隧道勘察設計在巖溶發育地區的經驗與施工策略研究

馬鐵蹄

(銅仁市公路勘察設計院)

1 巖溶的形態及形成條件

1.1 巖溶的形態特征

巖溶主要分布在以碳酸鹽類為主的可溶性巖石周圍，這是因為由于地下水的沖擊對可溶性巖石產生了破壞性的作用，與可溶性巖石產生了化學溶解，從而引起了各種地質現象和形態發生了改變。

巖溶發育初期大多是石芽和溶溝，然后慢慢形成落水洞和溶斗。隨著時間的推移，地下洞穴開始慢慢擴大，相互交匯成一個地下水系統，并以地下水面為分界線，地下水面以上的溶洞干涸，而地下水面以下的溶洞則水資源豐富，這就是熔巖發育的青春期。巖溶進入中年期后，由于地面被長期腐蝕，貼近地面的溶洞的頂板就會開始崩塌，而此時地下河的一些段塌頂也逐步變成地面河。最后，石灰巖被大量腐蝕，溶洞和地下河大量崩塌，最終形成了平原地貌。此時，我們可以形容該時期為巖溶的老年期。

1.2 巖溶的形成條件

巖溶的發育離不開三個條件，即巖層具有可溶性，水要充足并且具有腐蝕性，水的狀態必須是持續流動的。這三個條件相輔相成，缺一不可。

除上述三個條件外，巖溶的發育還會受到氣候，地形地貌等因素的影響。氣候的變化直接影響著水的溶蝕能力、規模以及被腐蝕的速度。而對巖溶發育影響最大的當屬降水量和氣溫，一旦降水量和氣溫越來越高，巖溶就越容易被侵蝕，它的成長速度也就越快。然而，地形地貌對巖溶的發育成長也不容小覷。在分水嶺地區，由于水資源不充足，一般都是靠降水補給，所以，靠近分水嶺地區的巖溶作用相對比較薄弱。在丘陵地區，地下的水資源充足，不斷地在流動，并且與暗河相連，所以巖溶作用很強。山頂雖然也有豎井和溶洞，但是水流基本趨于停滯狀態，所以幾乎沒有巖溶作用可言。

2 隧道勘察設計在巖溶發育地區遇到的問題

2.1 巖溶隧道的風險等級

在進行隧道勘察設計前必須先了解隧道的風險狀況，其次根據其風險狀況制定合理有效的施工處理方案以及應急處理措施，以便最大程度地降低施工中的人員傷亡。巖溶隧道按照地表所處的地理位置不同，分為三類:

(1)陸地越嶺隧道。

該類型的隧道是工程施工中最常見的一種，也是目前隧道風險評估的主要對象，同地下隧道和水下隧道相比較而言，是最容易整治的。

(2)地下隧道。

地下隧道通常位于地下水位之下，而地下水位又和巖溶區域比較接近，所以一旦隧道通過巖溶區域時，不可避免地會引起地質災害，這在分險等級中屬于高風險。

(3)水下隧道。

水下隧道最主要的特點就是水資源豐富，而且隧道突水的壓力較大，地質災害最嚴重，政治條件最困難，在這三類風險中屬于風險最大的等級。

2.2 巖溶制約隧道施工進程

在勘察設計過程中，隧道的施工進程往往受到巖溶的影響，其影響方面主要有以下幾點。

(1)突泥突水。

由于巖溶地帶有很強的腐蝕性，地面結構很容易崩塌，所以施工進程比較緩慢，如果不顧及巖溶地段的特殊性，一旦巖溶崩塌就會造成場地被毀，人員受傷，最終導致工期延誤。根據有關資料的顯示，可以把突泥突水分為4 個風險等級。

①I 級(嚴重)。特大突水(涌水量大于1 ×105m3/d)、大型突水(涌水量1 ×104～1 ×105m3/d)、突泥、高水壓。突水發生的時間無法確定，短則幾小時，長則十幾小時，一旦發生突水情況，施工掌子面在短時間內被淹沒，施工設施被破壞，施工人員的安全也令人擔憂。

②Ⅱ級(較嚴重)。中小型突水(涌水量1 ×103～1 ×104m3/d)、突泥，此時的突泥突水對施工的影響甚微，也不會傷害施工人員的人身安全。

③Ⅲ級(一般)。小型涌水(涌水量1×102～1×103m3/d)、涌泥。

④Ⅳ(輕微)。涌水量小于1 ×102m3/d，涌突水可能性極小。

(2)地表作用。

如果隧道內的巖溶水流動量大，就會造成地表塌陷以及地表嚴重缺水的狀況。

(3)結構作用。

有時在開挖巖溶地段的隧道時會發現有很多小溶洞，這些小溶洞的水量很少，有的甚至無水，但這并不代表沒有安全隱患。如果在雨水頻繁的季節，已完工的襯砌或支護受巖溶水的影響而出現開裂、變形的現象。

