隧道勘察設(shè)計在巖溶發(fā)育地區(qū)的經(jīng)驗與施工策略研究

馬鐵蹄

(銅仁市公路勘察設(shè)計院)

1 巖溶的形態(tài)及形成條件

1.1 巖溶的形態(tài)特征

巖溶主要分布在以碳酸鹽類為主的可溶性巖石周圍，這是因為由于地下水的沖擊對可溶性巖石產(chǎn)生了破壞性的作用，與可溶性巖石產(chǎn)生了化學(xué)溶解，從而引起了各種地質(zhì)現(xiàn)象和形態(tài)發(fā)生了改變。

巖溶發(fā)育初期大多是石芽和溶溝，然后慢慢形成落水洞和溶斗。隨著時間的推移，地下洞穴開始慢慢擴(kuò)大，相互交匯成一個地下水系統(tǒng)，并以地下水面為分界線，地下水面以上的溶洞干涸，而地下水面以下的溶洞則水資源豐富，這就是熔巖發(fā)育的青春期。巖溶進(jìn)入中年期后，由于地面被長期腐蝕，貼近地面的溶洞的頂板就會開始崩塌，而此時地下河的一些段塌頂也逐步變成地面河。最后，石灰?guī)r被大量腐蝕，溶洞和地下河大量崩塌，最終形成了平原地貌。此時，我們可以形容該時期為巖溶的老年期。

1.2 巖溶的形成條件

巖溶的發(fā)育離不開三個條件，即巖層具有可溶性，水要充足并且具有腐蝕性，水的狀態(tài)必須是持續(xù)流動的。這三個條件相輔相成，缺一不可。

除上述三個條件外，巖溶的發(fā)育還會受到氣候，地形地貌等因素的影響。氣候的變化直接影響著水的溶蝕能力、規(guī)模以及被腐蝕的速度。而對巖溶發(fā)育影響最大的當(dāng)屬降水量和氣溫，一旦降水量和氣溫越來越高，巖溶就越容易被侵蝕，它的成長速度也就越快。然而，地形地貌對巖溶的發(fā)育成長也不容小覷。在分水嶺地區(qū)，由于水資源不充足，一般都是靠降水補(bǔ)給，所以，靠近分水嶺地區(qū)的巖溶作用相對比較薄弱。在丘陵地區(qū)，地下的水資源充足，不斷地在流動，并且與暗河相連，所以巖溶作用很強(qiáng)。山頂雖然也有豎井和溶洞，但是水流基本趨于停滯狀態(tài)，所以幾乎沒有巖溶作用可言。

2 隧道勘察設(shè)計在巖溶發(fā)育地區(qū)遇到的問題

2.1 巖溶隧道的風(fēng)險等級

在進(jìn)行隧道勘察設(shè)計前必須先了解隧道的風(fēng)險狀況，其次根據(jù)其風(fēng)險狀況制定合理有效的施工處理方案以及應(yīng)急處理措施，以便最大程度地降低施工中的人員傷亡。巖溶隧道按照地表所處的地理位置不同，分為三類:

(1)陸地越嶺隧道。

該類型的隧道是工程施工中最常見的一種，也是目前隧道風(fēng)險評估的主要對象，同地下隧道和水下隧道相比較而言，是最容易整治的。

(2)地下隧道。

地下隧道通常位于地下水位之下，而地下水位又和巖溶區(qū)域比較接近，所以一旦隧道通過巖溶區(qū)域時，不可避免地會引起地質(zhì)災(zāi)害，這在分險等級中屬于高風(fēng)險。

(3)水下隧道。

水下隧道最主要的特點就是水資源豐富，而且隧道突水的壓力較大，地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重，政治條件最困難，在這三類風(fēng)險中屬于風(fēng)險最大的等級。

2.2 巖溶制約隧道施工進(jìn)程

在勘察設(shè)計過程中，隧道的施工進(jìn)程往往受到巖溶的影響，其影響方面主要有以下幾點。

(1)突泥突水。

由于巖溶地帶有很強(qiáng)的腐蝕性，地面結(jié)構(gòu)很容易崩塌，所以施工進(jìn)程比較緩慢，如果不顧及巖溶地段的特殊性，一旦巖溶崩塌就會造成場地被毀，人員受傷，最終導(dǎo)致工期延誤。根據(jù)有關(guān)資料的顯示，可以把突泥突水分為4 個風(fēng)險等級。

①I 級(嚴(yán)重)。特大突水(涌水量大于1 ×105m3/d)、大型突水(涌水量1 ×104～1 ×105m3/d)、突泥、高水壓。突水發(fā)生的時間無法確定，短則幾小時，長則十幾小時，一旦發(fā)生突水情況，施工掌子面在短時間內(nèi)被淹沒，施工設(shè)施被破壞，施工人員的安全也令人擔(dān)憂。

②Ⅱ級(較嚴(yán)重)。中小型突水(涌水量1 ×103～1 ×104m3/d)、突泥，此時的突泥突水對施工的影響甚微，也不會傷害施工人員的人身安全。

③Ⅲ級(一般)。小型涌水(涌水量1×102～1×103m3/d)、涌泥。

④Ⅳ(輕微)。涌水量小于1 ×102m3/d，涌突水可能性極小。

(2)地表作用。

如果隧道內(nèi)的巖溶水流動量大，就會造成地表塌陷以及地表嚴(yán)重缺水的狀況。

(3)結(jié)構(gòu)作用。

有時在開挖巖溶地段的隧道時會發(fā)現(xiàn)有很多小溶洞，這些小溶洞的水量很少，有的甚至無水，但這并不代表沒有安全隱患。如果在雨水頻繁的季節(jié)，已完工的襯砌或支護(hù)受巖溶水的影響而出現(xiàn)開裂、變形的現(xiàn)象。

