溶洞區鐵路隧道工程問題探討

閔家瑞 王樹輝

巖溶是山區隧道建設中常見的地質災害之一。我國是世界上巖溶分布最廣的國家之一。

在巖溶區隧道建設中,有必要結合工程實例研究溶洞對隧道建設的影響,探討其規律性,在此基礎上分析巖溶區隧道施工中可能遇到的巖溶地質災害,提出合理的建設方案及施工防治措施,以便在隧道建設中有針對性的進行溶洞處理或預處理,保證巖溶區隧道建設的安全性,提高巖溶區隧道工作的預見性,減少隧道溶巖地質災害。

1 溶洞區鐵路隧道工程問題

1.1 鐵路隧道巖溶問題

巖溶區的隧道建設主要存在問題如下:

1)與隧道施工有關的工程穩定性及其防治措施問題。主要探討不同空間展布形態和尺度的溶洞對隧道圍巖—支護結構位移、應力的影響,探討不同巖溶條件下隧道的設計原則和施工措施;

2)巖溶隧道施工中的涌水、突泥問題。主要探討巖溶水影響條件下隧道施工中的工程地質問題及與此對應的預測、預報體系和防治措施;

3)因隧道施工造成的環境水文地質條件變化而引起的環境效應問題。主要探討巖溶區隧道施工造成的巖溶環境變化以及由此帶來的負面影響和應對措施。

1.2 鐵路隧道巖溶造成的施工問題

隧道施工中,巖溶作為一種主要的特殊地質條件,巖溶區隧道的施工往往處于盲目狀態,巖溶區隧道的施工往往是在被動情況下進行的。溶洞是在溶蝕地區山嶺隧道施工中經常遇到的一種地質現象,由于其分布的無規律性、不均一性和其形狀、大小的復雜性,決定了在設計階段不可能全面準確地揭示沿線溶洞的分布情況。另一方面,溶洞的存在對隧道具有危害性,是一種地質災害,特別是特大型溶洞往往給施工帶來嚴重阻礙和重大損失。

在支護設計上主要是借用無溶洞時的支護措施,對出露溶洞一般均采用在原有支護上按經驗加強支護的措施,對支護的安全性和經濟性缺乏評價,對圍巖—支護結構的安全評價不能考慮溶洞的影響,使得支護設計不是強度不足就是支護剛度過大,造成浪費;在巖溶段隧道的支護設計中,不能根據隱伏溶洞對圍巖應力、變形等的影響規律以及因溶洞導致的圍巖應力集中和塑性區的變化特點有針對性地進行加固,而基本采用全斷面統一的支護措施;巖溶區隧道的位移變化特征不同于無溶洞時的圍巖變形特征,對不同空間位置的巖溶對隧道圍巖—支護結構穩定性的影響缺乏研究,缺乏合理的溶洞處理方案和針對巖溶影響采取的預處理措施。

表1 鐵路隧道施工處理技術

巖溶區隧道的施工不同于一般隧道,溶巖溶洞的存在使得巖溶區隧道的施工動態過程復雜多變,因此,加強施工中的超前預報、預測以及施工信息的動態管理,并對施工效果進行合理評價是十分必要和有一定效果的,但目前并無相應的規范,指南性或指導性的文件來規范施工。在施工完成后無相應處治效果的監測和評價,對處理措施的經濟性、合理性缺乏評估。

2 溶洞區鐵路隧道施工處理技術

鐵路隧道施工主要處理技術見表1。

施工前應對地表進行詳細勘查,研究該地區巖溶狀態及對已有溶洞的施工處理材料,采用各種物探手段進行超前地質預報,預知前方溶洞里程及狀況,做到有備而戰。溶洞未作處理方案前,禁止盲目棄渣、堵塞,以免影響處理方案的制定,要探明溶洞的形態分布,繪制橫縱斷面圖。作超前地質預報→靠近溶洞時改變施工方法→發現溶洞,保存現場→溶洞勘探,繪制橫縱斷面圖→申請變更→制定措施→溶洞處理。

溶洞的處理包括洞穴處理,排水處理,洞內充填物的處理及地表坍塌的處理等,目的是充分保證隧道支護體系的可靠性。同時穿越溶洞地段應遵循“短進尺、弱開挖、強支護、緊襯砌”的施工原則。

