巖溶隧洞常見災害及處理措施

藺書鈿

1 概述

隨著我國鐵路、公路、水電等基礎設施和大型工程項目的建設,在山嶺隧道施工中經常遇到巖溶地質。由于溶洞分布的無規律性、不均一性及其形狀、大小的復雜性,決定了在設計階段不可能全而準確地揭示沿線溶洞的分布情況;另外,溶洞的存在對隧道具有較大危害性,特別是特大型溶洞往往給施工帶來嚴重阻礙和重大損失。因此,在巖溶發育地區修建隧道過程中,如何保證工程安全順利實施,是工程技術人員必須研究和解決的重大課題。

通常情況下,巖溶發育的條件有3個:1)巖石的可溶性與巖石裂隙,可溶性巖石主要包括石灰巖、白云巖、巖鹽等;2)水的侵蝕作用;3)水的流通條件。另外,地表地形、當地降水量的大小及其所覆蓋表面土體的性質也是造成巖溶發育的重要因素。巖溶對隧道的危害主要分為4種類型:1)洞穴的存在使建筑物全部或部分懸空,極大地降低了隧道的使用可靠度;2)巖溶水,特別是當CO2等可溶性物質含量增高時,水的流通將給隧道結構帶來極大的侵蝕作用,影響隧道的使用壽命;3)洞穴堆積物因松軟易坍塌下沉,改變洞穴周邊的應力分布形態,影響隧道的穩定;4)隧道中地下水流失,使隧道頂部地面巖溶塌陷,導致環境地質被破壞,也是造成隧道結構不穩定的原因。因此正確處理溶洞對隧道施工具有重要意義。

巖溶問題對隧道施工而言,歸納起來是溶洞洞穴、巖溶水以及巖溶堆積物的危害,應按其性質及其與隧道的關系采取相應的工程措施。

2 巖溶洞穴處置措施

隧道遭遇到發展和衰亡階段的巖溶中的大型溶洞、暗河時,應對溶洞逐個處理,不必尋找標準的設計。設計的通用原則是:隧道的襯砌結構有足夠安全性、保證在可預見期內洞穴的穩定性、原有水流通道不被阻斷、方案較為經濟適用。

根據巖溶洞穴的大小、位置、穩定性以及溶洞與隧道按交叉形式,分別采取相應的工程措施。具體處理如下:

1)地下水不發育或干涸的小型溶洞無論其相交方式如何,都可用漿砌片石或干砌片石回填處理,必要時采取壓漿填充。2)隧道拱部以及拱以上空溶洞可視其穩定性、溶洞巖石破碎程度采用噴錨支護加固,加設拱頂及拱頂回填的辦法處理。3)當隧道邊墻部位遇到較大、較深的溶洞,不宜加深邊墻基礎時,可在邊墻部位或隧底以下筑拱跨過。4)當隧道中部及底部遇有探狹的溶洞時,可加強兩邊墻基礎,根據情況設置橋臺、架梁通過。5)隧道與溶洞上下交叉時應采用物探等方式探明其具體形態、交叉范圍、富水情況等,視其狀況,制定處理措施,原則上將隧底溶洞爆開孔洞,進行漿砌片石砌筑填充支頂,預留出泄水通道。6)隧道與溶洞側壁相交叉時應調查巖溶發育狀況巖溶水對隧道有無影響,無影響時可回填封閉處理。隧道底部用片石混凝土回填,靠邊墻1 m范圍用漿砌片石回填,其余回填棄碴,空隙吹砂填滿,壓注水泥砂漿膠結。7)隧道穿越垂直的溶洞時,在溶洞無充填物、干燥,洞身高大,洞壁有溶蝕裂隙,但在已停止發育情況下,隧道底以下部分用塊石、碎石回填密實,隧道底1 m范圍用漿砌片石回填,拱頂以上用漿砌片石施作護拱,厚度不小于1 m,以防溶洞頂部有落石掉塊,對拱部混凝土起到保護和緩沖作用。8)在隧道底部有較大規模溶洞時,可采用支承墻、支承柱、拱橋支頂、挖孔樁支頂等加固處理。如果溶洞較大,采用封堵、加固、支撐等方式處理時,費用較高;溶洞較小時又不易回填堵塞,工作面小,不易操作;若溶洞填充松軟時不宜建造基礎,可采用布設結構物直接跨越通過溶洞的辦法處理。

