板巖隧道開挖施工質(zhì)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(zhì)、粉砂質(zhì)沉積巖或中酸性凝灰質(zhì)巖石、沉凝灰?guī)r等經(jīng)區(qū)域低溫動力變質(zhì)作用形成的一種淺變質(zhì)巖。板巖的成因使其具有層理結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)部多存在板狀劈理、裂隙等缺陷，表現(xiàn)有明顯的各向異性。因此，對板巖力學(xué)特性的研究有助于板巖隧道開挖技術(shù)與質(zhì)量控制的提升。

目前，學(xué)者們圍繞板巖力學(xué)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(jié)構(gòu)面、應(yīng)力、水等因素對其力學(xué)性能的影響規(guī)律，并利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了含一組結(jié)構(gòu)面板巖的強(qiáng)度準(zhǔn)則及力學(xué)

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

基于此，本文系統(tǒng)總結(jié)板巖隧道開挖質(zhì)量的影響因素及影響規(guī)律，并有針對性地提出有效的質(zhì)量控制措施，為板巖隧道工程的設(shè)計與施工提供參考。

2 板巖隧道開挖施工質(zhì)量影響因素

2.1 板巖成分與結(jié)構(gòu)

板巖由隱晶質(zhì)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(zhì)板巖、碳質(zhì)板巖、鈣質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖等。在板巖結(jié)構(gòu)方面，板巖中的綠泥石、絹云母及隱晶質(zhì)黏土礦物中的伊利石通常呈棱角狀，定向排列，與膠結(jié)物中的變質(zhì)礦物和泥質(zhì)膠結(jié)在一起，形成層理面，層理面上的膠結(jié)物之間及膠結(jié)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(qiáng)度較低，也往往是破壞面或滑移面產(chǎn)生的位置。因此，板巖的成分與結(jié)構(gòu)會從根本上影響圍巖的等級，完整的板巖，如砂質(zhì)板巖，巖石強(qiáng)度稍高，圍巖級別可達(dá)到Ⅲ級；含泥質(zhì)成分較多的板巖，如碳質(zhì)板巖，巖石強(qiáng)度偏低，圍巖級別一般為IV級。同時，板巖的成分與結(jié)構(gòu)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(zhì)量的主要因素。

2.2 板巖地質(zhì)構(gòu)造

板巖的地質(zhì)構(gòu)造對圍巖的穩(wěn)定影響較大，容易引起圍巖變形甚至坍塌的地質(zhì)構(gòu)造包括：（1）褶皺，在背斜和向斜的軸部，板巖的巖層發(fā)生折斷，產(chǎn)有次生斷裂，結(jié)構(gòu)面組合較為復(fù)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(gòu)造時，板巖隧道開挖后，分離巖塊會沿軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空面發(fā)生順層滑動，導(dǎo)致兩側(cè)圍壓壓力不對稱，容易折斷初襯結(jié)構(gòu)；（4）節(jié)理密集帶，構(gòu)造節(jié)理密集發(fā)育，無規(guī)律，掩體結(jié)構(gòu)面組合復(fù)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(wěn)定。受復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響的板巖級別可以達(dá)到VI級。

2.3 地下水

巖體在泡水后強(qiáng)度都會有一定程度的降低，板巖的遇水軟化表現(xiàn)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(jī)質(zhì)的板巖，板巖遇水軟化的機(jī)理表現(xiàn)在2個方面，一是化學(xué)反應(yīng)，如一些礦物成分與水反應(yīng)生成結(jié)晶水，體積膨脹、強(qiáng)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(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)降低。水對板巖力學(xué)性能的影響主要是通過改變板巖中層理面、結(jié)構(gòu)面、裂隙等滲水部位的強(qiáng)度來完成的。裂隙水發(fā)育或富含地下水的板巖，圍巖級別可以達(dá)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(huán)形開挖預(yù)留核心土法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)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(zhì)條件、對應(yīng)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(zhì)條件的主觀決斷，不僅對隧道開挖施工質(zhì)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(shè)周期較長，不確定性因素較多，因此管理工作對施工質(zhì)量的影響舉足輕重。管理工作可以分為風(fēng)險管理和安全管理2個方面，風(fēng)險管理包括風(fēng)險識別、風(fēng)險評估與評價、風(fēng)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(yè)人員、機(jī)械、材料以及施工工藝的管理和監(jiān)督。管理水平直接影響了施工隊伍的整體素質(zhì)，對隧道開挖施工質(zhì)量的把控也非常重要。

