隧道施工中的地质灾害预警与溶洞治理

何绵超

（贵州黔贵路桥工程有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

隧道是重要的基础设施工程，广泛应用于道路、铁路、地铁和水利工程中，对社会和经济的发展起重要作用。然而，在隧道施工过程中，地质灾害（包括地滑、地震、岩爆等）和溶洞问题会影响工程质量，可能导致工程进度延误，甚至引发安全事故。地质灾害的不可预测性和突发性使其成为隧道施工中的主要挑战之一。为确保隧道施工的安全性和可行性，应采取有效的地质灾害预警系统，以及溶洞治理策略。

1 地质灾害的威胁

1.1 不同类型的地质灾害对隧道施工的潜在影响

地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质现象，会对隧道施工构成重要威胁[1]。地质灾害包括地滑、地震和岩爆等，每种类型的灾害都具有独特的特点，会对隧道施工产生不同的潜在影响。

首先，地滑是一种常见的地质灾害，通常由降水、地质构造和地下水位等因素引发。可能导致地表下滑坡，损坏施工现场和工程结构，甚至引发人员伤亡。在隧道施工过程中，地滑还可能导致隧道墙壁不稳定，增加大量修复工作，阻碍施工顺利开展。

其次，地震的影响难以预测，且具有高度破坏性。隧道地震可能导致土壤液化、岩石坍塌和隧道结构破坏，不仅会对施工人员的生命安全构成威胁，还可能导致工程延误、产生巨大的经济损失。因此，在地震多发地区进行隧道施工时，地震预警系统和地震安全性设计至关重要。

最后，岩爆是指岩石或岩层在高应力下瞬间破裂或爆炸的现象。岩爆可能导致岩石飞溅、块状物体高速移动，使隧道壁面受损，会对隧道施工造成严重影响。此外，在没有适当预警和防护措施的情况下，岩爆还可能危及施工人员安全，破坏工程结构，导致工程停滞。

1.2 地质灾害的不可预测性和危险性

地质灾害具有不可预测性，尽管可以使用现代技术来监测地质活动，但很难精确地预测何时、何地将发生何种规模的地质灾害。这种不确定性使施工团队难以提前采取必要的预防措施，从而增加施工风险。

地质灾害的危险性是另一个需要重点考虑的因素。这些灾害可能对隧道施工造成巨大的破坏，不仅威胁施工人员的生命安全，还可能对施工进度、施工成本产生不利影响，甚至影响原施工方案的可行性。

2 地质灾害预警系统

2.1 现代地质灾害预警系统的重要性

现代地质灾害预警系统不仅有助于保护施工人员的生命安全，还有助于减少工程损失、避免工期延误（见表1）。现代地质灾害预警系统能够迅速检测各种地质灾害的迹象，如地震、地滑、岩爆等，并及时发出警报，便于施工团队提前采取措施降低潜在风险，避免可能出现的灾害[2]。

表1 地质灾害项目表

2.2 用于地质灾害预警的先进技术和工具

借助先进的技术和工具，现代地质灾害预警系统能够在隧道施工过程中实时监测并及时警示潜在的地质灾害。用于地质灾害预警的先进技术和工具主要如下。

遥感技术：卫星遥感和航空遥感技术主要用于监测地表变化。其中包括监测地表下降、地表裂缝、土地滑坡等迹象，这些都可能是地质灾害的先兆[3]。系统及时获取和分析遥感数据，可提供预警和警示，便于施工团队采取措施降低风险。

地震传感器：用于监测地震活动，包括地震的震级、震源位置和地震波的传播速度等，地震预警系统可提前几秒到几分钟提示可能到来的地震，为施工团队提供一定的时间安全撤离或采取安全防护措施。

监测网络：地下水位监测、岩石应力监测、地表位移监测等监测网络可以提供地下和地表条件的实时信息[4]。这些数据可用于分析地质异常，如地下水位升高、地质应力变化、地表沉陷或抬升等，施工团队能够及时采取措施应对潜在风险。

地理信息系统（GIS）：可用于整合地质、地形、气象等多种数据，以建立地质信息系统，提供地理信息的空间分析和模拟，及时识别潜在地质灾害风险区域，并生成地质风险地图，便于决策者采取合理的应对措施[5]。

3 溶洞挑战

溶洞是石灰岩被含有二氧化碳的流水所溶解、腐蚀而形成的天然洞穴，随着时间的推移，这些洞穴会不断扩大，甚至可能相互连接，形成复杂的溶洞系统。溶洞的发展通常受到多种因素的影响，包括地下水位的变化、溶质浓度、岩层的厚度和岩石的组成等[6]。

3.1 溶洞对隧道工程的影响

溶洞对隧道工程的影响主要如下：

第一，溶洞可能导致地面塌陷，对施工现场和工程结构造成损害。地表下的溶洞通常无法被裸眼识别，因此可能出现防护措施不到位的情况，影响安全施工。

第二，溶洞可能导致地基不稳定。由于溶洞可能存在于工程地下，会影响地基的强度和稳定性，导致隧道沉降、开裂和结构受损，会对工程的安全性和连续性开展产生严重影响。

因此，在隧道施工中识别和处理潜在的溶洞威胁至关重要。需要采取填充、加固或避让等预防措施和治理策略，以减少溶洞对隧道工程造成的风险，确保隧道工程顺利、安全进行（见图1）。

