隧道施工中的地質(zhì)災害預警與溶洞治理

何綿超

（貴州黔貴路橋工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

隧道是重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程，廣泛應(yīng)用于道路、鐵路、地鐵和水利工程中，對社會和經(jīng)濟的發(fā)展起重要作用。然而，在隧道施工過程中，地質(zhì)災害（包括地滑、地震、巖爆等）和溶洞問題會影響工程質(zhì)量，可能導致工程進度延誤，甚至引發(fā)安全事故。地質(zhì)災害的不可預測性和突發(fā)性使其成為隧道施工中的主要挑戰(zhàn)之一。為確保隧道施工的安全性和可行性，應(yīng)采取有效的地質(zhì)災害預警系統(tǒng)，以及溶洞治理策略。

1 地質(zhì)災害的威脅

1.1 不同類型的地質(zhì)災害對隧道施工的潛在影響

地質(zhì)災害是指在自然或者人為因素的作用下形成的對人類生命財產(chǎn)、環(huán)境造成破壞和損失的地質(zhì)現(xiàn)象，會對隧道施工構(gòu)成重要威脅[1]。地質(zhì)災害包括地滑、地震和巖爆等，每種類型的災害都具有獨特的特點，會對隧道施工產(chǎn)生不同的潛在影響。

首先，地滑是一種常見的地質(zhì)災害，通常由降水、地質(zhì)構(gòu)造和地下水位等因素引發(fā)。可能導致地表下滑坡，損壞施工現(xiàn)場和工程結(jié)構(gòu)，甚至引發(fā)人員傷亡。在隧道施工過程中，地滑還可能導致隧道墻壁不穩(wěn)定，增加大量修復工作，阻礙施工順利開展。

其次，地震的影響難以預測，且具有高度破壞性。隧道地震可能導致土壤液化、巖石坍塌和隧道結(jié)構(gòu)破壞，不僅會對施工人員的生命安全構(gòu)成威脅，還可能導致工程延誤、產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。因此，在地震多發(fā)地區(qū)進行隧道施工時，地震預警系統(tǒng)和地震安全性設(shè)計至關(guān)重要。

最后，巖爆是指巖石或巖層在高應(yīng)力下瞬間破裂或爆炸的現(xiàn)象。巖爆可能導致巖石飛濺、塊狀物體高速移動，使隧道壁面受損，會對隧道施工造成嚴重影響。此外，在沒有適當預警和防護措施的情況下，巖爆還可能危及施工人員安全，破壞工程結(jié)構(gòu)，導致工程停滯。

1.2 地質(zhì)災害的不可預測性和危險性

地質(zhì)災害具有不可預測性，盡管可以使用現(xiàn)代技術(shù)來監(jiān)測地質(zhì)活動，但很難精確地預測何時、何地將發(fā)生何種規(guī)模的地質(zhì)災害。這種不確定性使施工團隊難以提前采取必要的預防措施，從而增加施工風險。

地質(zhì)災害的危險性是另一個需要重點考慮的因素。這些災害可能對隧道施工造成巨大的破壞，不僅威脅施工人員的生命安全，還可能對施工進度、施工成本產(chǎn)生不利影響，甚至影響原施工方案的可行性。

2 地質(zhì)災害預警系統(tǒng)

2.1 現(xiàn)代地質(zhì)災害預警系統(tǒng)的重要性

現(xiàn)代地質(zhì)災害預警系統(tǒng)不僅有助于保護施工人員的生命安全，還有助于減少工程損失、避免工期延誤（見表1）。現(xiàn)代地質(zhì)災害預警系統(tǒng)能夠迅速檢測各種地質(zhì)災害的跡象，如地震、地滑、巖爆等，并及時發(fā)出警報，便于施工團隊提前采取措施降低潛在風險，避免可能出現(xiàn)的災害[2]。

表1 地質(zhì)災害項目表

2.2 用于地質(zhì)災害預警的先進技術(shù)和工具

借助先進的技術(shù)和工具，現(xiàn)代地質(zhì)災害預警系統(tǒng)能夠在隧道施工過程中實時監(jiān)測并及時警示潛在的地質(zhì)災害。用于地質(zhì)災害預警的先進技術(shù)和工具主要如下。

遙感技術(shù)：衛(wèi)星遙感和航空遙感技術(shù)主要用于監(jiān)測地表變化。其中包括監(jiān)測地表下降、地表裂縫、土地滑坡等跡象，這些都可能是地質(zhì)災害的先兆[3]。系統(tǒng)及時獲取和分析遙感數(shù)據(jù)，可提供預警和警示，便于施工團隊采取措施降低風險。