(4)空溶洞和充填溶洞的影響。

這兩種溶洞的施工成本比較大，和普通溶洞相比，施工難度大，施工進程也會相對減慢。

2.3 勘察設計時面臨的巖溶問題

巖溶隧道的設計施工一直是隧道工程界的一個難點，這是因為巖溶發育的不均衡行和不規則以及其他因素的難以掌控，發育的形態也千奇百怪。一般來說水源多的地段隧道襯砌設計很難把握，而突水突泥現象對工程施工的進度和安全造成了很大危害。多年來，國內外隧道施工團隊一直把特長巖溶隧道問題作為重大難題。我國在隧道勘察施工過程中均遇到過巖溶突泥突水、底板塌陷以及頂板溶洞充填物陷落冒頂等問題。例如:在修建貴昆鐵路梅花隧道時，遭遇地下河及大型溶洞，商討后決定在隧洞中修隔水墻，攔截暗河;在修建京廣鐵路大瑤山隧道時，由于巖溶突水不斷聚集，最終形成泥石流，導致鐵路運營長期停滯，損失慘重。

3 隧道勘察設計與施工策略

3.1 隧道勘察設計

避免大范圍、發育嚴重的巖溶地帶;避免與地下暗河的水流交匯;避免大面積地穿越水巖層，這是在隧道工程設計時需要總體把握的原則。在初步設計勘察時，需要對基巖情況、地下水出頭情況、各種溶蝕地貌的發育狀況進行大面積的勘察。對于隧道周圍有大規模水源體或大規模的導水通道應予以重點關注，然后根據勘察結果制定可靠的勘察設計方案，對于存在地下暗河的區域，要清楚地下水系與隧道的地理位置關系，在設計方案時盡可能地避免地下水系與隧道軸線縱橫交錯，降低施工過程中的風險。初步勘查設計完成后就可以利用初勘的原始圖件對隧道穿越地層進行進一步的勘探。比如，對初勘中可疑地段進行有針對性的勘察;對隧址區的巖溶發育情況和地下水系情況進一步的詳細探明。在進行圖稿設計時，要考慮對巖溶發育區襯砌加強設計。

3.2 施工策略

(1)詳細檢測巖溶發育區域。

巖溶區的溶洞發育形態綽約多姿，與隧道的位置有著千絲萬縷的關系，在隧道基床底部還有各種各樣的巖溶發育地段，這些巖溶發育地段不管有沒有布設仰拱，都無法全部說明巖溶對隧道造成的不利影響。針對以上問題，在施工前要對隧道基床進行檢測并制定詳細的檢測方案，在異常區內需要進行橫向掃描和鉆孔探測，巖溶區隧道在仰拱或底板施工前要縱向進行3 條側線掃描，根據上述的測量信息采取相應補救措施，如增加鋼筋混泥土底板等。

(2)巖溶隧道地表塌陷機理與處治方法。

地表塌陷是因為有溶溝和垂直溶洞的存在，由于溶溝的寬度、深度、長度以及溶溝與隧道方向位置的關系難以把握，所以在隧道進洞初期地表塌陷的現象經常發生，尤其是在偏壓地段。為了防止事故的進一步擴大，應當把洞內塌方體的封閉穩定和地表截水溝作為首要措施。

地表塌陷的類型和形態大小的不同決定了應該采用什么方法進行處理。對于寬度小的溶槽，可以通過錨桿錨固來解決或者采用大石塊來填充。而對于表面積較大的溶溝區可以采用地表注漿的方法來加固塌陷地表。對于陷坑表面，可以用網噴混凝土澆蓋，再加上鋼化管注漿加固，安全通過后方可用水泥土回填順接地表，并通過噴射混凝土來封閉表面。

4 結束語

巖溶地區隧道設計是一項高難度且多樣化的系統工作。一方面要結合相應的地質、水文情況，還要考慮到對環境的影響;另一方面要能夠一次性完成根治，沒有后顧之憂，保證施工和運營能夠有效進行。在隧道勘察設計時，要綜合考慮各方面的因素，根據每個項目的特點進行合理檢測安排，控制風險成本，推動整個項目的順利進行。

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［2］宋瑞剛，林國濤.巖溶發育地區隧道勘察設計經驗與施工對策［J］.北京交通大學學報，2012(2).

［3］石少帥.深長隧道充填型救災構造滲透失穩突涌水機理與風險控制及工程應用［J］.山東大學，2014(4).

［4］譚遠發.長大深埋隧道工程地質綜合勘查技術應用研究［J］.鐵道工程學報，2012，(4).