图1 隧道大型溶洞

3.2 溶洞的特殊性和不同类型溶洞对工程造成的威胁

由于溶洞通常隐藏在地下，不易被察觉，这一特殊性使其对隧道工程构成了独特挑战。此外，不同类型的溶洞可能对隧道工程造成不同的威胁。例如，一些溶洞是孤立的、小型的，对工程的影响较小；而有些溶洞可能是复杂的、大型的，对隧道的安全性和稳定性会产生严重影响。

在石灰岩地区，溶洞问题更加突出，溶洞系统可能更加复杂。因此，进行隧道施工时，施工团队需要采用先进的地质勘测技术，如地下雷达和岩芯取样等，做好地质勘测和监测工作，以有效识别溶洞存在并采取必要的预防和治理措施，降低溶洞对工程造成的威胁[7]。

4 溶洞治理策略

4.1 不同类型溶洞治理策略

面对不同类型的溶洞问题时，需要采取不同的治理策略，常见的溶洞治理策略如下：

第一，填充策略。将混凝土、岩屑、砂土等材料填充到溶洞内部，以填补空洞，同时加固地下结构，提高地基的稳定性，增强地面的承载能力。填充策略通常适用于小型或较浅的溶洞，对于大型、复杂的溶洞可能达不到预期的治理效果。

第二，加固策略。该治理策略主要是利用混凝土、钢筋或其他支撑结构，加固洞穴结构，防止地下溶洞扩大，降低地面沉降风险。该策略适用于较大或较深的溶洞治理。

第三，避让策略。主要是避开或绕过存在溶洞的区域，以减少与溶洞的直接接触，可以通过调整隧道设计和路径来实现。虽然避让可能增加工程的复杂性和成本，但可以降低与溶洞治理相关的风险[8]。

在实际施工过程中，需要结合溶洞的类型、规模、深度等情况，以及工程项目的预算、时间要求等，合理选择上述治理策略，以确保工程的安全性和可行性。

例如，在贵阳经金沙至古蔺（黔川界）高速公路工程中，偏坡寨隧道现场开挖至ZK83+278 掌子面揭露出2 处溶洞，第1 处溶腔口位于掌子面左侧拱腰位置，溶腔竖直向掌子面左上发育，沿隧道环向宽度11.6m，沿隧道纵向宽度9m，可见深度约为13m，溶腔内无填充，内壁局部挂有黏土，整体为基岩，顶板为土层，腔内潮湿，周壁欠稳定。第2 处溶腔口位于掌子面右侧右上拱顶，竖直向上发育，沿隧道环向宽度10.7m，沿隧道纵向长度8.7m，向上可见深度超过10m，溶腔无填充，内壁悬石，局部挂有黏土，腔内围岩面潮湿，裂隙较为发育，周壁欠稳定。两溶腔开挖过程均发生较大坍塌。

ZK83+283—291 段，开挖揭示隧道拱顶下0～3m范围为砂性土、黏土层，0～3m 以下为岩溶发育的硬质灰岩，开挖支护过程稳定。ZK83+291—305 段整个掌子面均为砂性土、黏土层，特别是该段左半部黏土层沉积性明显，湿润、半黏稠状，自稳性极差，支护完成后，初支突然性收敛变形达到43cm 以上。

施工过程中采取以下措施：偏坡寨隧道ZK83+465—ZK83+475 段衬砌类型由S-IVa 调整为S-Va。初支施工完成后，从起拱线开始拱部发生严重沉降变形，为防止初支变形过大失稳坍塌，对该段初支外增设了临时腹拱进行加固。

4.2 治理策略选择要点

选择溶洞治理策略时，需要综合考虑多个关键因素，具体如下：

第一，了解溶洞的结构、尺寸和地质特性对于确定治理方法至关重要。不同类型的溶洞和地质条件下，可能需要采用不同的治理策略，其中地质调查和研究是合理选择治理策略的关键。例如，对于小型或较浅的溶洞，可采用填充策略，而对于较大或深的溶洞，可能需要采用加固策略。

第二，由于治理溶洞的施工成本相对较高，因此需要进行经济可行性评估。选择治理策略时不仅应考虑安全性，还应考虑成本等因素，如综合考虑项目预算和可用资源等，以确保治理策略的经济可行性。如果填充或加固范围大，可能会带来更高的施工成本，避让策略有时可能是最经济的选择[9]。

第三，进行溶洞治理时还必须考虑环境保护因素，以降低对自然生态系统的不利影响。特别是在自然保护区或生态敏感地区，必须谨慎考虑环境保护问题，采取环保措施，如使用可降解或环保型材料等，并采取生态系统恢复措施，从而有效降低治理过程对环境造成的负面影响。

4.3 溶洞治理成功案例

目前，国内外已有诸多溶洞治理成功案例，其中较为著名的是我国的武汉—广州高铁项目。在该项目中，在面对大型溶洞和地下河流的挑战时，工程师采用了填充和加固策略，防止溶洞扩大，同时加固地下结构，确保了高铁线路的安全、稳定开展[10]。

5 结语

综上所述，地质灾害和溶洞会给隧道施工带来一定的威胁。其中地质灾害具有不可预测性和危险性，需要采取预警措施，如借助遥感技术、地震传感器和监测网络等构建地质灾害预警系统，以便及时识别和应对地质灾害；溶洞具有一定的特殊性，需要根据实际情况选择合适的治理策略，包括填充、加固和避让等，以确保隧道工程的安全、顺利开展。未来，随着相关科技的不断发展，地质灾害预警系统的精确性和实时性将持续提升，新的传感技术和数据分析方法也将提高地质灾害预测能力。同时，环保型溶洞治理策略将成为研究重点，进而减少对生态环境的不利影响。