地震傳感器：用于監(jiān)測地震活動，包括地震的震級、震源位置和地震波的傳播速度等，地震預警系統(tǒng)可提前幾秒到幾分鐘提示可能到來的地震，為施工團隊提供一定的時間安全撤離或采取安全防護措施。

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)：地下水位監(jiān)測、巖石應(yīng)力監(jiān)測、地表位移監(jiān)測等監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以提供地下和地表條件的實時信息[4]。這些數(shù)據(jù)可用于分析地質(zhì)異常，如地下水位升高、地質(zhì)應(yīng)力變化、地表沉陷或抬升等，施工團隊能夠及時采取措施應(yīng)對潛在風險。

地理信息系統(tǒng)（GIS）：可用于整合地質(zhì)、地形、氣象等多種數(shù)據(jù)，以建立地質(zhì)信息系統(tǒng)，提供地理信息的空間分析和模擬，及時識別潛在地質(zhì)災害風險區(qū)域，并生成地質(zhì)風險地圖，便于決策者采取合理的應(yīng)對措施[5]。

3 溶洞挑戰(zhàn)

溶洞是石灰?guī)r被含有二氧化碳的流水所溶解、腐蝕而形成的天然洞穴，隨著時間的推移，這些洞穴會不斷擴大，甚至可能相互連接，形成復雜的溶洞系統(tǒng)。溶洞的發(fā)展通常受到多種因素的影響，包括地下水位的變化、溶質(zhì)濃度、巖層的厚度和巖石的組成等[6]。

3.1 溶洞對隧道工程的影響

溶洞對隧道工程的影響主要如下：

第一，溶洞可能導致地面塌陷，對施工現(xiàn)場和工程結(jié)構(gòu)造成損害。地表下的溶洞通常無法被裸眼識別，因此可能出現(xiàn)防護措施不到位的情況，影響安全施工。

第二，溶洞可能導致地基不穩(wěn)定。由于溶洞可能存在于工程地下，會影響地基的強度和穩(wěn)定性，導致隧道沉降、開裂和結(jié)構(gòu)受損，會對工程的安全性和連續(xù)性開展產(chǎn)生嚴重影響。

因此，在隧道施工中識別和處理潛在的溶洞威脅至關(guān)重要。需要采取填充、加固或避讓等預防措施和治理策略，以減少溶洞對隧道工程造成的風險，確保隧道工程順利、安全進行（見圖1）。

圖1 隧道大型溶洞

3.2 溶洞的特殊性和不同類型溶洞對工程造成的威脅

由于溶洞通常隱藏在地下，不易被察覺，這一特殊性使其對隧道工程構(gòu)成了獨特挑戰(zhàn)。此外，不同類型的溶洞可能對隧道工程造成不同的威脅。例如，一些溶洞是孤立的、小型的，對工程的影響較小；而有些溶洞可能是復雜的、大型的，對隧道的安全性和穩(wěn)定性會產(chǎn)生嚴重影響。

在石灰?guī)r地區(qū)，溶洞問題更加突出，溶洞系統(tǒng)可能更加復雜。因此，進行隧道施工時，施工團隊需要采用先進的地質(zhì)勘測技術(shù)，如地下雷達和巖芯取樣等，做好地質(zhì)勘測和監(jiān)測工作，以有效識別溶洞存在并采取必要的預防和治理措施，降低溶洞對工程造成的威脅[7]。

4 溶洞治理策略

4.1 不同類型溶洞治理策略

面對不同類型的溶洞問題時，需要采取不同的治理策略，常見的溶洞治理策略如下：

第一，填充策略。將混凝土、巖屑、砂土等材料填充到溶洞內(nèi)部，以填補空洞，同時加固地下結(jié)構(gòu)，提高地基的穩(wěn)定性，增強地面的承載能力。填充策略通常適用于小型或較淺的溶洞，對于大型、復雜的溶洞可能達不到預期的治理效果。

第二，加固策略。該治理策略主要是利用混凝土、鋼筋或其他支撐結(jié)構(gòu)，加固洞穴結(jié)構(gòu)，防止地下溶洞擴大，降低地面沉降風險。該策略適用于較大或較深的溶洞治理。

第三，避讓策略。主要是避開或繞過存在溶洞的區(qū)域，以減少與溶洞的直接接觸，可以通過調(diào)整隧道設(shè)計和路徑來實現(xiàn)。雖然避讓可能增加工程的復雜性和成本，但可以降低與溶洞治理相關(guān)的風險[8]。

