溶洞區(qū)鐵路隧道工程問題探討

閔家瑞 王樹輝

巖溶是山區(qū)隧道建設(shè)中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。我國(guó)是世界上巖溶分布最廣的國(guó)家之一。

在巖溶區(qū)隧道建設(shè)中,有必要結(jié)合工程實(shí)例研究溶洞對(duì)隧道建設(shè)的影響,探討其規(guī)律性,在此基礎(chǔ)上分析巖溶區(qū)隧道施工中可能遇到的巖溶地質(zhì)災(zāi)害,提出合理的建設(shè)方案及施工防治措施,以便在隧道建設(shè)中有針對(duì)性的進(jìn)行溶洞處理或預(yù)處理,保證巖溶區(qū)隧道建設(shè)的安全性,提高巖溶區(qū)隧道工作的預(yù)見性,減少隧道溶巖地質(zhì)災(zāi)害。

1 溶洞區(qū)鐵路隧道工程問題

1.1 鐵路隧道巖溶問題

巖溶區(qū)的隧道建設(shè)主要存在問題如下:

1)與隧道施工有關(guān)的工程穩(wěn)定性及其防治措施問題。主要探討不同空間展布形態(tài)和尺度的溶洞對(duì)隧道圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力的影響,探討不同巖溶條件下隧道的設(shè)計(jì)原則和施工措施;

2)巖溶隧道施工中的涌水、突泥問題。主要探討巖溶水影響條件下隧道施工中的工程地質(zhì)問題及與此對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)體系和防治措施;

3)因隧道施工造成的環(huán)境水文地質(zhì)條件變化而引起的環(huán)境效應(yīng)問題。主要探討巖溶區(qū)隧道施工造成的巖溶環(huán)境變化以及由此帶來的負(fù)面影響和應(yīng)對(duì)措施。

1.2 鐵路隧道巖溶造成的施工問題

隧道施工中,巖溶作為一種主要的特殊地質(zhì)條件,巖溶區(qū)隧道的施工往往處于盲目狀態(tài),巖溶區(qū)隧道的施工往往是在被動(dòng)情況下進(jìn)行的。溶洞是在溶蝕地區(qū)山嶺隧道施工中經(jīng)常遇到的一種地質(zhì)現(xiàn)象,由于其分布的無規(guī)律性、不均一性和其形狀、大小的復(fù)雜性,決定了在設(shè)計(jì)階段不可能全面準(zhǔn)確地揭示沿線溶洞的分布情況。另一方面,溶洞的存在對(duì)隧道具有危害性,是一種地質(zhì)災(zāi)害,特別是特大型溶洞往往給施工帶來嚴(yán)重阻礙和重大損失。

在支護(hù)設(shè)計(jì)上主要是借用無溶洞時(shí)的支護(hù)措施,對(duì)出露溶洞一般均采用在原有支護(hù)上按經(jīng)驗(yàn)加強(qiáng)支護(hù)的措施,對(duì)支護(hù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性缺乏評(píng)價(jià),對(duì)圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)不能考慮溶洞的影響,使得支護(hù)設(shè)計(jì)不是強(qiáng)度不足就是支護(hù)剛度過大,造成浪費(fèi);在巖溶段隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)中,不能根據(jù)隱伏溶洞對(duì)圍巖應(yīng)力、變形等的影響規(guī)律以及因溶洞導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力集中和塑性區(qū)的變化特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行加固,而基本采用全斷面統(tǒng)一的支護(hù)措施;巖溶區(qū)隧道的位移變化特征不同于無溶洞時(shí)的圍巖變形特征,對(duì)不同空間位置的巖溶對(duì)隧道圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響缺乏研究,缺乏合理的溶洞處理方案和針對(duì)巖溶影響采取的預(yù)處理措施。

表1 鐵路隧道施工處理技術(shù)