(4)空溶洞和充填溶洞的影響。

這兩種溶洞的施工成本比較大，和普通溶洞相比，施工難度大，施工進(jìn)程也會相對減慢。

2.3 勘察設(shè)計時面臨的巖溶問題

巖溶隧道的設(shè)計施工一直是隧道工程界的一個難點，這是因為巖溶發(fā)育的不均衡行和不規(guī)則以及其他因素的難以掌控，發(fā)育的形態(tài)也千奇百怪。一般來說水源多的地段隧道襯砌設(shè)計很難把握，而突水突泥現(xiàn)象對工程施工的進(jìn)度和安全造成了很大危害。多年來，國內(nèi)外隧道施工團(tuán)隊一直把特長巖溶隧道問題作為重大難題。我國在隧道勘察施工過程中均遇到過巖溶突泥突水、底板塌陷以及頂板溶洞充填物陷落冒頂?shù)葐栴}。例如:在修建貴昆鐵路梅花隧道時，遭遇地下河及大型溶洞，商討后決定在隧洞中修隔水墻，攔截暗河;在修建京廣鐵路大瑤山隧道時，由于巖溶突水不斷聚集，最終形成泥石流，導(dǎo)致鐵路運營長期停滯，損失慘重。

3 隧道勘察設(shè)計與施工策略

3.1 隧道勘察設(shè)計

避免大范圍、發(fā)育嚴(yán)重的巖溶地帶;避免與地下暗河的水流交匯;避免大面積地穿越水巖層，這是在隧道工程設(shè)計時需要總體把握的原則。在初步設(shè)計勘察時，需要對基巖情況、地下水出頭情況、各種溶蝕地貌的發(fā)育狀況進(jìn)行大面積的勘察。對于隧道周圍有大規(guī)模水源體或大規(guī)模的導(dǎo)水通道應(yīng)予以重點關(guān)注，然后根據(jù)勘察結(jié)果制定可靠的勘察設(shè)計方案，對于存在地下暗河的區(qū)域，要清楚地下水系與隧道的地理位置關(guān)系，在設(shè)計方案時盡可能地避免地下水系與隧道軸線縱橫交錯，降低施工過程中的風(fēng)險。初步勘查設(shè)計完成后就可以利用初勘的原始圖件對隧道穿越地層進(jìn)行進(jìn)一步的勘探。比如，對初勘中可疑地段進(jìn)行有針對性的勘察;對隧址區(qū)的巖溶發(fā)育情況和地下水系情況進(jìn)一步的詳細(xì)探明。在進(jìn)行圖稿設(shè)計時，要考慮對巖溶發(fā)育區(qū)襯砌加強(qiáng)設(shè)計。

3.2 施工策略

(1)詳細(xì)檢測巖溶發(fā)育區(qū)域。

巖溶區(qū)的溶洞發(fā)育形態(tài)綽約多姿，與隧道的位置有著千絲萬縷的關(guān)系，在隧道基床底部還有各種各樣的巖溶發(fā)育地段，這些巖溶發(fā)育地段不管有沒有布設(shè)仰拱，都無法全部說明巖溶對隧道造成的不利影響。針對以上問題，在施工前要對隧道基床進(jìn)行檢測并制定詳細(xì)的檢測方案，在異常區(qū)內(nèi)需要進(jìn)行橫向掃描和鉆孔探測，巖溶區(qū)隧道在仰拱或底板施工前要縱向進(jìn)行3 條側(cè)線掃描，根據(jù)上述的測量信息采取相應(yīng)補(bǔ)救措施，如增加鋼筋混泥土底板等。

(2)巖溶隧道地表塌陷機(jī)理與處治方法。

地表塌陷是因為有溶溝和垂直溶洞的存在，由于溶溝的寬度、深度、長度以及溶溝與隧道方向位置的關(guān)系難以把握，所以在隧道進(jìn)洞初期地表塌陷的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，尤其是在偏壓地段。為了防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)當(dāng)把洞內(nèi)塌方體的封閉穩(wěn)定和地表截水溝作為首要措施。

地表塌陷的類型和形態(tài)大小的不同決定了應(yīng)該采用什么方法進(jìn)行處理。對于寬度小的溶槽，可以通過錨桿錨固來解決或者采用大石塊來填充。而對于表面積較大的溶溝區(qū)可以采用地表注漿的方法來加固塌陷地表。對于陷坑表面，可以用網(wǎng)噴混凝土澆蓋，再加上鋼化管注漿加固，安全通過后方可用水泥土回填順接地表，并通過噴射混凝土來封閉表面。

4 結(jié)束語

巖溶地區(qū)隧道設(shè)計是一項高難度且多樣化的系統(tǒng)工作。一方面要結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)、水文情況，還要考慮到對環(huán)境的影響;另一方面要能夠一次性完成根治，沒有后顧之憂，保證施工和運營能夠有效進(jìn)行。在隧道勘察設(shè)計時，要綜合考慮各方面的因素，根據(jù)每個項目的特點進(jìn)行合理檢測安排，控制風(fēng)險成本，推動整個項目的順利進(jìn)行。

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［4］譚遠(yuǎn)發(fā).長大深埋隧道工程地質(zhì)綜合勘查技術(shù)應(yīng)用研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2012，(4).