談巖溶隧道突水與防治

張 高 青

(河北工程大學，河北 邯鄲 056038)

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談巖溶隧道突水與防治

張 高 青

(河北工程大學，河北 邯鄲 056038)

簡要概括了巖溶的定義，從地質(zhì)、氣象、施工三方面，分析了影響巖溶隧道突水的主要因素，論述了巖溶隧道突水造成的危害，提出了巖溶隧道突水的預防與治理措施，為巖溶隧道突水防治提供理論依據(jù)。

巖溶隧道，突水災害，地質(zhì)預報

0 引言

我國的碳酸鹽層分布較廣，僅露出地表就接近我國國土面積的1/10，若再加地下熔巖所占面積，則能達到我國國土面積的1/3。據(jù)統(tǒng)計，我國已建成的巖溶隧道中，幾乎不同程度的遭受了惡劣地下水的危害，因此對巖溶隧道突水的原因與防治的研究具有重要意義。

1 巖溶的定義與涌突水的類型

1.1 巖溶的定義

巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層(硫酸鹽石、碳酸鹽石、鹵酸物類等)進行化學侵蝕、沖蝕、崩解和機械破壞、搬運、堆積與沉積等作用所形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。

1.2 涌突水的類型

通過相關(guān)理論、工程實例和巖溶涌突水現(xiàn)象觀察分析后知，巖溶地下水的運動具有一定規(guī)律。隧道突水可分為五種類型，為溶系型、脈管型、管道型、溶洞型、暗河型。一般情況下，前兩種類型的寬度、水量及水壓較小，發(fā)生涌突水的幾率和危害性都較小。后三種類型的出水量和水壓一般較高，容易發(fā)生突水且危害性很大。

2 影響巖溶突水的主要因素

2.1 地質(zhì)原因

巖溶在滿足一定的發(fā)育條件時，即會發(fā)生巖溶作用。具有溶蝕能力的水，首先沿縫隙進入巖石的內(nèi)部，不斷的進行溶蝕循環(huán)，這導致縫隙逐步擴大進而轉(zhuǎn)變?yōu)榱严叮严独^續(xù)發(fā)展會形成巖溶管道，再繼續(xù)發(fā)展會形成溶洞。巖溶水具有流量大、分布不均和流速快等特點。由地質(zhì)因素導致發(fā)生突水現(xiàn)象的地形一般包括以下四種類型：1)可溶性巖石向斜核部及背斜翼部；2)斷層破碎處；3)可溶巖與非可溶巖接觸面，以及碳酸鹽巖層間滑動帶；4)其他各類含水或水體的構(gòu)造圍巖。

2.2 氣象原因

巖溶作用可涉及到氣、液、固三相體系的化學平衡，氣溫、降雨量及降雨強度等氣象原因可輕易的改變?nèi)叩钠胶猓瑥亩l(fā)生突水現(xiàn)象。一般來說，當溫度較低時，具有溶蝕能力的水與巖層反應較慢，巖溶作用不明顯。當溫度升高時，水的溶蝕性增強、水流速度加快，導致巖溶作用加強。當降雨量突增時，水的滲透量及水的運動交替受到影響，大量地表水轉(zhuǎn)化為巖溶水，水位上升，水壓變大，而且水中形成游離的CO2，這些因素都極易造成隧道發(fā)生突水。

2.3 施工原因

隧道施工影響了巖層的自然平衡狀態(tài)，形成了臨空面，改變了隧道周邊的水流梯度并形成松散圈，這加劇了原有裂隙的擴大、新裂隙的形成以及水循環(huán)速度的加快，當圍巖應力達到極限后，就會發(fā)生突水現(xiàn)象。一般來說，因施工原因?qū)е碌挠客凰F(xiàn)象包括以下三個方面：隧道開挖直接導致的涌突水、隧道開挖間接導致的涌突水以及隧道開挖后的涌突水。

3 巖溶隧道突水的危害

隧道突水災害嚴重危及隧道的施工安全(如圖1所示)，減緩施工的進度，給人們的生產(chǎn)、生活帶來重大影響，并且常常造成重大人員傷亡事故。

3.1 造成重大人員傷亡事故

盡管國內(nèi)外進行了大量的研究，但由于巖溶問題的復雜性及相關(guān)技術(shù)依舊比較滯后的原因，在隧道施工中，經(jīng)常造成人員傷亡(如圖2所示)。如現(xiàn)存最大的陸地鐵路隧道——勒奇山隧道，其因塌方造成了人員傷亡。

3.2 造成財產(chǎn)損失

隧道發(fā)生突水災害，無論是在施工中造成的事故或在完工后隧道的治理與維護時都會浪費大量的財富。如馬鹿箐隧道(見圖3)，由于其地質(zhì)極為復雜，巖溶發(fā)育強烈，地下暗河、巖溶高壓富水溶腔等不良地質(zhì)，施工中發(fā)生突水災害，雖然由于及時的預警和搶救，洞內(nèi)140人安全撤離，但仍然導致大量器械損毀，財產(chǎn)損失嚴重。再如沙馬拉達隧道，僅后期的維護治理就花費近千萬元。

