巖溶鐵路隧道災(zāi)害及治理措施研究

陳濤

摘 要：伴隨著我國(guó)鐵路工程的發(fā)展，巖溶地區(qū)鐵路隧道施工項(xiàng)目越來越多。本文針對(duì)鐵路隧道溶洞施工原則、鐵路隧道易出現(xiàn)的問題進(jìn)行探討，并提出了相應(yīng)的處理措施，希望對(duì)巖溶地區(qū)鐵路隧道的施工具有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：巖溶;鐵路隧道;災(zāi)害;治理措施

巖溶是地表水和地下水對(duì)可溶性巖層進(jìn)行化學(xué)和機(jī)械性侵蝕破壞、搬運(yùn)、沉積作用形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。巖石的的可溶性和裂隙性以及水的侵蝕性和流通性是巖溶發(fā)育的基本條件。我國(guó)巖溶地區(qū)分布廣泛，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)項(xiàng)目的不斷發(fā)展，在巖溶地區(qū)開展隧道工程施工已不斷增加。巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞發(fā)育，通常在向斜構(gòu)造比背斜構(gòu)造巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，向斜構(gòu)造的核部巖溶發(fā)育比兩翼強(qiáng)烈，背斜構(gòu)造兩翼比核部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。巖溶對(duì)隧道的影響主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)物部分及全部懸空，大大降低隧道使用的可靠度，溶洞填充物外涌，給施工造成困難和安全隱患，季節(jié)性的巖溶洞穴涌水，給隧道施工和體系帶來不安全和不穩(wěn)定因素。在巖溶發(fā)育地區(qū)修建隧道過程中，如何保證工程安全、可靠、順利的穿越巖溶區(qū)的處理技術(shù)方案是設(shè)計(jì)和施工技術(shù)人員必須研究和解決的重大課題。

1 鐵路隧道溶洞施工原則

1.1 安全原則。不僅要考慮施工安全，還必須考慮未來的行車安全以及環(huán)境安全。行車安全不需多說，環(huán)境安全體現(xiàn)了人與環(huán)境的和諧程度、影響著環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。不能僅僅為了施工便利，不經(jīng)調(diào)查和研究即對(duì)溶洞進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理從而影響整個(gè)地下水系，破壞當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境平衡。

1.2 充分考慮方案的合理性。在隧道施工之前，要深入了解周邊環(huán)境、地形地貌及其地質(zhì)結(jié)構(gòu)，掌握溶洞分布范圍和類型，巖層的完整穩(wěn)定程度、填充物、氣體和地下水情況，通過這些確定施工方法。不少地區(qū)的溶洞地形比較復(fù)雜，且地質(zhì)條件也不同，在隧道建設(shè)施工時(shí)，合理選用施工機(jī)械，避免造成溶洞倒塌造成人員傷亡。在巖溶區(qū)施工隧道需要進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，要充分優(yōu)化爆破方案嚴(yán)格控制用藥量，避免破壞溶洞原有的整體結(jié)構(gòu)造成坍塌等危險(xiǎn)。

1.3 施工過程要具有靈活性。溶洞作為長(zhǎng)期封閉的地下空間，很難對(duì)其形態(tài)和環(huán)境做出全面細(xì)致的預(yù)判，在施工過程中也會(huì)改變其狀態(tài)，因此事先確定的施工方案也不是一成不變的，應(yīng)建立應(yīng)急預(yù)案和動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制。在一種處理方法失去作用時(shí)或者效果不明顯時(shí)，必須及時(shí)調(diào)整方案。業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和施工等相關(guān)單位要建立有效的聯(lián)通渠道、緊密結(jié)合，做到及時(shí)溝通，以應(yīng)對(duì)各類突發(fā)難題。

2 巖溶涌水突泥致災(zāi)機(jī)理

巖溶涌水突泥主要與地質(zhì)構(gòu)造及施工開挖過程有關(guān)。通常，隧道巖溶突水可分為地質(zhì)因素誘發(fā)突水和非地質(zhì)因素誘發(fā)突水兩類，由于隧道圍巖中普遍存在著節(jié)理、構(gòu)造裂隙、裂縫等地質(zhì)特征，因此地質(zhì)因素誘發(fā)突水占絕大部分。通常表現(xiàn)為地質(zhì)體失穩(wěn)形成突水通道。侵蝕性的水流在構(gòu)造裂隙中流動(dòng)使構(gòu)造裂隙不斷擴(kuò)大形成溶蝕裂隙，寬大的溶蝕裂隙繼續(xù)發(fā)展成巖溶管道，巖溶管道繼續(xù)溶蝕逐漸形成大的溶洞，出現(xiàn)涌水，并具有出水量大、分布不均、流動(dòng)迅速和集中排泄的特點(diǎn)。

隧道開挖過程中，集中水源中水壓力和開挖面至充水溶腔的距離會(huì)影響開挖面附近的水力梯度，這種水力梯度直接影響著涌水突泥的發(fā)生。隧道開挖前，巖體處于自然平衡狀態(tài)，隧道開挖擾動(dòng)了巖體，形成臨空面，并在隧道周邊形成松動(dòng)圈，導(dǎo)致原有的裂隙擴(kuò)張和新裂隙的產(chǎn)生，改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和地下水的流動(dòng)狀態(tài)，加速了水循環(huán)。水循環(huán)的加速使得地質(zhì)體加速溶蝕，原有的裂隙、溶隙逐漸變大，形成溶管、溶腔，為突水涌泥的發(fā)生提供了通道。