3 巖溶水處置措施

按以往隧道巖溶水處理方法國內外已建成大量隧道,逐步形成了較成熟的結構設計計算理論與工程實踐體系,但在隧道的防水治理方面認識則相對落后。在以往隧道無論設計還是施工,對巖溶水的處理多是“以排為主,排堵結合”,遇水多以暗溝、竹道、涵洞、泄水洞、明渠、滲溝、拱橋或增加輔助導坑等截流排除地下水。但對地下水采取以排為主的防水原則,造成地面和地下水大量漏失,可使隧道地區大量農田干旱,地下水漏失,造成森林枯死,嚴重影響當地的自然環境。據統計,某些山嶺隧道排水,導致居民、牲畜飲水緊張。水的流通將給隧道結構帶來極大的侵蝕作用,影響隧道的使用壽命。巖溶堆積物因地下水的流動而坍塌下沉改變洞穴周邊的應力分布形態,影響隧道的穩定。隧道中地下水的流失,使隧道頂部地面塌陷,造成隧道結構的不穩定。因此可以采用以“通”為主,引、排、堵相結合的綜合處理措施?！巴ā笔侵副M量保持原有過水通道,不能因為隧道的修建發生大的變化;“引”是指截斷原有地下水通道,改走其他通道;“堵”是封死相交的地下水通道;“排”是特指引入隧洞,通過排水溝排走;“防”是指防止地下水進入隧道。

巖溶水處理的工程措施有泄水洞和涵洞兩類,采用泄水洞排水屬于“排”和“引”的范圍,采用涵洞過水屬于“通”和“引”的范圍。

當預測到隧道區域的巖溶水量大、水壓大,而隧道確實無法避開時,需考慮專門設置排水隧洞,達到排除巖溶水,降低地下水位,保持隧道干燥和施工安全的目的。

泄水洞應位于地下水來向一側,為防止巖溶水突然襲擊,施工中要采用超前鉆孔探測,預備足夠的抽水設備。泄水洞的設置可能對生態環境有不利影響,應從施工、環保、安全等多方面進行評價,以保證方案考慮周全,成本最低。

4 巖溶堆積物處置措施

對巖溶堆積物的處理可分以下幾種情況:

1)如溶洞局部、小部含堆積物,可先清除堆積物,再按相應的溶洞空穴處理措施處理。2)如隧底遇堆積物溶洞,規模不大,可采用換填局部堆積物或設鋼筋混凝土蓋板通過;如規模較大,可采用鉆孔樁基礎以橋式結構跨越。如隧道底部為松散或軟塑狀的黏土或砂黏土沉積物,為了防止汽車運行過程中結構產生固結沉降,應加強對基底的處理,隧道底部的處理可采用注漿加固、換填、樁基等方法。3)如工作面為含水的粉細砂或致密的黏土、砂黏土,采用滲透注漿、擠密注漿、劈裂注漿都十分困難時,可采用置換注漿法,即在工作面進行注漿工程中,在距離注漿孔2 m左右,預留幾個排泄孔,將泥砂適量排除,用漿液充填其留下的空隙,起到加固地層的目的。該方法可以降低注漿壓力,促進漿液的擴散。4)如整個隧洞都在堆積物內,可采用臺階法施工,超前小竹棚或大竹棚注漿,加強支護手段,及早封閉仰拱或臨時仰拱,襯砌緊跟,加強襯砌結構的方法通過。

5 結語

巖溶處理是一項復雜的技術,應因地制宜,綜合治理。除按常規進行外,還需一些特殊的加固措施和施工方法,如超前支護,錨噴施工和預加固等。本文所列舉巖溶隧道施工過程中常見的幾種災害防治措施,有待進一步完善。在具體地下工程施工中,以“少擾動、早噴錨、勤量測、緊封閉”為總體指導原則,最大限度地防止巖溶隧道災害的發生,將巖溶災害造成的損失降到最低,使施工安全和施工質量得以保證。

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