3 板巖隧道開挖施工質(zhì)量控制措施

3.1 建立超前的地質(zhì)預(yù)報體系

超前地質(zhì)預(yù)報方法較多，各有優(yōu)勢和不足，如地質(zhì)法對不可見的地質(zhì)體易漏報，鉆探法成本高、預(yù)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(yù)報地質(zhì)問題。因此，實際工程中在對超前預(yù)報方法選擇時，需充分考慮隧道沿線地質(zhì)情況，并結(jié)合每種超前地質(zhì)預(yù)報方法的預(yù)報距離和效果，盡量做到不同超前地質(zhì)預(yù)報方法的搭配使用，即綜合運(yùn)用多種方法，充分發(fā)揮各方法的優(yōu)勢，相互驗證和補(bǔ)充，提高預(yù)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(hù)形式、圍巖穩(wěn)定性評價的重要依據(jù)。然而，影響圍巖等級判定的因素很多，如巖體強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等，傳統(tǒng)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(chǎn)狀、節(jié)理發(fā)育、破碎夾層、結(jié)構(gòu)面與隧道走向的組合關(guān)系以及不穩(wěn)定巖體等現(xiàn)場圍巖信息，以對設(shè)計階段圍巖等級的判定進(jìn)行修正，進(jìn)而指導(dǎo)施工；（2）對于地質(zhì)條件復(fù)雜的圍巖，可以借助軟化系數(shù)、地下水、巖體完整性系數(shù)、主要結(jié)構(gòu)面與隧道縱向夾角等指標(biāo)，建立適用于特定地質(zhì)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(chǎn)生順層構(gòu)造，同時節(jié)理裂隙容易發(fā)育，此圍巖不宜定為Ⅲ級；（4）可采用模糊理論、變形理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)來判定和細(xì)分圍巖等級，為后續(xù)開挖工作的開展提供更加可靠的依據(jù)。

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(yù)留核心土法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，在確定具體施工方法時，需結(jié)合現(xiàn)場實際情況，設(shè)置對應(yīng)的施工參數(shù)，并利用數(shù)值計算程序（如FLAC、ANSYS等）對2～3種不同施工方法進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)受力、圍巖塑性區(qū)等數(shù)值，基于分析結(jié)果選取最能保證開挖質(zhì)量的開挖方法，并可對施工參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析。

3.4 健全監(jiān)測體系

板巖隧道開挖時需設(shè)置監(jiān)測點以跟蹤圍巖變形及圍壓壓力分布，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)，監(jiān)測項目包括支護(hù)狀況觀察、拱頂下沉、水平收斂、圍巖壓力、錨桿軸力、鋼拱架內(nèi)力、初期支護(hù)與二次襯砌接觸應(yīng)力等，實際工程中需根據(jù)圍巖等級、施工方案等條件確定具體的監(jiān)測項目、監(jiān)測點布設(shè)參數(shù)、監(jiān)測頻率、監(jiān)測精度、預(yù)警值等，并及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，對原有的施工方案進(jìn)行指導(dǎo)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(zhì)的管理團(tuán)隊是必不可少的，項目部需成立隧道專項管理團(tuán)隊，該團(tuán)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(fā)揮管理職能；管理制度上，落實專人負(fù)責(zé)制度，對施工交底、超前預(yù)報、開挖支護(hù)、監(jiān)控量測等各個環(huán)節(jié)制定嚴(yán)格的監(jiān)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(yè)認(rèn)知和高水平的管理能力，能夠根據(jù)地質(zhì)條件、日常施工、監(jiān)測數(shù)據(jù)及時有效地辨識風(fēng)險、規(guī)避風(fēng)險，所有人員都需要有很高的安全意識。

4 結(jié)語

圍繞板巖隧道開挖施工的全過程，本文首先系統(tǒng)分析、歸納了影響板巖隧道開挖施工質(zhì)量的5大因素，即板巖成分與結(jié)構(gòu)、板巖地質(zhì)構(gòu)造、地下水、開挖方法與管理水平，并給出了各因素對開挖質(zhì)量的影響情況。然后，針對以上分析從建立超前地質(zhì)預(yù)報體系、判定圍巖等級、確定開挖方法、健全監(jiān)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(zhì)量控制措施。