响围岩的等级，完整的板岩，如砂质板岩，岩石强度稍高，围岩级别可达到Ⅲ级；含泥质成分较多的板岩，如碳质板岩，岩石强度偏低，围岩级别一般为IV级。同时，板岩的成分与结构还会左右开挖方式与辅助控制措施的确定，是影响开挖施工质量的主要因素。

2.2 板岩地质构造

板岩的地质构造对围岩的稳定影响较大，容易引起围岩变形甚至坍塌的地质构造包括：（1）褶皱，在背斜和向斜的轴部，板岩的岩层发生折断，产有次生断裂，结构面组合较为复杂，掩体整体性较差；（2）断层，断层会沿纵向和深部延伸，影响范围较大；（3）顺层，围岩为单斜构造时，板岩隧道开挖后，分离岩块会沿软弱结构面向临空面发生顺层滑动，导致两侧围压压力不对称，容易折断初衬结构；（4）节理密集带，构造节理密集发育，无规律，掩体结构面组合复杂，整体性差；（5）软弱夹层，软弱夹层虽然占比小，但却在很大程度上影响了围岩稳定。受复杂地质构造影响的板岩级别可以达到VI级。

2.3 地下水

岩体在泡水后强度都会有一定程度的降低，板岩的遇水软化表现得更为明显，尤其是富含黏土矿物特别是膨胀性矿物、易溶矿物和有机质的板岩，板岩遇水软化的机理表现在2个方面，一是化学反应，如一些矿物成分与水反应生成结晶水，体积膨胀、强度降低；二是水体会增大矿物颗粒间的电层厚度，从而使得黏聚力、内摩擦角等强度参数降低。水对板岩力学性能的影响主要是通过改变板岩中层理面、结构面、裂隙等渗水部位的强度来完成的。裂隙水发育或富含地下水的板岩，围岩级别可以达到V～VI级。因此，板岩隧道开挖施工中需充分考虑地下水的情况。

2.4 开挖方法

板岩隧道的开挖方法包括台阶法、环形开挖预留核心土法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等，在确定具体选用哪种开挖方法时需综合考虑围岩的地质条件、对应开挖方法的适用范围、自身的施工水平等因素。开挖方法的选取是针对客观地质条件的主观决断，不仅对隧道开挖施工质量具有明显的影响，还对工程成本、工期有很大的影响。

2.5 管理水平

隧道工程的建设周期较长，不确定性因素较多，因此管理工作对施工质量的影响举足轻重。管理工作可以分为风险管理和安全管理2个方面，风险管理包括风险识别、风险评估与评价、风险决策3个方面；安全管理是在施工前、施工中与施工后对施工作业人员、机械、材料以及施工工艺的管理和监督。管理水平直接影响了施工队伍的整体素质，对隧道开挖施工质量的把控也非常重要。

3 板岩隧道开挖施工质量控制措施

3.1 建立超前的地质预报体系

超前地质预报方法较多，各有优势和不足，如地质法对不可见的地质体易漏报，钻探法成本高、预报范围有限，物探法存在多解性，到目前为止，还没有一种方法可以预报地质问题。因此，实际工程中在对超前预报方法选择时，需充分考虑隧道沿线地质情况，并结合每种超前地质预报方法的预报距离和效果，尽量做到不同超前地质预报方法的搭配使用，即综合运用多种方法，充分发挥各方法的优势，相互验证和补充，提高预报的可靠度和精度。

3.2 判定围岩等级

板岩隧道开挖中，围岩等级的判定是开挖方法、支护形式、围岩稳定性评价的重要依据。然而，影响围岩等级判定的因素很多，如岩体强度、岩体结构、地质构造、地下水等，传统的判定方法很难满足所有隧道工程。这里针对板岩隧道的围岩等级判定做如下建议：（1）施工过程中需尽量采集围岩产状、节理发育、破碎夹层、结构面与隧道走向的组合关系以及不稳定岩体等现场围岩信息，以对设计阶段围岩等级的判定进行修正，进而指导施工；（2）对于地质条件复杂的围岩，可以借助软化系数、地下水、岩体完整性系数、主要结构面与隧道纵向夹角等指标，建立适用于特定地质条件的围岩分级体系；（3）岩层走向与隧道走向交角较小甚至平行时，容易产生顺层构造，同时节理裂隙容易发育，此围岩不宜定为Ⅲ级；（4）可采用模糊理论、变形理论、神经网络等相关技术来判定和细分围岩等级，为后续开挖工作的开展提供更加可靠的依据。

3.3 确定开挖方法

板岩隧道通常采用的方法包括台阶法、预留核心土法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等，在确定具体施工方法时，需结合现场实际情况，设置对应的施工参数，并利用数值计算程序（如FLAC、ANSYS等）对2～3种不同施工方法进行计算，对比分析不同施工方法下洞周位移（包括拱顶沉降、底部隆起、收敛等）、掌子面挤出位移、支护结构受力、围岩塑性区等数值，基于分析结果选取最能保证开挖质量的开挖方法，并可对施工参数进行进一步的优化分析。

3.4 健全监测体系

板岩隧道开挖时需设置监测点以跟踪围岩变形及围压压力分布，并根据监测数据及时调整施工参数，监测项目包括支护状况观察、拱顶下沉、水平收敛、围岩压力、锚杆轴力、钢拱架内力、初期支护与二次衬砌接触应力等，实际工程中需根据围岩等级、施工方案等条件确定具体的监测项目、监测点布设参数、监测频率、监测精度、预警值等，并及时分析监测数据，对原有的施工方案进行指导和修正，确保施工安全。

3.5 提升管理水平

想要提升管理水平，一支高素质的管理团队是必不可少的，项目部需成立隧道专项管理团队，该团队的组建需要从管理理念、管理制度、管理人员3方面入手。管理理念上，不要形式主义，高效发挥管理职能；管理制度上，落实专人负责制度，对施工交底、超前预报、开挖支护、监控量测等各个环节制定严格的监管与保障制度；管理人员上，尤其是主要管理人员，需要具备扎实的专业认知和高水平的管理能力，能够根据地质条件、日常施工、监测数据及时有效地辨识风险、规避风险，所有人员都需要有很高的安全意识。

4 结语

围绕板岩隧道开挖施工的全过程，本文首先系统分析、归纳了影响板岩隧道开挖施工质量的5大因素，即板岩成分与结构、板岩地质构造、地下水、开挖方法与管理水平，并给出了各因素对开挖质量的影响情况。然后，针对以上分析从建立超前地质预报体系、判定围岩等级、确定开挖方法、健全监测体系、提升管理水平5个方面给出了具体的板岩隧道开挖施工质量控制措施。