云南某高速公路隧道岩溶发育特点及其灾害治理实例



云南某高速公路隧道岩溶发育特点及其灾害治理实例

主要研究隧道施工地质预报。

何宇1,2，刘顺1

(1.成都理工大学地球科学学院，成都 610059； 2.中铁西南科学研究院有限公司，成都610031)

摘要：岩溶隧道施工遭遇岩溶特别是充填(水、黏土)岩溶，极易发生涌突水、涌突泥灾并引发隧道冒顶、地表水源流失等地质灾害及地表生态环境破坏问题，轻则影响工期，重则对洞内施工人员和机械设备造成危害。研究岩溶隧道穿越位置岩溶发育及其充填性质，总结隧道施工岩溶灾害处理经验，无疑对今后西南岩溶隧道施工具有重要的指导意义。以云南某高速公路隧道为例，对季节变动带岩溶发育分布规律、岩溶灾害治理进行了初步探讨。

关键词：山区岩溶；发育特点；隧道施工；治理方案

0 引言

随着国民经济的快速发展，以及国家对能源和交通等基础设施建设的大力投入。西部大开发带动了我国西南部地区的高速公路建设，西南地区是我国碳酸盐岩分布较广泛的地区之一[1]。充沛降雨、较充分的腐蚀性二氧化碳和强烈构造运动作用对断层、节理裂隙发育、地表水与地下水沟通和运移，促进西南碳酸盐岩地层中岩溶发育提供了必要的条件。在较复杂的地质环境条件和时间持续作用下，该地区发育出众多形态、不同规模和不同充填性质的地下岩溶体系，给西南岩溶地区的隧道施工造成了困难和潜在的环境地质危害[2]。施工过程中，经常发生因接近、揭穿岩溶体系而遭遇施工巷道涌突水灾害，且灾害处理十分复杂，对工程建设影响较大[3]。因此，研究岩溶发育规律和确定岩溶隧道穿越位置，对今后西南岩溶隧道施工具有指导意义。

本文结合云南省滇东南文山地区某岩溶隧道施工中揭示的岩溶现象，对其岩溶发育分布及其治理进行了初步探讨。

1隧道概况

1.1隧道自然地理位置及地形地貌

隧道位于云南省滇东南地区文山州富宁县境内。隧道穿越岩溶峰丛洼地，洼地呈不规则的长条状、椭圆状，洼地边缘多有落水洞、溶井发育。海拔高程介于1 130～1 280m之间，相对高差150m。隧道上方地表植被发育，多为山林。

1.2地层岩性及地质构造

1.2.1地层岩性

隧道穿越地层依次为：第四系坡残积(Q4dl+el)红黏土和碎石层、印支一期钛辉辉绿(βμa)岩层、泥盆系中统古木组(D2g)灰岩层。

红黏土：棕黄色、红褐色，硬塑，土质较纯，切面较光滑，表层为种植土，含植物根系及少许细角砾，具弱膨胀性、高液限性。分布于隧道进口端，厚度2～20m。

碎石：褐灰、黄褐色，中密，稍湿，为中风化辉绿岩，分布于隧道洞身上部，厚度0～2m，该处隧道埋深较大，受碎石影响较小。

辉绿岩：深灰色，风化后成浅绿色，显晶质，灰绿结构，细—中粒，易于发生蚀变。呈不规则形状分布于隧道进口端，出露于乡村公路边，多为全风化，呈土状，手捏易碎，局部为强风化，岩体较破碎，节理裂隙面不明显。

灰岩：浅灰、深灰色，隐晶质，中风化，中厚—厚层状，溶蚀发育，见溶蚀裂隙、凹槽等，岩质坚硬，节理裂隙发育，分布于隧道进口—止点段。进口段岩溶洼地内，灰岩常以石芽形式出露。

隧址区出露灰岩为巨厚层状，产状不明显，附近产状为180°∠37°。

1.2.2地质构造

隧道处于南岭纬向构造体系、滇藏“歹”字形构造体系及滇越巨型旋扭构造体系的复合部位。泥盆系中统古木组(D2g)灰岩和印支一期辉绿岩地层呈不整合接触。隧道洞身未穿越断层。

1.3隧道水文地质条件

隧道进口端位于岩溶洼地，地表为农田，测绘期未见地表水及泉点出露。隧道地下水主要为第四系孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水。第四系孔隙水多赋存于第四系松散土体中，水量小；岩溶水赋存于灰岩溶蚀裂隙中。基岩裂隙水主要赋存于辉绿岩裂隙中，以及辉绿岩与灰岩接触带裂隙里。根据岩溶地下水动力剖面分带，隧道除洞口段穿越垂直渗流带外，其余均在季节变动带中穿过。隧道雨季最大涌水量为887.68m3/d。隧道工程地质纵剖面见图1。

