巖溶地區(qū)的隧道施工問題與對策研究

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巖溶指可溶性巖層，這種巖層經(jīng)過水以及其他機械作用的影響會產(chǎn)生溝槽、空洞以及裂隙等。巖溶作為一種不良地質(zhì)病害，會使隧道施工困難，施工風險增加。在山區(qū)修建高等級公路時，為了改善線形，縮短里程，往往需要開挖隧道。然而在隧道施工開挖的過程中所遇到的斷層、破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象往往會多于前期勘察所探明的情況。尤其對于巖溶地區(qū)的隧道施工，施工過程具有較大的盲目性，經(jīng)常會因巖溶涌水、突泥等情況而造成較大的損失[1]。巖溶溶洞多為巖溶空腔，內(nèi)壁看似堅硬，實則不然，容易造成巖塊的墜落，一旦施工過程中發(fā)生事故，就極有可能造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至威脅施工人員的人身安全。巖溶地區(qū)的隧道施工控制一直是國內(nèi)外工程界研究的重點，積極地開展關(guān)于巖溶地區(qū)隧道施工的安全技術(shù)研究與施工要點分析，對于工程的安全建設(shè)具有重大意義。

1 淺埋隧道的巖溶問題

1.1 巖溶水對隧道的危害

巖溶水主要儲存在巖隙中，巖溶水的流動會削弱巖土顆粒之間的吸附力，溶蝕膠結(jié)物，進而削弱膠結(jié)力。此外，隧道的開挖會形成臨空面，圍巖則會朝著臨空面的方向發(fā)展，而巖溶水所處的巖土單元重量會隨之增大，進而加大剪應(yīng)力?？紫端畨毫ο魅趿似茐拿嫔系恼龖?yīng)力，導致潛在破壞面的抗剪強度也會隨之降低。隧道的修建則相當于在山體之中修建了一條集水廊道，為地下水的匯集提供了有利的條件。如果遇到較大水量的巖溶水，將會造成較高的水壓，引發(fā)隧道突水、突泥病害。然而突水、突泥的病害發(fā)生較為突然且破壞性較大，會對作業(yè)人員的人身安全造成傷害，且突水、突泥病害在后期處理較為困難，需要停工專門進行整治，從而會嚴重延誤工期。此外，突水、突泥還會引起地表的塌陷，導致地質(zhì)環(huán)境的惡化。在隧道建成運營的過程中，巖溶水依舊會影響隧道，襯砌結(jié)構(gòu)在地下水的長期浸泡下會遭受不同程度的軟化，其蠕變量也會隨之增大。另外，在地下水的作用下，一些物質(zhì)會受到結(jié)晶腐蝕、分解腐蝕、結(jié)晶分解復合腐蝕等三種類型的腐蝕，破壞襯砌結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)生裂縫。同時，地下水的深入使鋼筋也發(fā)生了銹蝕，嚴重影響了鋼筋的性能。

1.2 巖溶裂隙對隧道的影響

裂隙將完整的巖石切割成破碎的巖體，降低了圍巖的變形模量與強度。而且隧道的開挖施工又破壞了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，其中的應(yīng)力也需要重新達到新的平衡。裂隙的存在加劇了巖體的風化作用，同時裂隙之間的水也會不斷軟化巖石，最終導致巖塊質(zhì)地變軟、強度降低。

1.3 巖溶洞穴對隧道的影響

在巖溶地區(qū)修建隧道時，還可能會遇到各種形態(tài)的巖溶洞穴。溶洞是巖溶地區(qū)最為常見的形態(tài)，而當隧道穿越巖溶地區(qū)時，溶洞的大小、形態(tài)、位置、充填狀態(tài)以及充填物的性質(zhì)等都會對隧道產(chǎn)生密切的影響。溶洞的存在使圍巖的力學效應(yīng)變得尤為復雜。在隧道施工中如果遇到溶洞，極易造成圍巖局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是溶洞的形狀不夠規(guī)則且臨近掌子面的問題，會使隧道的變形量顯著增加，甚至有可能出現(xiàn)掉塊、坍塌的現(xiàn)象。如果溶洞中充填的是地下水或者泥沙等，則很有可能會引發(fā)突水、突泥的病害，從而造成財產(chǎn)的損失和人員的傷亡。

2 巖溶隧道病害的防治措施

2.1 巖溶段隧道開挖施工方法

巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)特性較為特殊，這就決定了巖溶隧道的施工方法具有一定的特殊性，為了減少隧道施工帶來的擾動，通常情況下會采用縮小開挖斷面、預(yù)留核心土的施工方法，也就是臺階法和斷面分部開挖法。

