岩溶地区的隧道施工问题与对策研究

2021-03-12

工程技术研究 2021年4期

中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089

岩溶指可溶性岩层，这种岩层经过水以及其他机械作用的影响会产生沟槽、空洞以及裂隙等。岩溶作为一种不良地质病害，会使隧道施工困难，施工风险增加。在山区修建高等级公路时，为了改善线形，缩短里程，往往需要开挖隧道。然而在隧道施工开挖的过程中所遇到的断层、破碎带、溶洞等不良地质现象往往会多于前期勘察所探明的情况。尤其对于岩溶地区的隧道施工，施工过程具有较大的盲目性，经常会因岩溶涌水、突泥等情况而造成较大的损失[1]。岩溶溶洞多为岩溶空腔，内壁看似坚硬，实则不然，容易造成岩块的坠落，一旦施工过程中发生事故，就极有可能造成严重的经济损失，甚至威胁施工人员的人身安全。岩溶地区的隧道施工控制一直是国内外工程界研究的重点，积极地开展关于岩溶地区隧道施工的安全技术研究与施工要点分析，对于工程的安全建设具有重大意义。

1 浅埋隧道的岩溶问题

1.1 岩溶水对隧道的危害

岩溶水主要储存在岩隙中，岩溶水的流动会削弱岩土颗粒之间的吸附力，溶蚀胶结物，进而削弱胶结力。此外，隧道的开挖会形成临空面，围岩则会朝着临空面的方向发展，而岩溶水所处的岩土单元重量会随之增大，进而加大剪应力。孔隙水压力削弱了破坏面上的正应力，导致潜在破坏面的抗剪强度也会随之降低。隧道的修建则相当于在山体之中修建了一条集水廊道，为地下水的汇集提供了有利的条件。如果遇到较大水量的岩溶水，将会造成较高的水压，引发隧道突水、突泥病害。然而突水、突泥的病害发生较为突然且破坏性较大，会对作业人员的人身安全造成伤害，且突水、突泥病害在后期处理较为困难，需要停工专门进行整治，从而会严重延误工期。此外，突水、突泥还会引起地表的塌陷，导致地质环境的恶化。在隧道建成运营的过程中，岩溶水依旧会影响隧道，衬砌结构在地下水的长期浸泡下会遭受不同程度的软化，其蠕变量也会随之增大。另外，在地下水的作用下，一些物质会受到结晶腐蚀、分解腐蚀、结晶分解复合腐蚀等三种类型的腐蚀，破坏衬砌结构，使之产生裂缝。同时，地下水的深入使钢筋也发生了锈蚀，严重影响了钢筋的性能。

1.2 岩溶裂隙对隧道的影响

裂隙将完整的岩石切割成破碎的岩体，降低了围岩的变形模量与强度。而且隧道的开挖施工又破坏了原有的应力平衡状态，其中的应力也需要重新达到新的平衡。裂隙的存在加剧了岩体的风化作用，同时裂隙之间的水也会不断软化岩石，最终导致岩块质地变软、强度降低。

1.3 岩溶洞穴对隧道的影响

在岩溶地区修建隧道时，还可能会遇到各种形态的岩溶洞穴。溶洞是岩溶地区最为常见的形态，而当隧道穿越岩溶地区时，溶洞的大小、形态、位置、充填状态以及充填物的性质等都会对隧道产生密切的影响。溶洞的存在使围岩的力学效应变得尤为复杂。在隧道施工中如果遇到溶洞，极易造成围岩局部的应力集中现象，特别是溶洞的形状不够规则且临近掌子面的问题，会使隧道的变形量显著增加，甚至有可能出现掉块、坍塌的现象。如果溶洞中充填的是地下水或者泥沙等，则很有可能会引发突水、突泥的病害，从而造成财产的损失和人员的伤亡。

2 岩溶隧道病害的防治措施

2.1 岩溶段隧道开挖施工方法

岩溶地区的工程地质特性较为特殊，这就决定了岩溶隧道的施工方法具有一定的特殊性，为了减少隧道施工带来的扰动，通常情况下会采用缩小开挖断面、预留核心土的施工方法，也就是台阶法和断面分部开挖法。