图1　隧道工程地质纵剖面图

2隧道施工揭露岩溶及其发育特点

2.1ZK21+877～ZK21+892硐段发育的连洞型岩溶

图2为ZK21+877隧段施工中揭露的溶隙、溶洞位于埋深约50m的单斜(产状180°∠37°)构造的泥盆系中统古木组中层状浅灰色灰岩中，灰岩的节理裂隙发育，连通性较好，溶隙发育受岩层层面控制、表明其与地表水补给直接相关；溶洞发育为近水平方向，是丰水期地下水渗流、补给、侵蚀性二氧化碳均较充沛时形成的具有相对稳定自由水面的溶蚀过程所致，若水平状溶蚀体具有良好的排泄通道，则会形成地下暗河。此外，随着具有单斜产状的溶隙群的发育，地表渗流和补给的物质成分逐渐发生变化，溶隙扩展之后，地表水渗流时，携带了一定量的地表或近地表的风化物等固体物质逐步运移到溶腔内，若溶腔具有排泄通道时，其渗流携带的固体物质将在水压力条件下一同排泄；当溶腔为相对封闭体时，在溶腔底部的动水压力条件减弱和消失，其渗流携带的固体物质将不断地沉积在近水平的溶洞底部，随着年复一年的带有固体物质的渗流补充，溶腔内接受的固体沉积越来越多，最终将填满溶腔而形成土洞。这类土洞的形成往往具有区域性特点，主要受着大致相同的岩性和构造地质条件控制。工程施工中，在ZK21+877隧段揭露了一处宽约3.0～5.0 m，拱顶向上延伸约5.0～7.0 m的土洞，其内部充填了饱和粉质黏土，说明其岩溶的活动性已经较低，如图2；在随后的开挖过程中，多见小型溶隙或者溶缝，层间多充填黏土，在ZK21+892隧段，左侧拱腰位置发育一个约2.0 m×2.0 m的充填少量黏土溶洞，一方面说明其充填的固体物质来源有限，也说明其岩溶的活动性仍较强，充填过程仍在进行中，如图3。之后的围岩中没有岩溶发育迹象。

2.2ZK21+958溶缝

隧道施工开挖至ZK21+958段(埋深88m)时，掌子面左侧揭露沿与隧道轴线大角度相交贯穿性节理发育而成的黏土充填型溶缝，溶缝内有地下水流出；至ZK21+960时，溶缝向掌子面右侧延伸，拱顶向上延伸，溶缝内不断有黏土涌出。

图2　ZK21+877掌子面溶洞素描图

图3　ZK21+877溶洞向前延伸情况

由于隧道洞内溶缝持续涌泥，ZK21+960后上方地表出现地面塌陷和多条宽度为20～30 cm的裂缝。

由于隧道洞内溶缝持续涌泥，ZK21+960上方地表出现地面塌陷现象和多条宽度为20～30 cm的裂缝。图4为ZK21+958处溶缝充填情况，图5为ZK21+960溶缝中的充填物塌落现象，图6为隧道开挖区上方出现的地面塌陷照片，图7为地表岩溶轻微塌陷引起的地裂缝。

ZK21+958～960溶缝是与隧道轴线方向近乎平行的贯穿性节理且向上延伸至地表，其发育直接受季节性大气降水控制；从岩溶发育情况看 ，其基本属于岩溶发育的青壮年期，尽管受大量充填物填充的影响，但其地表水渗流在溶缝(隙)内的活动强度仍然可观，主要是系列构造结构面形成的岩溶体发生了整体岩溶效应，虽然充填物在一定程度上限制了岩溶的发展速度，但岩溶发育的一致性和较广泛性在构造发育区内形成了较明显的地表变形效应，使得地表及地下空间的工程地质条件更为复杂和恶化。本溶缝顶部位于隧道上方的地表，溶缝内充填了大量的红黏土等物质，在无人为活动扰动和地下溶洞的真空吸附的条件下，该充填物基本保持稳定，而一旦力学平衡被打破后，这类充填物将在自重或真空吸附作用下沿溶缝向下运动，既产生溶洞内的充填物塌落或涌泥涌土，也可产生一定范围的岩溶塌陷。图4～7所展示的就是上述过程。

图4　ZK21+958溶缝填充情况

图5　ZK21+960填充的溶缝物质塌落到溶洞中

图6　ZK21+960后上方地表塌陷坑

图7　ZK21+960后上方地表 地表裂缝(裂缝走向与岩层走向基本一致)

2.3本工程揭露的岩溶发育基本特点及其与地质构造的关系

在ZK21+877～ZK21+963之间，隧道开挖除揭穿出前述两次较大缝连洞岩溶或溶缝外，还断续揭露出多处小规模溶缝，在隧道纵断面上，呈串珠状出露。这些岩溶的充填情况不一，既有未充填的溶缝(隙)，也有少量充填或完全充填黏土的溶缝(隙)。通过现场工程地质调绘，发现其岩溶的发育大都与区域性的构造线(面)相关，是这些张性结构面为岩溶的发育提供了必要条件。调查发现，许多结构面与地表贯通，尤其是岩层层面在受到较大区域构造应力场作用下，产生了较大范围的扭性张裂隙(线状溶隙—溶缝—串珠状岩溶)，这就为大气降水顺结构层下渗提供了条件，也从而控制了岩溶的发育特点。

