巖溶鐵路隧道災(zāi)害及治理措施研究

陳濤

摘 要：伴隨著我國鐵路工程的發(fā)展，巖溶地區(qū)鐵路隧道施工項目越來越多。本文針對鐵路隧道溶洞施工原則、鐵路隧道易出現(xiàn)的問題進(jìn)行探討，并提出了相應(yīng)的處理措施，希望對巖溶地區(qū)鐵路隧道的施工具有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：巖溶;鐵路隧道;災(zāi)害;治理措施

巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層進(jìn)行化學(xué)和機械性侵蝕破壞、搬運、沉積作用形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。巖石的的可溶性和裂隙性以及水的侵蝕性和流通性是巖溶發(fā)育的基本條件。我國巖溶地區(qū)分布廣泛，隨著我國鐵路建設(shè)項目的不斷發(fā)展，在巖溶地區(qū)開展隧道工程施工已不斷增加。巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞發(fā)育，通常在向斜構(gòu)造比背斜構(gòu)造巖溶發(fā)育強烈，向斜構(gòu)造的核部巖溶發(fā)育比兩翼強烈，背斜構(gòu)造兩翼比核部巖溶發(fā)育強烈。巖溶對隧道的影響主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)物部分及全部懸空，大大降低隧道使用的可靠度，溶洞填充物外涌，給施工造成困難和安全隱患，季節(jié)性的巖溶洞穴涌水，給隧道施工和體系帶來不安全和不穩(wěn)定因素。在巖溶發(fā)育地區(qū)修建隧道過程中，如何保證工程安全、可靠、順利的穿越巖溶區(qū)的處理技術(shù)方案是設(shè)計和施工技術(shù)人員必須研究和解決的重大課題。

1 鐵路隧道溶洞施工原則

1.1 安全原則。不僅要考慮施工安全，還必須考慮未來的行車安全以及環(huán)境安全。行車安全不需多說，環(huán)境安全體現(xiàn)了人與環(huán)境的和諧程度、影響著環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。不能僅僅為了施工便利，不經(jīng)調(diào)查和研究即對溶洞進(jìn)行簡單的處理從而影響整個地下水系，破壞當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境平衡。

1.2 充分考慮方案的合理性。在隧道施工之前，要深入了解周邊環(huán)境、地形地貌及其地質(zhì)結(jié)構(gòu)，掌握溶洞分布范圍和類型，巖層的完整穩(wěn)定程度、填充物、氣體和地下水情況，通過這些確定施工方法。不少地區(qū)的溶洞地形比較復(fù)雜，且地質(zhì)條件也不同，在隧道建設(shè)施工時，合理選用施工機械，避免造成溶洞倒塌造成人員傷亡。在巖溶區(qū)施工隧道需要進(jìn)行爆破作業(yè)時，要充分優(yōu)化爆破方案嚴(yán)格控制用藥量，避免破壞溶洞原有的整體結(jié)構(gòu)造成坍塌等危險。

1.3 施工過程要具有靈活性。溶洞作為長期封閉的地下空間，很難對其形態(tài)和環(huán)境做出全面細(xì)致的預(yù)判，在施工過程中也會改變其狀態(tài)，因此事先確定的施工方案也不是一成不變的，應(yīng)建立應(yīng)急預(yù)案和動態(tài)調(diào)整機制。在一種處理方法失去作用時或者效果不明顯時，必須及時調(diào)整方案。業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計和施工等相關(guān)單位要建立有效的聯(lián)通渠道、緊密結(jié)合，做到及時溝通，以應(yīng)對各類突發(fā)難題。

2 巖溶涌水突泥致災(zāi)機理

巖溶涌水突泥主要與地質(zhì)構(gòu)造及施工開挖過程有關(guān)。通常，隧道巖溶突水可分為地質(zhì)因素誘發(fā)突水和非地質(zhì)因素誘發(fā)突水兩類，由于隧道圍巖中普遍存在著節(jié)理、構(gòu)造裂隙、裂縫等地質(zhì)特征，因此地質(zhì)因素誘發(fā)突水占絕大部分。通常表現(xiàn)為地質(zhì)體失穩(wěn)形成突水通道。侵蝕性的水流在構(gòu)造裂隙中流動使構(gòu)造裂隙不斷擴(kuò)大形成溶蝕裂隙，寬大的溶蝕裂隙繼續(xù)發(fā)展成巖溶管道，巖溶管道繼續(xù)溶蝕逐漸形成大的溶洞，出現(xiàn)涌水，并具有出水量大、分布不均、流動迅速和集中排泄的特點。

隧道開挖過程中，集中水源中水壓力和開挖面至充水溶腔的距離會影響開挖面附近的水力梯度，這種水力梯度直接影響著涌水突泥的發(fā)生。隧道開挖前，巖體處于自然平衡狀態(tài)，隧道開挖擾動了巖體，形成臨空面，并在隧道周邊形成松動圈，導(dǎo)致原有的裂隙擴(kuò)張和新裂隙的產(chǎn)生，改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和地下水的流動狀態(tài)，加速了水循環(huán)。水循環(huán)的加速使得地質(zhì)體加速溶蝕，原有的裂隙、溶隙逐漸變大，形成溶管、溶腔，為突水涌泥的發(fā)生提供了通道。

