隧道勘察设计在岩溶发育地区的经验与施工策略研究

2015-03-21马铁蹄

黑龙江交通科技 2015年3期

关键词：突水溶洞岩溶

马铁蹄

(铜仁市公路勘察设计院)

1 岩溶的形态及形成条件

1.1 岩溶的形态特征

岩溶主要分布在以碳酸盐类为主的可溶性岩石周围，这是因为由于地下水的冲击对可溶性岩石产生了破坏性的作用，与可溶性岩石产生了化学溶解，从而引起了各种地质现象和形态发生了改变。

岩溶发育初期大多是石芽和溶沟，然后慢慢形成落水洞和溶斗。随着时间的推移，地下洞穴开始慢慢扩大，相互交汇成一个地下水系统，并以地下水面为分界线，地下水面以上的溶洞干涸，而地下水面以下的溶洞则水资源丰富，这就是熔岩发育的青春期。岩溶进入中年期后，由于地面被长期腐蚀，贴近地面的溶洞的顶板就会开始崩塌，而此时地下河的一些段塌顶也逐步变成地面河。最后，石灰岩被大量腐蚀，溶洞和地下河大量崩塌，最终形成了平原地貌。此时，我们可以形容该时期为岩溶的老年期。

1.2 岩溶的形成条件

岩溶的发育离不开三个条件，即岩层具有可溶性，水要充足并且具有腐蚀性，水的状态必须是持续流动的。这三个条件相辅相成，缺一不可。

除上述三个条件外，岩溶的发育还会受到气候，地形地貌等因素的影响。气候的变化直接影响着水的溶蚀能力、规模以及被腐蚀的速度。而对岩溶发育影响最大的当属降水量和气温，一旦降水量和气温越来越高，岩溶就越容易被侵蚀，它的成长速度也就越快。然而，地形地貌对岩溶的发育成长也不容小觑。在分水岭地区，由于水资源不充足，一般都是靠降水补给，所以，靠近分水岭地区的岩溶作用相对比较薄弱。在丘陵地区，地下的水资源充足，不断地在流动，并且与暗河相连，所以岩溶作用很强。山顶虽然也有竖井和溶洞，但是水流基本趋于停滞状态，所以几乎没有岩溶作用可言。

2 隧道勘察设计在岩溶发育地区遇到的问题

2.1 岩溶隧道的风险等级

在进行隧道勘察设计前必须先了解隧道的风险状况，其次根据其风险状况制定合理有效的施工处理方案以及应急处理措施，以便最大程度地降低施工中的人员伤亡。岩溶隧道按照地表所处的地理位置不同，分为三类:

(1)陆地越岭隧道。

该类型的隧道是工程施工中最常见的一种，也是目前隧道风险评估的主要对象，同地下隧道和水下隧道相比较而言，是最容易整治的。

(2)地下隧道。

地下隧道通常位于地下水位之下，而地下水位又和岩溶区域比较接近，所以一旦隧道通过岩溶区域时，不可避免地会引起地质灾害，这在分险等级中属于高风险。

(3)水下隧道。

水下隧道最主要的特点就是水资源丰富，而且隧道突水的压力较大，地质灾害最严重，政治条件最困难，在这三类风险中属于风险最大的等级。

2.2 岩溶制约隧道施工进程

在勘察设计过程中，隧道的施工进程往往受到岩溶的影响，其影响方面主要有以下几点。

(1)突泥突水。

由于岩溶地带有很强的腐蚀性，地面结构很容易崩塌，所以施工进程比较缓慢，如果不顾及岩溶地段的特殊性，一旦岩溶崩塌就会造成场地被毁，人员受伤，最终导致工期延误。根据有关资料的显示，可以把突泥突水分为4 个风险等级。

①I 级(严重)。特大突水(涌水量大于1 ×105m3/d)、大型突水(涌水量1 ×104～1 ×105m3/d)、突泥、高水压。突水发生的时间无法确定，短则几小时，长则十几小时，一旦发生突水情况，施工掌子面在短时间内被淹没，施工设施被破坏，施工人员的安全也令人担忧。

