巖溶隧道工程水文地質(zhì)條件分析

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摘要:巖溶是隧道工程施工過程中最為常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，而穿越巖溶地質(zhì)地段的隧道工程具有危害性大、預(yù)防難等特點(diǎn)，目前依然是隧道工程建設(shè)中尚未很好解決的難題。本文在充分挖掘梳理前人研究成果的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要地總結(jié)了我國(guó)巖溶地質(zhì)現(xiàn)象及其分類，并初步分析了我國(guó)巖溶地質(zhì)條件對(duì)隧道施工所產(chǎn)生的影響，并結(jié)合工程實(shí)例探討了隧道工程的巖溶地質(zhì)災(zāi)害的處置技術(shù)和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞:巖溶;工程技術(shù);地質(zhì)分析

1巖溶地質(zhì)的分類及危害

巖溶是地表水和地下水對(duì)可溶性巖層經(jīng)過化學(xué)作用和機(jī)械破壞作用而形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。James和Choquette等提出巖溶應(yīng)包括在化學(xué)溶解和伴隨的碳酸鹽層系的演化過程中所形成的所有成巖作用的特征(地表與地下的、宏觀的與微觀的)。根據(jù)巖溶不同類型的特征，可將巖溶災(zāi)害按照巖溶水量、形態(tài)大小以及充填特征等進(jìn)行分類。其中按巖溶用水量大小可分為特大涌水型(涌水量大于10000m3/h)、大量涌水型(涌水量介于1000～10000m3/h之間)、中等涌水型(涌水量介于100～1000m3/h之間)、少量涌水型(涌水量介于10～100m3/h之間)以及微量涌水型(涌水量小于10m3/h)等五種類別，按巖溶的形態(tài)大小可分為大型溶洞、洞穴型、管道型以及裂隙型等四種類別，按巖溶的充填特征可分為無(wú)充填型、半充填型以及充填型等三種類別。由地下水和地表水對(duì)可溶性巖石的破壞和改造作用稱為巖溶作用，受巖溶作用的影響，隧道工程在穿越巖溶地質(zhì)區(qū)域時(shí)危害極大，而且難以預(yù)防，巖溶對(duì)隧道工程的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是巖溶所形成的洞穴使得隧道建筑物全部或者部分懸空，這將在極大程度上削減了隧道建筑物的承載能力，從而降低隧道工程的安全性和使用壽命;二是巖溶隧道中易造成地下水的流失，這將導(dǎo)致隧道頂部與地面極易發(fā)生坍塌現(xiàn)象;三是當(dāng)巖溶水中二氧化碳等堿性物質(zhì)含量增加時(shí)，易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)象，從而大大影響隧道的使用壽命和安全性;四是巖溶所形成的洞穴中隨堆積的物體易造成土質(zhì)坍塌現(xiàn)象，從而改變隧道結(jié)構(gòu)體表面的應(yīng)力分布發(fā)生變化，影響隧道的穩(wěn)定性。

2巖溶對(duì)隧道工程影響的研究現(xiàn)狀

隨著巖溶隧道工程建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，巖溶對(duì)隧道工程施工的影響也受到國(guó)內(nèi)學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。王愛武等認(rèn)為渝懷鐵路羅家寨隧道內(nèi)的溶洞填充物受到巖溶水的進(jìn)一步浸泡軟化，從而引起巖溶水的泄放并帶走大量巖土，改變了隧道圍巖的應(yīng)力分布，造成隧道工作面圍巖失穩(wěn)而引起連續(xù)塌方，甚至造成地表開裂而下沉。李志國(guó)結(jié)合2001年開工的渝懷線20余座隧道施工建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出隧道施工區(qū)巖溶的處理應(yīng)因地制宜，綜合治理，排堵結(jié)合的原則，根據(jù)隧道內(nèi)用水量的大小以及所含泥沙的含量，并考慮隧道運(yùn)營(yíng)安全及周邊水文地質(zhì)環(huán)境的影響，將堵和排技術(shù)相結(jié)合，采取多種方法進(jìn)行綜合治理。吳夢(mèng)軍等針對(duì)我國(guó)巖溶分布廣泛的現(xiàn)狀，利用“公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”對(duì)巖溶隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列大型的模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明巖溶隧道圍巖的位移隨著溶洞的增大和隧道間距離的減小而呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì)，且溶洞的位置對(duì)于隧道圍巖的影響最為顯著，其中當(dāng)溶洞位于最大主應(yīng)力方向上時(shí)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性最為不利。王鷹等結(jié)合渝懷鐵路梁山隧道的用誰(shuí)實(shí)例，運(yùn)用斷裂力學(xué)和地球化學(xué)等相關(guān)理論分析了巖溶區(qū)隧道水巖的相互作用機(jī)理及其對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工發(fā)生涌水、突泥的影響，結(jié)果表明高壓水力劈裂作用是巖體裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展的原因，而巖體在開挖過程中的損傷是造成突發(fā)性大規(guī)模嚴(yán)重涌水突泥的重要誘因，另外在地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)鍵部位，順裂隙延伸方向發(fā)育大的巖溶管道可能性非常大。在隧道尚未開挖之前，由于隧道周圍的巖體尚未被擾動(dòng)，因此絕大多數(shù)的溶洞是穩(wěn)定的。如果在前期探測(cè)到溶洞距離設(shè)計(jì)的隧道位置相距較遠(yuǎn)，則可以忽略溶洞對(duì)隧道工程施工的影響;如果相距較近，則除了要考慮溶洞對(duì)隧道工程位置的影響，還要考慮在施工過程中對(duì)溶洞產(chǎn)生的擾動(dòng)而引起的涌水、塌方、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，甚至在隧道工程的竣工運(yùn)營(yíng)期間也要考慮溶洞可能對(duì)隧道工程的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，在隧道工程施工過程中的爆破引起的地下巖溶管道中的水產(chǎn)生高壓，同時(shí)也會(huì)使得隧道圍巖產(chǎn)生裂隙、松動(dòng)，增加了巖溶水的流通路徑。爆破所形成的高壓水流將沿著巖體的裂隙、巖溶管道等流動(dòng)，致使隧道圍巖發(fā)生剪切性的破壞。而巖溶的水系將向隧道方向聚集，圍巖壓力發(fā)生變化，隧道圍巖裂隙中的含水量也將大大增加，當(dāng)水壓超過隧道圍巖的載荷時(shí)將失去平衡，引發(fā)隧道坍塌事故。此外如施工過程中由于機(jī)械設(shè)備的不當(dāng)操作也會(huì)引起隧道圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，當(dāng)附加外載荷超過一定程度時(shí)，也將會(huì)給隧道施工造成嚴(yán)重的影響，甚至發(fā)生隧道坍塌等事故。