（1）臺階開挖法根據(jù)開挖的順序又可以分為正臺階法和反臺階法。其中正臺階的開挖順序是由上至下，開挖臺階的長度一般在1～1.5D，其中D表示的是隧道的跨度，其開挖方式如圖1（a）所示。反臺階法又可以稱為中隔墻臺階法，該方法主要應(yīng)用于穩(wěn)定性較好的巖層中，其開挖順序是由下至上，其中上臺階通常采用光面爆破，下臺階采用預(yù)裂爆破，臺階的長度一般要小于5D，其開挖方式如圖1（b）所示。臺階法的使用條件較為廣泛，且施工的空間大，能夠快速施工，縮短工期，工程造價較低。但是應(yīng)用臺階法在施工時，上臺階和下臺階之間會相互干擾，同時還會對圍巖進行多次擾動，不利于圍巖的穩(wěn)定性。

圖1 臺階法示意圖

（2）斷面分部開挖法可以細分為預(yù)留核心土法、CD法和雙側(cè)壁導坑法。應(yīng)用預(yù)留核心土法施工的過程中，核心土能夠?qū)﹂_挖的工作面起到支擋的作用，增強了工作面開挖的穩(wěn)定性，但是在施工時需要對圍巖進行多次擾動。CD法施工時通常會將剖面分割為6個部分，首先開挖一側(cè)的①、②、③三個部分，邊開挖邊進行支撐，之后再開挖另一側(cè)的④、⑤、⑥三個部分，待最后完成了初支和仰拱再拆除中隔墻。這種施工方法一般應(yīng)用于巖體不穩(wěn)定的隧道施工，其開挖方式如圖2所示。

圖2 CD法示意圖

雙側(cè)壁導坑法能夠以小跨度實現(xiàn)大跨度，該方法通常將隧道分為三個部分進行施工，在施工的過程中首先開挖左右兩個導洞，支撐之后再進行中間巖土體的開挖。該施工方法能夠?qū)绊敵两岛偷孛娉两颠M行有效控制，但同時該方法對圍巖的擾動較多，且臨時支護安裝以及拆除的工作量也較大，工期較長，且造價高，其開挖方式如圖3所示。

圖3 雙側(cè)壁導坑法示意圖

2.2 巖溶處理的原則

巖溶隧道災(zāi)害的治理需要以疏為主、排堵結(jié)合。可以對圍巖或者掌子面進行加壓注漿，從而避免隧道內(nèi)產(chǎn)生突水以及突泥的風險。同時還應(yīng)當加強隧道周邊的水循環(huán)，避免在隧道附近匯集地下水產(chǎn)生高水壓。如果在隧道施工的過程中遇到小型溶洞，則可以根據(jù)溶洞的位置通過混凝土或者其他石材進行封閉回填；如果遇到大型溶洞，則需要通過采用長管棚、小導管、棄渣回填等方式進行處理。通常將隧道災(zāi)害治理分為兩個部分進行，首先是開挖之前對即將開挖的區(qū)域進行加固，穩(wěn)定掌子面前方的巖溶；然后是在對巖溶體開挖之后進行加固支護，也是對隧道的超前預(yù)加固和開挖后處理。

2.3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報

在巖溶地區(qū)進行隧道的施工，超前地質(zhì)預(yù)報是必不可少的工作。通過超前地質(zhì)預(yù)報能提前掌握掌子面前方的地質(zhì)情況，推測發(fā)生巖溶病害的可能性，并及時做出評估，避免造成重大事故[2]。同時還可以通過超前地質(zhì)預(yù)報來彌補前期勘察不足的情況，及時對支護參數(shù)進行調(diào)整并提出加固措施意見，減少工程事故的發(fā)生。進行巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報主要是對前方溶洞的位置、溶洞的水量大小、水壓以及填充物性質(zhì)進行探測。其中應(yīng)用的方法主要包括地質(zhì)法、水平鉆探法以及物探法。

2.4 巖溶隧道超前預(yù)加固

巖溶隧道的超前預(yù)加固主要是運用物探和鉆探的方式探明掌子面前方的地質(zhì)情況，對隧道的局部進行注漿固結(jié)和超前支護。預(yù)加固主要針對圍巖強度不足、自穩(wěn)能力較差的情況。一種預(yù)加固方法是用錨桿和導管對其進行超前支護，另一種則是通過注漿或者冷凍的方法加固。在實際的施工中，兩種措施往往會綜合交叉使用。通過超前預(yù)加固能夠起到穩(wěn)定局部以及預(yù)先支護的作用，顯著減少施工中的病害，提高安全性同時也降低成本。一般情況下，巖溶裂隙以及小型溶穴基本上不需要超前加固，如果裂隙中有水，則需要應(yīng)用超前小導管進行預(yù)注漿。如果巖溶管道及洞穴中充填有泥沙、塊土石、碎石土，一般會采取超前大管棚和超前預(yù)注漿相結(jié)合的綜合治理措施。

3 結(jié)論

（1）進行巖溶區(qū)域隧道施工主要會面臨巖溶水、巖溶裂隙以及巖溶洞穴對其產(chǎn)生的病害。（2）進行巖溶區(qū)域隧道施工通常采用臺階法和斷面分部開挖法。（3）對巖溶病害一般通過超前地質(zhì)預(yù)報進行判斷，采用超前預(yù)加固和開挖后支護方式進行處理。