談巖溶隧道突水與防治

張 高 青

(河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038)

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談巖溶隧道突水與防治

張 高 青

(河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038)

簡(jiǎn)要概括了巖溶的定義，從地質(zhì)、氣象、施工三方面，分析了影響巖溶隧道突水的主要因素，論述了巖溶隧道突水造成的危害，提出了巖溶隧道突水的預(yù)防與治理措施，為巖溶隧道突水防治提供理論依據(jù)。

巖溶隧道，突水災(zāi)害，地質(zhì)預(yù)報(bào)

0 引言

我國(guó)的碳酸鹽層分布較廣，僅露出地表就接近我國(guó)國(guó)土面積的1/10，若再加地下熔巖所占面積，則能達(dá)到我國(guó)國(guó)土面積的1/3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建成的巖溶隧道中，幾乎不同程度的遭受了惡劣地下水的危害，因此對(duì)巖溶隧道突水的原因與防治的研究具有重要意義。

1 巖溶的定義與涌突水的類(lèi)型

1.1 巖溶的定義

巖溶是地表水和地下水對(duì)可溶性巖層(硫酸鹽石、碳酸鹽石、鹵酸物類(lèi)等)進(jìn)行化學(xué)侵蝕、沖蝕、崩解和機(jī)械破壞、搬運(yùn)、堆積與沉積等作用所形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱(chēng)。

1.2 涌突水的類(lèi)型

通過(guò)相關(guān)理論、工程實(shí)例和巖溶涌突水現(xiàn)象觀察分析后知，巖溶地下水的運(yùn)動(dòng)具有一定規(guī)律。隧道突水可分為五種類(lèi)型，為溶系型、脈管型、管道型、溶洞型、暗河型。一般情況下，前兩種類(lèi)型的寬度、水量及水壓較小，發(fā)生涌突水的幾率和危害性都較小。后三種類(lèi)型的出水量和水壓一般較高，容易發(fā)生突水且危害性很大。

2 影響巖溶突水的主要因素

2.1 地質(zhì)原因

巖溶在滿足一定的發(fā)育條件時(shí)，即會(huì)發(fā)生巖溶作用。具有溶蝕能力的水，首先沿縫隙進(jìn)入巖石的內(nèi)部，不斷的進(jìn)行溶蝕循環(huán)，這導(dǎo)致縫隙逐步擴(kuò)大進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榱严叮严独^續(xù)發(fā)展會(huì)形成巖溶管道，再繼續(xù)發(fā)展會(huì)形成溶洞。巖溶水具有流量大、分布不均和流速快等特點(diǎn)。由地質(zhì)因素導(dǎo)致發(fā)生突水現(xiàn)象的地形一般包括以下四種類(lèi)型：1)可溶性巖石向斜核部及背斜翼部；2)斷層破碎處；3)可溶巖與非可溶巖接觸面，以及碳酸鹽巖層間滑動(dòng)帶；4)其他各類(lèi)含水或水體的構(gòu)造圍巖。

2.2 氣象原因

巖溶作用可涉及到氣、液、固三相體系的化學(xué)平衡，氣溫、降雨量及降雨強(qiáng)度等氣象原因可輕易的改變?nèi)叩钠胶?，從而發(fā)生突水現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度較低時(shí)，具有溶蝕能力的水與巖層反應(yīng)較慢，巖溶作用不明顯。當(dāng)溫度升高時(shí)，水的溶蝕性增強(qiáng)、水流速度加快，導(dǎo)致巖溶作用加強(qiáng)。當(dāng)降雨量突增時(shí)，水的滲透量及水的運(yùn)動(dòng)交替受到影響，大量地表水轉(zhuǎn)化為巖溶水，水位上升，水壓變大，而且水中形成游離的CO2，這些因素都極易造成隧道發(fā)生突水。

2.3 施工原因

隧道施工影響了巖層的自然平衡狀態(tài)，形成了臨空面，改變了隧道周邊的水流梯度并形成松散圈，這加劇了原有裂隙的擴(kuò)大、新裂隙的形成以及水循環(huán)速度的加快，當(dāng)圍巖應(yīng)力達(dá)到極限后，就會(huì)發(fā)生突水現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，因施工原因?qū)е碌挠客凰F(xiàn)象包括以下三個(gè)方面：隧道開(kāi)挖直接導(dǎo)致的涌突水、隧道開(kāi)挖間接導(dǎo)致的涌突水以及隧道開(kāi)挖后的涌突水。

3 巖溶隧道突水的危害

隧道突水災(zāi)害嚴(yán)重危及隧道的施工安全(如圖1所示)，減緩施工的進(jìn)度，給人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)重大影響，并且常常造成重大人員傷亡事故。

3.1 造成重大人員傷亡事故

盡管?chē)?guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，但由于巖溶問(wèn)題的復(fù)雜性及相關(guān)技術(shù)依舊比較滯后的原因，在隧道施工中，經(jīng)常造成人員傷亡(如圖2所示)。如現(xiàn)存最大的陸地鐵路隧道——勒奇山隧道，其因塌方造成了人員傷亡。

3.2 造成財(cái)產(chǎn)損失

隧道發(fā)生突水災(zāi)害，無(wú)論是在施工中造成的事故或在完工后隧道的治理與維護(hù)時(shí)都會(huì)浪費(fèi)大量的財(cái)富。如馬鹿箐隧道(見(jiàn)圖3)，由于其地質(zhì)極為復(fù)雜，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，地下暗河、巖溶高壓富水溶腔等不良地質(zhì)，施工中發(fā)生突水災(zāi)害，雖然由于及時(shí)的預(yù)警和搶救，洞內(nèi)140人安全撤離，但仍然導(dǎo)致大量器械損毀，財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。再如沙馬拉達(dá)隧道，僅后期的維護(hù)治理就花費(fèi)近千萬(wàn)元。

