溶洞区铁路隧道工程问题探讨

闵家瑞 王树辉

岩溶是山区隧道建设中常见的地质灾害之一。我国是世界上岩溶分布最广的国家之一。

在岩溶区隧道建设中,有必要结合工程实例研究溶洞对隧道建设的影响,探讨其规律性,在此基础上分析岩溶区隧道施工中可能遇到的岩溶地质灾害,提出合理的建设方案及施工防治措施,以便在隧道建设中有针对性的进行溶洞处理或预处理,保证岩溶区隧道建设的安全性,提高岩溶区隧道工作的预见性,减少隧道溶岩地质灾害。

1 溶洞区铁路隧道工程问题

1.1 铁路隧道岩溶问题

岩溶区的隧道建设主要存在问题如下:

1)与隧道施工有关的工程稳定性及其防治措施问题。主要探讨不同空间展布形态和尺度的溶洞对隧道围岩—支护结构位移、应力的影响,探讨不同岩溶条件下隧道的设计原则和施工措施;

2)岩溶隧道施工中的涌水、突泥问题。主要探讨岩溶水影响条件下隧道施工中的工程地质问题及与此对应的预测、预报体系和防治措施;

3)因隧道施工造成的环境水文地质条件变化而引起的环境效应问题。主要探讨岩溶区隧道施工造成的岩溶环境变化以及由此带来的负面影响和应对措施。

1.2 铁路隧道岩溶造成的施工问题

隧道施工中,岩溶作为一种主要的特殊地质条件,岩溶区隧道的施工往往处于盲目状态,岩溶区隧道的施工往往是在被动情况下进行的。溶洞是在溶蚀地区山岭隧道施工中经常遇到的一种地质现象,由于其分布的无规律性、不均一性和其形状、大小的复杂性,决定了在设计阶段不可能全面准确地揭示沿线溶洞的分布情况。另一方面,溶洞的存在对隧道具有危害性,是一种地质灾害,特别是特大型溶洞往往给施工带来严重阻碍和重大损失。

在支护设计上主要是借用无溶洞时的支护措施,对出露溶洞一般均采用在原有支护上按经验加强支护的措施,对支护的安全性和经济性缺乏评价,对围岩—支护结构的安全评价不能考虑溶洞的影响,使得支护设计不是强度不足就是支护刚度过大,造成浪费;在岩溶段隧道的支护设计中,不能根据隐伏溶洞对围岩应力、变形等的影响规律以及因溶洞导致的围岩应力集中和塑性区的变化特点有针对性地进行加固,而基本采用全断面统一的支护措施;岩溶区隧道的位移变化特征不同于无溶洞时的围岩变形特征,对不同空间位置的岩溶对隧道围岩—支护结构稳定性的影响缺乏研究,缺乏合理的溶洞处理方案和针对岩溶影响采取的预处理措施。

表1 铁路隧道施工处理技术

岩溶区隧道的施工不同于一般隧道,溶岩溶洞的存在使得岩溶区隧道的施工动态过程复杂多变,因此,加强施工中的超前预报、预测以及施工信息的动态管理,并对施工效果进行合理评价是十分必要和有一定效果的,但目前并无相应的规范,指南性或指导性的文件来规范施工。在施工完成后无相应处治效果的监测和评价,对处理措施的经济性、合理性缺乏评估。

2 溶洞区铁路隧道施工处理技术

铁路隧道施工主要处理技术见表1。

施工前应对地表进行详细勘查,研究该地区岩溶状态及对已有溶洞的施工处理材料,采用各种物探手段进行超前地质预报,预知前方溶洞里程及状况,做到有备而战。溶洞未作处理方案前,禁止盲目弃渣、堵塞,以免影响处理方案的制定,要探明溶洞的形态分布,绘制横纵断面图。作超前地质预报→靠近溶洞时改变施工方法→发现溶洞,保存现场→溶洞勘探,绘制横纵断面图→申请变更→制定措施→溶洞处理。

溶洞的处理包括洞穴处理,排水处理,洞内充填物的处理及地表坍塌的处理等,目的是充分保证隧道支护体系的可靠性。同时穿越溶洞地段应遵循“短进尺、弱开挖、强支护、紧衬砌”的施工原则。