3巖溶處治技術(shù)研究進(jìn)展

隧道工程的巖溶處理及預(yù)防措施主要是通過設(shè)計(jì)和施工來(lái)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)方面主要要考慮如何合理、科學(xué)地規(guī)避熔巖地區(qū)，而施工方面則是在現(xiàn)有的條件下盡可能地治理巖溶，將巖溶引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害損失降至最低。而在當(dāng)前的隧道工程中主要以施工控制為主，本文通過整理已有的相關(guān)研究資料及項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可得出目前我國(guó)針對(duì)巖溶處理的技術(shù)主要包括洞穴處理、巖溶洞內(nèi)充填物的處理、巖溶水的處理以及地表塌陷的處理等等，而其中在巖溶洞的處理過程中應(yīng)本著“工程造價(jià)低、結(jié)構(gòu)安全、水環(huán)境保護(hù)、方案合理、施工易操作”的原則，保證隧道工程安全、順利地通過巖溶地區(qū)。在對(duì)隧道工程施工過程中處理巖溶時(shí)應(yīng)依據(jù)不同的巖溶類型采取不同的措施，如在處理小型無(wú)填充或半填充的溶洞時(shí)應(yīng)對(duì)巖溶的洞穴采取回填的處理技術(shù)，張花高速公路巖門口隧道的巖溶處理技術(shù)就是先對(duì)洞穴的四壁初噴加厚，打藥卷錨桿后再把拱架立起來(lái)，同時(shí)預(yù)留泵送混凝土管道，初期支護(hù)完成之后選擇用混凝土回填。對(duì)于有充填型的大型巖溶洞穴，應(yīng)充分考慮巖溶所處在隧道的位置及巖溶洞穴的填充物質(zhì)，在隧道施工的過程中，采用超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)巖溶洞穴內(nèi)充填物的類型及洞穴大小。如張花高速公路排樓隧道施工至ZK100+307里程時(shí)，通過超前探測(cè)儀發(fā)現(xiàn)前方有一寬約16m且富水的大型充填淤泥質(zhì)溶洞，針對(duì)該巖溶洞穴充填淤泥的特點(diǎn)，施工過程中采取了超前預(yù)注漿加固一級(jí)大管棚支護(hù)的處置方案，以確保隧道施工的安全。

4結(jié)語(yǔ)

隧道工程與施工區(qū)的水文地質(zhì)條件有著密切的關(guān)系，而隧道工程的質(zhì)量又關(guān)系著交通運(yùn)輸?shù)陌踩虼思訌?qiáng)隧道工程的水文地質(zhì)環(huán)境勘查工作并及時(shí)選取合理的截、堵、引、排水等科學(xué)、充分的預(yù)防措施，降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，減少不良的地質(zhì)災(zāi)害影響。巖溶目前已成為我國(guó)隧道工程施工過程中遇到的主要地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，極易引發(fā)溶洞、坍塌、突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，給隧道工程的安全和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)巨大的隱患，甚至發(fā)生巨大的安全事故事件發(fā)生。本文在系統(tǒng)總結(jié)巖溶地質(zhì)現(xiàn)象及分類的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)巖溶分布情況較為全面地介紹了巖溶對(duì)隧道工程建設(shè)的影響，以及目前國(guó)內(nèi)在隧道施工建設(shè)中所采用的巖溶處理技術(shù)，以期為行業(yè)工作者提供一定的參考。

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作者:黃洪 單位:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地勘院