在實際施工過程中，需要結(jié)合溶洞的類型、規(guī)模、深度等情況，以及工程項目的預算、時間要求等，合理選擇上述治理策略，以確保工程的安全性和可行性。

例如，在貴陽經(jīng)金沙至古藺（黔川界）高速公路工程中，偏坡寨隧道現(xiàn)場開挖至ZK83+278 掌子面揭露出2 處溶洞，第1 處溶腔口位于掌子面左側(cè)拱腰位置，溶腔豎直向掌子面左上發(fā)育，沿隧道環(huán)向?qū)挾?1.6m，沿隧道縱向?qū)挾?m，可見深度約為13m，溶腔內(nèi)無填充，內(nèi)壁局部掛有黏土，整體為基巖，頂板為土層，腔內(nèi)潮濕，周壁欠穩(wěn)定。第2 處溶腔口位于掌子面右側(cè)右上拱頂，豎直向上發(fā)育，沿隧道環(huán)向?qū)挾?0.7m，沿隧道縱向長度8.7m，向上可見深度超過10m，溶腔無填充，內(nèi)壁懸石，局部掛有黏土，腔內(nèi)圍巖面潮濕，裂隙較為發(fā)育，周壁欠穩(wěn)定。兩溶腔開挖過程均發(fā)生較大坍塌。

ZK83+283—291 段，開挖揭示隧道拱頂下0～3m范圍為砂性土、黏土層，0～3m 以下為巖溶發(fā)育的硬質(zhì)灰?guī)r，開挖支護過程穩(wěn)定。ZK83+291—305 段整個掌子面均為砂性土、黏土層，特別是該段左半部黏土層沉積性明顯，濕潤、半黏稠狀，自穩(wěn)性極差，支護完成后，初支突然性收斂變形達到43cm 以上。

施工過程中采取以下措施：偏坡寨隧道ZK83+465—ZK83+475 段襯砌類型由S-IVa 調(diào)整為S-Va。初支施工完成后，從起拱線開始拱部發(fā)生嚴重沉降變形，為防止初支變形過大失穩(wěn)坍塌，對該段初支外增設(shè)了臨時腹拱進行加固。

4.2 治理策略選擇要點

選擇溶洞治理策略時，需要綜合考慮多個關(guān)鍵因素，具體如下：

第一，了解溶洞的結(jié)構(gòu)、尺寸和地質(zhì)特性對于確定治理方法至關(guān)重要。不同類型的溶洞和地質(zhì)條件下，可能需要采用不同的治理策略，其中地質(zhì)調(diào)查和研究是合理選擇治理策略的關(guān)鍵。例如，對于小型或較淺的溶洞，可采用填充策略，而對于較大或深的溶洞，可能需要采用加固策略。

第二，由于治理溶洞的施工成本相對較高，因此需要進行經(jīng)濟可行性評估。選擇治理策略時不僅應(yīng)考慮安全性，還應(yīng)考慮成本等因素，如綜合考慮項目預算和可用資源等，以確保治理策略的經(jīng)濟可行性。如果填充或加固范圍大，可能會帶來更高的施工成本，避讓策略有時可能是最經(jīng)濟的選擇[9]。

第三，進行溶洞治理時還必須考慮環(huán)境保護因素，以降低對自然生態(tài)系統(tǒng)的不利影響。特別是在自然保護區(qū)或生態(tài)敏感地區(qū)，必須謹慎考慮環(huán)境保護問題，采取環(huán)保措施，如使用可降解或環(huán)保型材料等，并采取生態(tài)系統(tǒng)恢復措施，從而有效降低治理過程對環(huán)境造成的負面影響。

4.3 溶洞治理成功案例

目前，國內(nèi)外已有諸多溶洞治理成功案例，其中較為著名的是我國的武漢—廣州高鐵項目。在該項目中，在面對大型溶洞和地下河流的挑戰(zhàn)時，工程師采用了填充和加固策略，防止溶洞擴大，同時加固地下結(jié)構(gòu)，確保了高鐵線路的安全、穩(wěn)定開展[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，地質(zhì)災害和溶洞會給隧道施工帶來一定的威脅。其中地質(zhì)災害具有不可預測性和危險性，需要采取預警措施，如借助遙感技術(shù)、地震傳感器和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建地質(zhì)災害預警系統(tǒng)，以便及時識別和應(yīng)對地質(zhì)災害；溶洞具有一定的特殊性，需要根據(jù)實際情況選擇合適的治理策略，包括填充、加固和避讓等，以確保隧道工程的安全、順利開展。未來，隨著相關(guān)科技的不斷發(fā)展，地質(zhì)災害預警系統(tǒng)的精確性和實時性將持續(xù)提升，新的傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法也將提高地質(zhì)災害預測能力。同時，環(huán)保型溶洞治理策略將成為研究重點，進而減少對生態(tài)環(huán)境的不利影響。