由于溶洞大多与地表相通,地表降水极易灌入溶洞,因此溶洞内涌水量随季节变化较大,即使对看似无水的溶洞,处理时应每隔适当距离做泄水盲沟,拱部或全周挂设防水板。对溶洞兼为地下暗河通路的情形,必须顺通河流通路,必要时做泄水隧道引排地下水。

3 溶洞区铁路隧道工程问题研究进展

对岩溶隧道的岩溶涌水、突泥问题,国内外已进行了较深入的研究,从隧道涌水、突泥的先期预测、预报,涌水量的估算和排泄一直到施工治理措施等都有一套较完善的方法。但对于岩溶区隧道建设引起的环境问题和岩溶区隧道施工期稳定性问题,目前研究刚刚起步,可供借鉴的资料有限,特别是对岩溶隧道的稳定性问题。

近年随着岩溶区隧道建设的发展,岩溶溶洞对隧道体系影响特征的研究逐渐得到加强,主要针对具体工程,就隧道施工中的出露溶洞,探讨具体的施工措施和处治方案,但对溶洞对隧道围岩变形、力及支护结构内力特征的影响研究较少,特别是隐伏溶洞对隧道的影响。对该类溶洞的处理措施无论从施工、设计规范或可供借鉴的文献资料而言,均进行了比较深入的研究。但对于隧道周边的隐伏溶洞,其稳定性的分析研究复杂。赵明阶、吴梦军等以朝东岩隧道为工程背景,研究了一定尺寸的底部、水平和顶部溶洞对隧道围岩关键点位移的影响,分析了围岩应力的变化和塑性区的分布特点,结合京珠高速公路石门坳隧道的施工,分析了岩溶洞穴对隧道工程的影响,溶洞洞穴的存在将使得隧道周边变形增加;在隧道施工中,由于溶洞的存在,隧道开挖中易出现局部的坍塌、掉块和落石,危及施工人员和设备的安全。

在岩溶隧道工程地质勘察与分析方面,国内外专家、学者和工程地质人员进行了长期的实践和研究,取得了一定的研究成果,并进一步结合各行业勘察的特点制定了相应的工程勘察规范。近几年来除常规的勘察手段,更是大力发展了物探技术,并将电磁波透视的成果引用CT法予以解释,将微重力法与地质雷达成功应用于探察溶洞洞穴等,使隧道岩溶的勘察和分析逐步向科学理论分析和定量化方向发展。在地下岩溶溶蚀空洞探测方面,对大于10 m的溶洞的探测一般不存在问题,对几米甚至1 m～2 m溶洞的探测有一定难度,但也可以探测清楚,但对于几十厘米的溶洞探测起来十分困难。

隧道地质超前预测、预报是工程地球物理研究中的疑难问题之一。目前应用的工程地质推断、地质雷达探测、反射地震负视速度法、TSP和 TRT技术有一定的效果,但在目标判别、定位,岩体工程的分类可靠性方面有一定的差距,需要进一步改进。当前,在工程实践中多采用直流电测探法和地质雷达探测法为主;个别地段辅以联合剖面法、充电法和四极对称剖面法;在具备网状布控的条件下,采用孔内无线电波透视法;将能较准确地探测直径1 m以上的似圆形溶洞。隧道围岩中溶洞的存在使得隧道围岩物理、力学性质发生变化,并且造成隧道地层刚度的变化和隧道围岩应力场变化。在隧道开挖过程中,溶洞使得隧道的施工力学过程更加复杂,并造成隧道围岩应力集中,隧道周边变形量增加。

4 结语

在岩溶区进行隧道工程建设中,由于岩溶地区地质条件复杂多变,再加上溶洞与隧道间的相互影响,使这类隧道的施工十分困难。当前在岩溶隧道施工中,施工措施和施工方案,包括支护设计等都主要采用类同于无溶洞区的施工方案,对岩溶区隧道支护设计也主要是在施工中针对开挖揭露溶洞而采取的具体加固和加强措施。因此,分析岩溶区隧道的施工实践,制定科学、合理、有效的溶洞处理方案对隧道顺利穿越岩溶地段极为重要。

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