3 防治措施

3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報

鐵路巖溶隧道，應(yīng)根據(jù)巖溶及巖溶水發(fā)育程度，以鉆探法為主，綜合地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁等方法，對掌子面前方巖溶發(fā)育情況、充填情況及充填物性質(zhì)，圍巖完整程度，地下水進(jìn)行預(yù)報。各種方法相互驗證，并對各種預(yù)報成果進(jìn)行地質(zhì)綜合分析，提高預(yù)報的準(zhǔn)確率。實施過程中，根據(jù)預(yù)報情況及地質(zhì)條件動態(tài)調(diào)整預(yù)報方法。

3.2 溶洞水的處理

通常巖溶水的處理要遵循“以排為主，防、排、截、堵相結(jié)合”的綜合處理要求。優(yōu)選管道連接方法，即在探明溶洞發(fā)育變化規(guī)律的前提下，將原有的地下水系進(jìn)行切斷，然后再用涵管或涵洞等管道方式進(jìn)行連接，繞過溶洞發(fā)育的方向，這樣既保持了原地下水的流動方向，避免了人為改動導(dǎo)致地下水系混亂的情況，而且還有效地避開了溶洞的發(fā)育方向，給溶洞繼續(xù)發(fā)育的環(huán)境，管道可以根據(jù)溶洞內(nèi)的情況進(jìn)行布置，比如在隧道底部或者側(cè)面進(jìn)行加設(shè)，同時有關(guān)管道出入口周邊至隧道邊墻外緣位置要通過漿砌片石來回填密實。當(dāng)巖溶水流的位置在隧道頂端或高于隧道頂端時，應(yīng)設(shè)置引水斜洞將其開鑿到適當(dāng)距離之外，保證水位不超過隧底標(biāo)高，這樣才可以引排。

如果溶洞確定溶腔內(nèi)填充物屬于飽和水，最好的方法就是限排降壓處理法。首先在溶洞揭示前對掌子面做好加固處理，對溶洞進(jìn)行周邊帷幕注漿加固堵水，同時在帷幕外側(cè)要設(shè)置若干泄水孔。此過程中，對于水壓力的變化要加強監(jiān)控，并做好應(yīng)急防范措施。結(jié)束隧道開挖工作后，及時進(jìn)行鉆孔并注漿封堵。設(shè)置泄水孔，緩緩適量地釋放溶腔應(yīng)力，與帷幕注漿結(jié)合通過是處理富水型溶洞的良好手段。這樣溶腔壁的穩(wěn)定性可以有效增強，可以避免突水突泥的發(fā)生，使項目施工的安全性得到保障。

3.3 紅外探水

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，特別是有巖溶發(fā)育區(qū)域，在掘進(jìn)過程中容易遇見隱患問題，如地下水體或含水層理。紅外探水除可探測掌子面前方的地質(zhì)情況外，還可探測掌子面前方頂板上方、底板下方、兩邊墻外部的地質(zhì)情況。針對復(fù)雜水文地質(zhì)特點，紅外探測儀可實現(xiàn)全空間全方位探測。如若發(fā)現(xiàn)前方有水存在，可采用相應(yīng)的排水措施，如引流、排、堵等，亦可采用跨越或繞避等措施。

3.4 應(yīng)用樁基技術(shù)

進(jìn)行樁基作業(yè)之前，需要對巖溶裂隙情況進(jìn)行調(diào)查，然后確定打入地層樁基的深度。為了保證鐵路施工過程中的安全，需要建立起具有水、土及巖石物質(zhì)形成的封閉單元，在進(jìn)行鉆孔作業(yè)之前對存在的巖溶裂隙注入水泥漿。多采用高壓旋噴支護(hù)方式的基坑，利用高壓旋噴樁在地層中建立起止水帷幕，需要保證深度不低于5米，可以更好地保護(hù)鐵路地基進(jìn)行支護(hù)。在施工過程中需要注意如下幾方面內(nèi)容：基坑需要設(shè)計為陡坡、放坡等方式，注入的漿液在保證噴射到巖面部位。如果存在溶洞、漏液等問題時，需要先注入高強度漿體，如果存在裂縫現(xiàn)象，還需要適當(dāng)加深。支護(hù)施工完成之后，需要做好地質(zhì)勘察工作，可以深入了解巖溶區(qū)域中的地質(zhì)裂隙問題。確定出科學(xué)合理的樁基深度，設(shè)計好注入漿液的區(qū)段和數(shù)量。對地下水位進(jìn)行準(zhǔn)確地記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之后對樁基進(jìn)行設(shè)計。但進(jìn)行具體的設(shè)計之前，應(yīng)該建立起鉆孔灌注嵌巖樁，可以更好地保證樁基的穩(wěn)定性和重要性。并對樁端部以下的巖石完整性進(jìn)行檢查，確定剛度可以達(dá)到設(shè)計承載。在實際的施工過程中，還需要及時調(diào)整灌注樁孔洞位置。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展，隧道巖溶處理技術(shù)也越來越成熟，但巖溶作為存在上萬年的地下幽閉空間，其成因、形態(tài)、環(huán)境難以勘察全面，因此針對各種類型隧道巖溶問題的治理措施，在確保隧道施工和運營安全的同時，也要因地制宜、本著敬畏自然、順應(yīng)自然的原則，盡量減少對環(huán)境的破壞，以促進(jìn)人和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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