巖溶區(qū)隧道的施工不同于一般隧道,溶巖溶洞的存在使得巖溶區(qū)隧道的施工動(dòng)態(tài)過程復(fù)雜多變,因此,加強(qiáng)施工中的超前預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)以及施工信息的動(dòng)態(tài)管理,并對(duì)施工效果進(jìn)行合理評(píng)價(jià)是十分必要和有一定效果的,但目前并無相應(yīng)的規(guī)范,指南性或指導(dǎo)性的文件來規(guī)范施工。在施工完成后無相應(yīng)處治效果的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià),對(duì)處理措施的經(jīng)濟(jì)性、合理性缺乏評(píng)估。

2 溶洞區(qū)鐵路隧道施工處理技術(shù)

鐵路隧道施工主要處理技術(shù)見表1。

施工前應(yīng)對(duì)地表進(jìn)行詳細(xì)勘查,研究該地區(qū)巖溶狀態(tài)及對(duì)已有溶洞的施工處理材料,采用各種物探手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),預(yù)知前方溶洞里程及狀況,做到有備而戰(zhàn)。溶洞未作處理方案前,禁止盲目棄渣、堵塞,以免影響處理方案的制定,要探明溶洞的形態(tài)分布,繪制橫縱斷面圖。作超前地質(zhì)預(yù)報(bào)→靠近溶洞時(shí)改變施工方法→發(fā)現(xiàn)溶洞,保存現(xiàn)場(chǎng)→溶洞勘探,繪制橫縱斷面圖→申請(qǐng)變更→制定措施→溶洞處理。

溶洞的處理包括洞穴處理,排水處理,洞內(nèi)充填物的處理及地表坍塌的處理等,目的是充分保證隧道支護(hù)體系的可靠性。同時(shí)穿越溶洞地段應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、弱開挖、強(qiáng)支護(hù)、緊襯砌”的施工原則。

由于溶洞大多與地表相通,地表降水極易灌入溶洞,因此溶洞內(nèi)涌水量隨季節(jié)變化較大,即使對(duì)看似無水的溶洞,處理時(shí)應(yīng)每隔適當(dāng)距離做泄水盲溝,拱部或全周掛設(shè)防水板。對(duì)溶洞兼為地下暗河通路的情形,必須順通河流通路,必要時(shí)做泄水隧道引排地下水。

3 溶洞區(qū)鐵路隧道工程問題研究進(jìn)展

對(duì)巖溶隧道的巖溶涌水、突泥問題,國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了較深入的研究,從隧道涌水、突泥的先期預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào),涌水量的估算和排泄一直到施工治理措施等都有一套較完善的方法。但對(duì)于巖溶區(qū)隧道建設(shè)引起的環(huán)境問題和巖溶區(qū)隧道施工期穩(wěn)定性問題,目前研究剛剛起步,可供借鑒的資料有限,特別是對(duì)巖溶隧道的穩(wěn)定性問題。

近年隨著巖溶區(qū)隧道建設(shè)的發(fā)展,巖溶溶洞對(duì)隧道體系影響特征的研究逐漸得到加強(qiáng),主要針對(duì)具體工程,就隧道施工中的出露溶洞,探討具體的施工措施和處治方案,但對(duì)溶洞對(duì)隧道圍巖變形、力及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征的影響研究較少,特別是隱伏溶洞對(duì)隧道的影響。對(duì)該類溶洞的處理措施無論從施工、設(shè)計(jì)規(guī)范或可供借鑒的文獻(xiàn)資料而言,均進(jìn)行了比較深入的研究。但對(duì)于隧道周邊的隱伏溶洞,其穩(wěn)定性的分析研究復(fù)雜。趙明階、吳夢(mèng)軍等以朝東巖隧道為工程背景,研究了一定尺寸的底部、水平和頂部溶洞對(duì)隧道圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移的影響,分析了圍巖應(yīng)力的變化和塑性區(qū)的分布特點(diǎn),結(jié)合京珠高速公路石門坳隧道的施工,分析了巖溶洞穴對(duì)隧道工程的影響,溶洞洞穴的存在將使得隧道周邊變形增加;在隧道施工中,由于溶洞的存在,隧道開挖中易出現(xiàn)局部的坍塌、掉塊和落石,危及施工人員和設(shè)備的安全。