3.3 造成工期延長(zhǎng)

隧道突水肯定會(huì)影響施工的進(jìn)度，甚至造成長(zhǎng)期停工，使隧道建設(shè)無(wú)法按時(shí)完工。如日本的舊丹那隧道，1918年開(kāi)工，因不斷發(fā)生突水災(zāi)害導(dǎo)致其1934年才完工。我國(guó)青函隧道，因四次大量突水使工期延長(zhǎng)近10年。

4 巖溶突水的預(yù)防與治理

4.1 巖溶突水的預(yù)防

在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)十分重視隧道突水的預(yù)防工作，采用合理的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，避開(kāi)高富水、破碎斷層等一些不良區(qū)段，能有效的減少甚至避免巖溶隧道突水帶來(lái)的危害。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一般有以下三種形式。

4.1.1 長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一般探測(cè)掌子面前方100 m～150 m，目前主要采用TSP法。TSP系統(tǒng)是利用一個(gè)小型的爆破裝置發(fā)出地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趲r體中傳播時(shí)，遇到不同的斷面會(huì)不同程度的反射一部分地震波，被檢波器接受分析，從而探測(cè)出前方的地質(zhì)構(gòu)造。由于TSP系統(tǒng)探測(cè)距離遠(yuǎn)，探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確且費(fèi)用不高，從而受到國(guó)內(nèi)外的推崇。我國(guó)從1996年首次引進(jìn)并多次實(shí)驗(yàn)性預(yù)報(bào)到之后的云南元磨高速公路隧道的實(shí)際應(yīng)用都取得了較好的效果，到如今TSP系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)比較完善。

4.1.2 短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)

短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)精度較高，但預(yù)測(cè)距離較短，一般包括以下兩種方法：1)紅外線法，這種方法主要根據(jù)隧道圍巖發(fā)出的紅外線的不同從而確定圍巖內(nèi)部及表面性質(zhì)。因此方法速度快、效率高、準(zhǔn)確性好，所以受到廣泛應(yīng)用。2)地質(zhì)素描法，此方法以施工時(shí)掌子面前方已探測(cè)出的地質(zhì)情況為依據(jù)，來(lái)推測(cè)前方有無(wú)不良

地質(zhì)體，其費(fèi)用較低，預(yù)測(cè)效果較好。

4.1.3 超前水平鉆探

超前水平鉆探主要通過(guò)分析鉆進(jìn)速度、鉆孔回水顏色及巖體結(jié)構(gòu)等信息來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。因其探測(cè)方法直接，預(yù)測(cè)結(jié)果非常準(zhǔn)確而成為隧道施工中的常用方法。

4.2 巖溶突水的治理原則

4.2.1 排堵結(jié)合

在我國(guó)隧道建設(shè)發(fā)展的過(guò)程中，是“排”還是“堵”一直是人們爭(zhēng)議的話題。無(wú)限制的排水雖然簡(jiǎn)單、快捷、成本低，但是往往不能從根本上解決巖溶隧道突水，若遇到連續(xù)暴雨天氣，隧道容易再次發(fā)生突水，而且無(wú)節(jié)制的排水會(huì)造成地表塌陷、水資源減少與污染、破壞周?chē)h(huán)境。單純的堵水不僅費(fèi)用很高，而且往往不能解決問(wèn)題。所以，應(yīng)采用排堵結(jié)合的治理方案，綜合考慮突水量大小、所含泥沙程度及對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全和環(huán)境的影響，將排水和堵水結(jié)合起來(lái)。

4.2.2 分區(qū)治理

根據(jù)隧道周邊的地質(zhì)情況、突水原因、突水量大小等因素，將巖溶隧道分成不同的區(qū)段，從而進(jìn)行更加針對(duì)性的治理。如遇到富水的破碎圍巖或位置較淺的斷層破碎帶的區(qū)段，因其地下水量和地下水壓力較小，而采用以排為主、局部封堵的治理方案。當(dāng)遇到對(duì)環(huán)境反應(yīng)敏感的區(qū)段，則采用全斷面帷幕注漿等方法來(lái)減少地下水的排放。

4.2.3 信息化施工、重視監(jiān)測(cè)

隨著科技的發(fā)展，一些便捷、高效率的儀器不斷投入應(yīng)用，利用這些先進(jìn)技術(shù)可輕松的對(duì)隧道內(nèi)的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其是封堵段，應(yīng)不斷對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，防止其再次發(fā)生突水。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的巖溶分布面積很大，巖溶隧道突水的研究對(duì)人們的生產(chǎn)生活及社會(huì)發(fā)展具有重要意義。在巖溶隧道施工中，突水災(zāi)害的預(yù)防工作及其重要，準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果可以避免人員的傷亡、財(cái)產(chǎn)的損失及施工延期等危害。發(fā)生突水災(zāi)害后，應(yīng)堅(jiān)持排堵結(jié)合、分區(qū)治理和信息化施工、重視監(jiān)測(cè)等原則。

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Discussion on karst tunnel water inrush and prevention

Zhang Gaoqing

(HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China)

This paper briefly generalized the definition of karst, from the geology, meteorology, construction three aspects, analyzed the main factors influence of karst tunnel water inrush, discussed the disasters caused by karst tunnel water inrush, put forward the prevention and treatment measures of karst tunnel water inrush, provided theoretical basis for prevention and control of karst tunnel water inrush.

karst tunnel, water inrush disaster, geological forecast

1009-6825(2016)11-0194-02

2016-01-28

張高青(1981- )，男，助教

U453.61

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