由于溶洞大多與地表相通,地表降水極易灌入溶洞,因此溶洞內涌水量隨季節變化較大,即使對看似無水的溶洞,處理時應每隔適當距離做泄水盲溝,拱部或全周掛設防水板。對溶洞兼為地下暗河通路的情形,必須順通河流通路,必要時做泄水隧道引排地下水。

3 溶洞區鐵路隧道工程問題研究進展

對巖溶隧道的巖溶涌水、突泥問題,國內外已進行了較深入的研究,從隧道涌水、突泥的先期預測、預報,涌水量的估算和排泄一直到施工治理措施等都有一套較完善的方法。但對于巖溶區隧道建設引起的環境問題和巖溶區隧道施工期穩定性問題,目前研究剛剛起步,可供借鑒的資料有限,特別是對巖溶隧道的穩定性問題。

近年隨著巖溶區隧道建設的發展,巖溶溶洞對隧道體系影響特征的研究逐漸得到加強,主要針對具體工程,就隧道施工中的出露溶洞,探討具體的施工措施和處治方案,但對溶洞對隧道圍巖變形、力及支護結構內力特征的影響研究較少,特別是隱伏溶洞對隧道的影響。對該類溶洞的處理措施無論從施工、設計規范或可供借鑒的文獻資料而言,均進行了比較深入的研究。但對于隧道周邊的隱伏溶洞,其穩定性的分析研究復雜。趙明階、吳夢軍等以朝東巖隧道為工程背景,研究了一定尺寸的底部、水平和頂部溶洞對隧道圍巖關鍵點位移的影響,分析了圍巖應力的變化和塑性區的分布特點,結合京珠高速公路石門坳隧道的施工,分析了巖溶洞穴對隧道工程的影響,溶洞洞穴的存在將使得隧道周邊變形增加;在隧道施工中,由于溶洞的存在,隧道開挖中易出現局部的坍塌、掉塊和落石,危及施工人員和設備的安全。

在巖溶隧道工程地質勘察與分析方面,國內外專家、學者和工程地質人員進行了長期的實踐和研究,取得了一定的研究成果,并進一步結合各行業勘察的特點制定了相應的工程勘察規范。近幾年來除常規的勘察手段,更是大力發展了物探技術,并將電磁波透視的成果引用CT法予以解釋,將微重力法與地質雷達成功應用于探察溶洞洞穴等,使隧道巖溶的勘察和分析逐步向科學理論分析和定量化方向發展。在地下巖溶溶蝕空洞探測方面,對大于10 m的溶洞的探測一般不存在問題,對幾米甚至1 m～2 m溶洞的探測有一定難度,但也可以探測清楚,但對于幾十厘米的溶洞探測起來十分困難。

隧道地質超前預測、預報是工程地球物理研究中的疑難問題之一。目前應用的工程地質推斷、地質雷達探測、反射地震負視速度法、TSP和 TRT技術有一定的效果,但在目標判別、定位,巖體工程的分類可靠性方面有一定的差距,需要進一步改進。當前,在工程實踐中多采用直流電測探法和地質雷達探測法為主;個別地段輔以聯合剖面法、充電法和四極對稱剖面法;在具備網狀布控的條件下,采用孔內無線電波透視法;將能較準確地探測直徑1 m以上的似圓形溶洞。隧道圍巖中溶洞的存在使得隧道圍巖物理、力學性質發生變化,并且造成隧道地層剛度的變化和隧道圍巖應力場變化。在隧道開挖過程中,溶洞使得隧道的施工力學過程更加復雜,并造成隧道圍巖應力集中,隧道周邊變形量增加。

4 結語

在巖溶區進行隧道工程建設中,由于巖溶地區地質條件復雜多變,再加上溶洞與隧道間的相互影響,使這類隧道的施工十分困難。當前在巖溶隧道施工中,施工措施和施工方案,包括支護設計等都主要采用類同于無溶洞區的施工方案,對巖溶區隧道支護設計也主要是在施工中針對開挖揭露溶洞而采取的具體加固和加強措施。因此,分析巖溶區隧道的施工實踐,制定科學、合理、有效的溶洞處理方案對隧道順利穿越巖溶地段極為重要。

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