（1）台阶开挖法根据开挖的顺序又可以分为正台阶法和反台阶法。其中正台阶的开挖顺序是由上至下，开挖台阶的长度一般在1～1.5D，其中D表示的是隧道的跨度，其开挖方式如图1（a）所示。反台阶法又可以称为中隔墙台阶法，该方法主要应用于稳定性较好的岩层中，其开挖顺序是由下至上，其中上台阶通常采用光面爆破，下台阶采用预裂爆破，台阶的长度一般要小于5D，其开挖方式如图1（b）所示。台阶法的使用条件较为广泛，且施工的空间大，能够快速施工，缩短工期，工程造价较低。但是应用台阶法在施工时，上台阶和下台阶之间会相互干扰，同时还会对围岩进行多次扰动，不利于围岩的稳定性。

图1 台阶法示意图

（2）断面分部开挖法可以细分为预留核心土法、CD法和双侧壁导坑法。应用预留核心土法施工的过程中，核心土能够对开挖的工作面起到支挡的作用，增强了工作面开挖的稳定性，但是在施工时需要对围岩进行多次扰动。CD法施工时通常会将剖面分割为6个部分，首先开挖一侧的①、②、③三个部分，边开挖边进行支撑，之后再开挖另一侧的④、⑤、⑥三个部分，待最后完成了初支和仰拱再拆除中隔墙。这种施工方法一般应用于岩体不稳定的隧道施工，其开挖方式如图2所示。

图2 CD法示意图

双侧壁导坑法能够以小跨度实现大跨度，该方法通常将隧道分为三个部分进行施工，在施工的过程中首先开挖左右两个导洞，支撑之后再进行中间岩土体的开挖。该施工方法能够对拱顶沉降和地面沉降进行有效控制，但同时该方法对围岩的扰动较多，且临时支护安装以及拆除的工作量也较大，工期较长，且造价高，其开挖方式如图3所示。

图3 双侧壁导坑法示意图

2.2 岩溶处理的原则

岩溶隧道灾害的治理需要以疏为主、排堵结合。可以对围岩或者掌子面进行加压注浆，从而避免隧道内产生突水以及突泥的风险。同时还应当加强隧道周边的水循环，避免在隧道附近汇集地下水产生高水压。如果在隧道施工的过程中遇到小型溶洞，则可以根据溶洞的位置通过混凝土或者其他石材进行封闭回填；如果遇到大型溶洞，则需要通过采用长管棚、小导管、弃渣回填等方式进行处理。通常将隧道灾害治理分为两个部分进行，首先是开挖之前对即将开挖的区域进行加固，稳定掌子面前方的岩溶；然后是在对岩溶体开挖之后进行加固支护，也是对隧道的超前预加固和开挖后处理。

2.3 隧道超前地质预报

在岩溶地区进行隧道的施工，超前地质预报是必不可少的工作。通过超前地质预报能提前掌握掌子面前方的地质情况，推测发生岩溶病害的可能性，并及时做出评估，避免造成重大事故[2]。同时还可以通过超前地质预报来弥补前期勘察不足的情况，及时对支护参数进行调整并提出加固措施意见，减少工程事故的发生。进行岩溶隧道超前地质预报主要是对前方溶洞的位置、溶洞的水量大小、水压以及填充物性质进行探测。其中应用的方法主要包括地质法、水平钻探法以及物探法。

2.4 岩溶隧道超前预加固

岩溶隧道的超前预加固主要是运用物探和钻探的方式探明掌子面前方的地质情况，对隧道的局部进行注浆固结和超前支护。预加固主要针对围岩强度不足、自稳能力较差的情况。一种预加固方法是用锚杆和导管对其进行超前支护，另一种则是通过注浆或者冷冻的方法加固。在实际的施工中，两种措施往往会综合交叉使用。通过超前预加固能够起到稳定局部以及预先支护的作用，显著减少施工中的病害，提高安全性同时也降低成本。一般情况下，岩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，则需要应用超前小导管进行预注浆。如果岩溶管道及洞穴中充填有泥沙、块土石、碎石土，一般会采取超前大管棚和超前预注浆相结合的综合治理措施。