在巖溶隧道工程地質(zhì)勘察與分析方面,國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者和工程地質(zhì)人員進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)踐和研究,取得了一定的研究成果,并進(jìn)一步結(jié)合各行業(yè)勘察的特點(diǎn)制定了相應(yīng)的工程勘察規(guī)范。近幾年來除常規(guī)的勘察手段,更是大力發(fā)展了物探技術(shù),并將電磁波透視的成果引用CT法予以解釋,將微重力法與地質(zhì)雷達(dá)成功應(yīng)用于探察溶洞洞穴等,使隧道巖溶的勘察和分析逐步向科學(xué)理論分析和定量化方向發(fā)展。在地下巖溶溶蝕空洞探測(cè)方面,對(duì)大于10 m的溶洞的探測(cè)一般不存在問題,對(duì)幾米甚至1 m～2 m溶洞的探測(cè)有一定難度,但也可以探測(cè)清楚,但對(duì)于幾十厘米的溶洞探測(cè)起來十分困難。

隧道地質(zhì)超前預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)是工程地球物理研究中的疑難問題之一。目前應(yīng)用的工程地質(zhì)推斷、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)、反射地震負(fù)視速度法、TSP和 TRT技術(shù)有一定的效果,但在目標(biāo)判別、定位,巖體工程的分類可靠性方面有一定的差距,需要進(jìn)一步改進(jìn)。當(dāng)前,在工程實(shí)踐中多采用直流電測(cè)探法和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法為主;個(gè)別地段輔以聯(lián)合剖面法、充電法和四極對(duì)稱剖面法;在具備網(wǎng)狀布控的條件下,采用孔內(nèi)無線電波透視法;將能較準(zhǔn)確地探測(cè)直徑1 m以上的似圓形溶洞。隧道圍巖中溶洞的存在使得隧道圍巖物理、力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,并且造成隧道地層剛度的變化和隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化。在隧道開挖過程中,溶洞使得隧道的施工力學(xué)過程更加復(fù)雜,并造成隧道圍巖應(yīng)力集中,隧道周邊變形量增加。

4 結(jié)語

在巖溶區(qū)進(jìn)行隧道工程建設(shè)中,由于巖溶地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變,再加上溶洞與隧道間的相互影響,使這類隧道的施工十分困難。當(dāng)前在巖溶隧道施工中,施工措施和施工方案,包括支護(hù)設(shè)計(jì)等都主要采用類同于無溶洞區(qū)的施工方案,對(duì)巖溶區(qū)隧道支護(hù)設(shè)計(jì)也主要是在施工中針對(duì)開挖揭露溶洞而采取的具體加固和加強(qiáng)措施。因此,分析巖溶區(qū)隧道的施工實(shí)踐,制定科學(xué)、合理、有效的溶洞處理方案對(duì)隧道順利穿越巖溶地段極為重要。

[1] 侯永和,胡威東,陳壽根.深埋特長(zhǎng)隧道快速安全施工的關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè),2008,28(2):74-77.

[2] 劉清文.鐵路隧道溶洞處理技術(shù)[J].西部探礦工程,2005(7):113-115.

[3] 吳夢(mèng)軍,許錫賓,劉緒華.巖溶對(duì)公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響研究[J].地下空間,2003,23(1):59-62.

[4] 趙明階,徐 容,許錫賓.巖溶區(qū)全斷面開挖隧道圍巖變形特性模擬[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(6):710-715.

[5] 劉之葵,梁金城,朱壽增.巖溶區(qū)含溶洞巖石地基穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(5):629-633.

[6] 綦彥波.既有溶洞對(duì)鐵路單線隧道施工穩(wěn)定性的影響研究[D].天津:天津大學(xué),2007.