3 防治措施

3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

鐵路巖溶隧道，應(yīng)根據(jù)巖溶及巖溶水發(fā)育程度，以鉆探法為主，綜合地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁等方法，對(duì)掌子面前方巖溶發(fā)育情況、充填情況及充填物性質(zhì)，圍巖完整程度，地下水進(jìn)行預(yù)報(bào)。各種方法相互驗(yàn)證，并對(duì)各種預(yù)報(bào)成果進(jìn)行地質(zhì)綜合分析，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。實(shí)施過程中，根據(jù)預(yù)報(bào)情況及地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)報(bào)方法。

3.2 溶洞水的處理

通常巖溶水的處理要遵循“以排為主，防、排、截、堵相結(jié)合”的綜合處理要求。優(yōu)選管道連接方法，即在探明溶洞發(fā)育變化規(guī)律的前提下，將原有的地下水系進(jìn)行切斷，然后再用涵管或涵洞等管道方式進(jìn)行連接，繞過溶洞發(fā)育的方向，這樣既保持了原地下水的流動(dòng)方向，避免了人為改動(dòng)導(dǎo)致地下水系混亂的情況，而且還有效地避開了溶洞的發(fā)育方向，給溶洞繼續(xù)發(fā)育的環(huán)境，管道可以根據(jù)溶洞內(nèi)的情況進(jìn)行布置，比如在隧道底部或者側(cè)面進(jìn)行加設(shè)，同時(shí)有關(guān)管道出入口周邊至隧道邊墻外緣位置要通過漿砌片石來回填密實(shí)。當(dāng)巖溶水流的位置在隧道頂端或高于隧道頂端時(shí)，應(yīng)設(shè)置引水斜洞將其開鑿到適當(dāng)距離之外，保證水位不超過隧底標(biāo)高，這樣才可以引排。

如果溶洞確定溶腔內(nèi)填充物屬于飽和水，最好的方法就是限排降壓處理法。首先在溶洞揭示前對(duì)掌子面做好加固處理，對(duì)溶洞進(jìn)行周邊帷幕注漿加固堵水，同時(shí)在帷幕外側(cè)要設(shè)置若干泄水孔。此過程中，對(duì)于水壓力的變化要加強(qiáng)監(jiān)控，并做好應(yīng)急防范措施。結(jié)束隧道開挖工作后，及時(shí)進(jìn)行鉆孔并注漿封堵。設(shè)置泄水孔，緩緩適量地釋放溶腔應(yīng)力，與帷幕注漿結(jié)合通過是處理富水型溶洞的良好手段。這樣溶腔壁的穩(wěn)定性可以有效增強(qiáng)，可以避免突水突泥的發(fā)生，使項(xiàng)目施工的安全性得到保障。

3.3 紅外探水

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，特別是有巖溶發(fā)育區(qū)域，在掘進(jìn)過程中容易遇見隱患問題，如地下水體或含水層理。紅外探水除可探測(cè)掌子面前方的地質(zhì)情況外，還可探測(cè)掌子面前方頂板上方、底板下方、兩邊墻外部的地質(zhì)情況。針對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)特點(diǎn)，紅外探測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)全空間全方位探測(cè)。如若發(fā)現(xiàn)前方有水存在，可采用相應(yīng)的排水措施，如引流、排、堵等，亦可采用跨越或繞避等措施。

3.4 應(yīng)用樁基技術(shù)

進(jìn)行樁基作業(yè)之前，需要對(duì)巖溶裂隙情況進(jìn)行調(diào)查，然后確定打入地層樁基的深度。為了保證鐵路施工過程中的安全，需要建立起具有水、土及巖石物質(zhì)形成的封閉單元，在進(jìn)行鉆孔作業(yè)之前對(duì)存在的巖溶裂隙注入水泥漿。多采用高壓旋噴支護(hù)方式的基坑，利用高壓旋噴樁在地層中建立起止水帷幕，需要保證深度不低于5米，可以更好地保護(hù)鐵路地基進(jìn)行支護(hù)。在施工過程中需要注意如下幾方面內(nèi)容：基坑需要設(shè)計(jì)為陡坡、放坡等方式，注入的漿液在保證噴射到巖面部位。如果存在溶洞、漏液等問題時(shí)，需要先注入高強(qiáng)度漿體，如果存在裂縫現(xiàn)象，還需要適當(dāng)加深。支護(hù)施工完成之后，需要做好地質(zhì)勘察工作，可以深入了解巖溶區(qū)域中的地質(zhì)裂隙問題。確定出科學(xué)合理的樁基深度，設(shè)計(jì)好注入漿液的區(qū)段和數(shù)量。對(duì)地下水位進(jìn)行準(zhǔn)確地記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之后對(duì)樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)。但進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該建立起鉆孔灌注嵌巖樁，可以更好地保證樁基的穩(wěn)定性和重要性。并對(duì)樁端部以下的巖石完整性進(jìn)行檢查，確定剛度可以達(dá)到設(shè)計(jì)承載。在實(shí)際的施工過程中，還需要及時(shí)調(diào)整灌注樁孔洞位置。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展，隧道巖溶處理技術(shù)也越來越成熟，但巖溶作為存在上萬年的地下幽閉空間，其成因、形態(tài)、環(huán)境難以勘察全面，因此針對(duì)各種類型隧道巖溶問題的治理措施，在確保隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全的同時(shí)，也要因地制宜、本著敬畏自然、順應(yīng)自然的原則，盡量減少對(duì)環(huán)境的破壞，以促進(jìn)人和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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