②Ⅱ级(较严重)。中小型突水(涌水量1 ×103～1 ×104m3/d)、突泥，此时的突泥突水对施工的影响甚微，也不会伤害施工人员的人身安全。

③Ⅲ级(一般)。小型涌水(涌水量1×102～1×103m3/d)、涌泥。

④Ⅳ(轻微)。涌水量小于1 ×102m3/d，涌突水可能性极小。

(2)地表作用。

如果隧道内的岩溶水流动量大，就会造成地表塌陷以及地表严重缺水的状况。

(3)结构作用。

有时在开挖岩溶地段的隧道时会发现有很多小溶洞，这些小溶洞的水量很少，有的甚至无水，但这并不代表没有安全隐患。如果在雨水频繁的季节，已完工的衬砌或支护受岩溶水的影响而出现开裂、变形的现象。

(4)空溶洞和充填溶洞的影响。

这两种溶洞的施工成本比较大，和普通溶洞相比，施工难度大，施工进程也会相对减慢。

2.3 勘察设计时面临的岩溶问题

岩溶隧道的设计施工一直是隧道工程界的一个难点，这是因为岩溶发育的不均衡行和不规则以及其他因素的难以掌控，发育的形态也千奇百怪。一般来说水源多的地段隧道衬砌设计很难把握，而突水突泥现象对工程施工的进度和安全造成了很大危害。多年来，国内外隧道施工团队一直把特长岩溶隧道问题作为重大难题。我国在隧道勘察施工过程中均遇到过岩溶突泥突水、底板塌陷以及顶板溶洞充填物陷落冒顶等问题。例如:在修建贵昆铁路梅花隧道时，遭遇地下河及大型溶洞，商讨后决定在隧洞中修隔水墙，拦截暗河;在修建京广铁路大瑶山隧道时，由于岩溶突水不断聚集，最终形成泥石流，导致铁路运营长期停滞，损失惨重。

3 隧道勘察设计与施工策略

3.1 隧道勘察设计

避免大范围、发育严重的岩溶地带;避免与地下暗河的水流交汇;避免大面积地穿越水岩层，这是在隧道工程设计时需要总体把握的原则。在初步设计勘察时，需要对基岩情况、地下水出头情况、各种溶蚀地貌的发育状况进行大面积的勘察。对于隧道周围有大规模水源体或大规模的导水通道应予以重点关注，然后根据勘察结果制定可靠的勘察设计方案，对于存在地下暗河的区域，要清楚地下水系与隧道的地理位置关系，在设计方案时尽可能地避免地下水系与隧道轴线纵横交错，降低施工过程中的风险。初步勘查设计完成后就可以利用初勘的原始图件对隧道穿越地层进行进一步的勘探。比如，对初勘中可疑地段进行有针对性的勘察;对隧址区的岩溶发育情况和地下水系情况进一步的详细探明。在进行图稿设计时，要考虑对岩溶发育区衬砌加强设计。

3.2 施工策略

(1)详细检测岩溶发育区域。

岩溶区的溶洞发育形态绰约多姿，与隧道的位置有着千丝万缕的关系，在隧道基床底部还有各种各样的岩溶发育地段，这些岩溶发育地段不管有没有布设仰拱，都无法全部说明岩溶对隧道造成的不利影响。针对以上问题，在施工前要对隧道基床进行检测并制定详细的检测方案，在异常区内需要进行横向扫描和钻孔探测，岩溶区隧道在仰拱或底板施工前要纵向进行3 条侧线扫描，根据上述的测量信息采取相应补救措施，如增加钢筋混泥土底板等。

(2)岩溶隧道地表塌陷机理与处治方法。

地表塌陷是因为有溶沟和垂直溶洞的存在，由于溶沟的宽度、深度、长度以及溶沟与隧道方向位置的关系难以把握，所以在隧道进洞初期地表塌陷的现象经常发生，尤其是在偏压地段。为了防止事故的进一步扩大，应当把洞内塌方体的封闭稳定和地表截水沟作为首要措施。

地表塌陷的类型和形态大小的不同决定了应该采用什么方法进行处理。对于宽度小的溶槽，可以通过锚杆锚固来解决或者采用大石块来填充。而对于表面积较大的溶沟区可以采用地表注浆的方法来加固塌陷地表。对于陷坑表面，可以用网喷混凝土浇盖，再加上钢化管注浆加固，安全通过后方可用水泥土回填顺接地表，并通过喷射混凝土来封闭表面。