3治理措施

3.1 ZK21+877缝连洞型岩溶

基于ZK21+877缝连洞型岩溶内充填的少量含一定水分黏土涌出后，即成为一空岩溶，在隧道拱部揭穿溶缝位置及拱外增设钢筋混凝土套拱，同时需要做好隧道砌衬的防渗。

3.2ZK21+958溶缝

结合地表勘察以及洞内实际调查，经过多次专家会议制定了详细的处理方案，其具体内容如下：

1)采用C25喷射混凝土封闭掌子面；

2)从K21+958处往小里程方向的3榀拱架，每榀拱架施做35根600 cm长的Φ50×4 mm超前小导管进行注浆，超前小导管外插角10°～30°，注浆材料为水泥净浆，水泥浆水灰比为1∶1，注浆压力为0.5～1.0 MPa，在孔口处设置止浆塞，待浆液凝固后再掘进。

3)对溶洞段加强支护采用I20a工字钢架，间距0.5m/榀；每榀拱架增加12根长450 cm的Φ50×4 mm锁脚小导管；Φ8钢筋网15 cm×15 cm；C25喷射混凝土厚26 cm；采用Φ42×4 mm小导管施做系统锚管，L=350 cm，每环23根，纵向间距为50 cm；Φ50×4 mm超前小导管每榀1环，每环35根，每根长300 cm；纵向连接筋环向间距为0.5 m，二次衬砌采用Vb型。

4)溶洞治理范围与监测：纵向长度为溶洞结束后延伸5m，溶洞终止里程以四方代表现场确认为准。派专人进行洞内巡视，直到仰拱封闭、沉降稳定后结束。

5)施工方法采用三台阶法开挖。施工时遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”的原则。向大里程方向施工时，加强超强地质预报工作，保证工程施工安全。

4结语

1)构造地质条件是控制本过程区岩溶发育的必要条件，尤其是具有区域性规模的结构面体系，对区域性的岩溶发育特点具有相对一致性。本工程区内的许多结构面发育在季节变动带内，结构面沿岩层面发育时，往往具有较好的连通性。溶缝向上延伸到地面，是本过程常见的岩溶类型，这类岩溶易接受地表水流携带固体物质而形成不同程度的填充。溶缝(隙)的张开性控制了溶缝(隙)中的充填量[4]。

2)在表层岩溶带和垂直下渗带溶蚀发育相对微弱；在季节交替带和水平管道循环带则是岩溶强烈发育地区[5]。

3)岩溶灾害的治理应视黏土充填情况区别进行，封闭掌子面、超前支护、分布开挖和及时施工初期支护，是处理黏土充填岩溶、确保施工安全及顺利通过的有效方法。

参考文献

[1] 何发亮,李苍松,陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都：西南交通大学出版社,2006：12-48.

[2] 何发亮，张玉川.隧道施工地质灾害与不良地质体及其预报[M].成都：西南交通大学出版社，2011：39-43.

[3] 叶英.隧道施工超前地质预报[M].北京：人民交通出版社，2011：105-110.

[4] 彭建兵，马润勇，邵铁全.构造地质与工程地质的基本关系[J]．地学前缘，2004，11(4)：535-549.

[5] 周笑，林贤杰.岩溶与地质构造的关系[J]．岩土工程与地下工程，2012，32(4)：132-133.

[6] 李焯均，陈建平.岩溶发育机理研究在隧道岩溶超前预报中的应用[J]．隧道建设，2009，29(4)：427-430．

[7] 吴冶生，张杰.岩溶隧道地质构造与围岩等级的划分[J]．铁道工程学报，2012，163(4)：6-12.

The development characteristics and hazard treatment of

karst tunnel on one highway in Yunnan province China

HE Yu, et al.

(CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059，China)

Abstract：Karst tunnel construction is vulnerable from karst hazards of water bursting and mud bursting especially karst with (water or mud) filled, and some problems on geological hazards and ground surface ecological environment damage will happen such as water loss in the tunnel roof or ground surface, and so on. The range of hazards is from the little part of impacting construction duration to heavy damage to the cave construction personnel and machinery equipment. The study on the karst tunnel passing position, the development characteristics, the fill property, and the conclusion on hazard treatment experience during karst tunnel construction will have the instructive significance to south-west karst tunnel construction. This paper takes one highway in Yunnan province in China as example, makes a study on the distribution rules of karst development and karst hazard treatment affected by seasons changing in karst area.

Key words：karst mountain; development characteristics; tunnel construction management program

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0074-04

中图分类号：P56

作者简介：何宇(1986-)，男(汉)，四川自贡，工程师

收稿日期：2015-09-11

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.018