3.3 造成工期延長

隧道突水肯定會影響施工的進度，甚至造成長期停工，使隧道建設無法按時完工。如日本的舊丹那隧道，1918年開工，因不斷發(fā)生突水災害導致其1934年才完工。我國青函隧道，因四次大量突水使工期延長近10年。

4 巖溶突水的預防與治理

4.1 巖溶突水的預防

在隧道施工過程中，應十分重視隧道突水的預防工作，采用合理的地質(zhì)超前預報技術(shù)，避開高富水、破碎斷層等一些不良區(qū)段，能有效的減少甚至避免巖溶隧道突水帶來的危害。超前地質(zhì)預報一般有以下三種形式。

4.1.1 長距離超前地質(zhì)預報

長距離超前地質(zhì)預報一般探測掌子面前方100 m～150 m，目前主要采用TSP法。TSP系統(tǒng)是利用一個小型的爆破裝置發(fā)出地震波，當?shù)卣鸩ㄔ趲r體中傳播時，遇到不同的斷面會不同程度的反射一部分地震波，被檢波器接受分析，從而探測出前方的地質(zhì)構(gòu)造。由于TSP系統(tǒng)探測距離遠，探測結(jié)果準確且費用不高，從而受到國內(nèi)外的推崇。我國從1996年首次引進并多次實驗性預報到之后的云南元磨高速公路隧道的實際應用都取得了較好的效果，到如今TSP系統(tǒng)的應用已經(jīng)比較完善。

4.1.2 短距離地質(zhì)預報

短距離地質(zhì)預報精度較高，但預測距離較短，一般包括以下兩種方法：1)紅外線法，這種方法主要根據(jù)隧道圍巖發(fā)出的紅外線的不同從而確定圍巖內(nèi)部及表面性質(zhì)。因此方法速度快、效率高、準確性好，所以受到廣泛應用。2)地質(zhì)素描法，此方法以施工時掌子面前方已探測出的地質(zhì)情況為依據(jù)，來推測前方有無不良

地質(zhì)體，其費用較低，預測效果較好。

4.1.3 超前水平鉆探

超前水平鉆探主要通過分析鉆進速度、鉆孔回水顏色及巖體結(jié)構(gòu)等信息來進行預測。因其探測方法直接，預測結(jié)果非常準確而成為隧道施工中的常用方法。

4.2 巖溶突水的治理原則

4.2.1 排堵結(jié)合

在我國隧道建設發(fā)展的過程中，是“排”還是“堵”一直是人們爭議的話題。無限制的排水雖然簡單、快捷、成本低，但是往往不能從根本上解決巖溶隧道突水，若遇到連續(xù)暴雨天氣，隧道容易再次發(fā)生突水，而且無節(jié)制的排水會造成地表塌陷、水資源減少與污染、破壞周圍環(huán)境。單純的堵水不僅費用很高，而且往往不能解決問題。所以，應采用排堵結(jié)合的治理方案，綜合考慮突水量大小、所含泥沙程度及對隧道運營安全和環(huán)境的影響，將排水和堵水結(jié)合起來。

4.2.2 分區(qū)治理

根據(jù)隧道周邊的地質(zhì)情況、突水原因、突水量大小等因素，將巖溶隧道分成不同的區(qū)段，從而進行更加針對性的治理。如遇到富水的破碎圍巖或位置較淺的斷層破碎帶的區(qū)段，因其地下水量和地下水壓力較小，而采用以排為主、局部封堵的治理方案。當遇到對環(huán)境反應敏感的區(qū)段，則采用全斷面帷幕注漿等方法來減少地下水的排放。

4.2.3 信息化施工、重視監(jiān)測

隨著科技的發(fā)展，一些便捷、高效率的儀器不斷投入應用，利用這些先進技術(shù)可輕松的對隧道內(nèi)的情況進行監(jiān)測，尤其是封堵段，應不斷對其進行跟蹤監(jiān)測，防止其再次發(fā)生突水。

5 結(jié)語

我國的巖溶分布面積很大，巖溶隧道突水的研究對人們的生產(chǎn)生活及社會發(fā)展具有重要意義。在巖溶隧道施工中，突水災害的預防工作及其重要，準確的探測結(jié)果可以避免人員的傷亡、財產(chǎn)的損失及施工延期等危害。發(fā)生突水災害后，應堅持排堵結(jié)合、分區(qū)治理和信息化施工、重視監(jiān)測等原則。

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Discussion on karst tunnel water inrush and prevention

Zhang Gaoqing

(HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China)

This paper briefly generalized the definition of karst, from the geology, meteorology, construction three aspects, analyzed the main factors influence of karst tunnel water inrush, discussed the disasters caused by karst tunnel water inrush, put forward the prevention and treatment measures of karst tunnel water inrush, provided theoretical basis for prevention and control of karst tunnel water inrush.

karst tunnel, water inrush disaster, geological forecast

1009-6825(2016)11-0194-02

2016-01-28

張高青(1981- )，男，助教

U453.61

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