巖溶地區的隧道施工問題與對策研究

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巖溶指可溶性巖層，這種巖層經過水以及其他機械作用的影響會產生溝槽、空洞以及裂隙等。巖溶作為一種不良地質病害，會使隧道施工困難，施工風險增加。在山區修建高等級公路時，為了改善線形，縮短里程，往往需要開挖隧道。然而在隧道施工開挖的過程中所遇到的斷層、破碎帶、溶洞等不良地質現象往往會多于前期勘察所探明的情況。尤其對于巖溶地區的隧道施工，施工過程具有較大的盲目性，經常會因巖溶涌水、突泥等情況而造成較大的損失[1]。巖溶溶洞多為巖溶空腔，內壁看似堅硬，實則不然，容易造成巖塊的墜落，一旦施工過程中發生事故，就極有可能造成嚴重的經濟損失，甚至威脅施工人員的人身安全。巖溶地區的隧道施工控制一直是國內外工程界研究的重點，積極地開展關于巖溶地區隧道施工的安全技術研究與施工要點分析，對于工程的安全建設具有重大意義。

1 淺埋隧道的巖溶問題

1.1 巖溶水對隧道的危害

巖溶水主要儲存在巖隙中，巖溶水的流動會削弱巖土顆粒之間的吸附力，溶蝕膠結物，進而削弱膠結力。此外，隧道的開挖會形成臨空面，圍巖則會朝著臨空面的方向發展，而巖溶水所處的巖土單元重量會隨之增大，進而加大剪應力。孔隙水壓力削弱了破壞面上的正應力，導致潛在破壞面的抗剪強度也會隨之降低。隧道的修建則相當于在山體之中修建了一條集水廊道，為地下水的匯集提供了有利的條件。如果遇到較大水量的巖溶水，將會造成較高的水壓，引發隧道突水、突泥病害。然而突水、突泥的病害發生較為突然且破壞性較大，會對作業人員的人身安全造成傷害，且突水、突泥病害在后期處理較為困難，需要停工專門進行整治，從而會嚴重延誤工期。此外，突水、突泥還會引起地表的塌陷，導致地質環境的惡化。在隧道建成運營的過程中，巖溶水依舊會影響隧道，襯砌結構在地下水的長期浸泡下會遭受不同程度的軟化，其蠕變量也會隨之增大。另外，在地下水的作用下，一些物質會受到結晶腐蝕、分解腐蝕、結晶分解復合腐蝕等三種類型的腐蝕，破壞襯砌結構，使之產生裂縫。同時，地下水的深入使鋼筋也發生了銹蝕，嚴重影響了鋼筋的性能。

1.2 巖溶裂隙對隧道的影響

裂隙將完整的巖石切割成破碎的巖體，降低了圍巖的變形模量與強度。而且隧道的開挖施工又破壞了原有的應力平衡狀態，其中的應力也需要重新達到新的平衡。裂隙的存在加劇了巖體的風化作用，同時裂隙之間的水也會不斷軟化巖石，最終導致巖塊質地變軟、強度降低。

1.3 巖溶洞穴對隧道的影響

在巖溶地區修建隧道時，還可能會遇到各種形態的巖溶洞穴。溶洞是巖溶地區最為常見的形態，而當隧道穿越巖溶地區時，溶洞的大小、形態、位置、充填狀態以及充填物的性質等都會對隧道產生密切的影響。溶洞的存在使圍巖的力學效應變得尤為復雜。在隧道施工中如果遇到溶洞，極易造成圍巖局部的應力集中現象，特別是溶洞的形狀不夠規則且臨近掌子面的問題，會使隧道的變形量顯著增加，甚至有可能出現掉塊、坍塌的現象。如果溶洞中充填的是地下水或者泥沙等，則很有可能會引發突水、突泥的病害，從而造成財產的損失和人員的傷亡。

2 巖溶隧道病害的防治措施

2.1 巖溶段隧道開挖施工方法

巖溶地區的工程地質特性較為特殊，這就決定了巖溶隧道的施工方法具有一定的特殊性，為了減少隧道施工帶來的擾動，通常情況下會采用縮小開挖斷面、預留核心土的施工方法，也就是臺階法和斷面分部開挖法。

（1）臺階開挖法根據開挖的順序又可以分為正臺階法和反臺階法。其中正臺階的開挖順序是由上至下，開挖臺階的長度一般在1～1.5D，其中D表示的是隧道的跨度，其開挖方式如圖1（a）所示。反臺階法又可以稱為中隔墻臺階法，該方法主要應用于穩定性較好的巖層中，其開挖順序是由下至上，其中上臺階通常采用光面爆破，下臺階采用預裂爆破，臺階的長度一般要小于5D，其開挖方式如圖1（b）所示。臺階法的使用條件較為廣泛，且施工的空間大，能夠快速施工，縮短工期，工程造價較低。但是應用臺階法在施工時，上臺階和下臺階之間會相互干擾，同時還會對圍巖進行多次擾動，不利于圍巖的穩定性。

圖1 臺階法示意圖

（2）斷面分部開挖法可以細分為預留核心土法、CD法和雙側壁導坑法。應用預留核心土法施工的過程中，核心土能夠對開挖的工作面起到支擋的作用，增強了工作面開挖的穩定性，但是在施工時需要對圍巖進行多次擾動。CD法施工時通常會將剖面分割為6個部分，首先開挖一側的①、②、③三個部分，邊開挖邊進行支撐，之后再開挖另一側的④、⑤、⑥三個部分，待最后完成了初支和仰拱再拆除中隔墻。這種施工方法一般應用于巖體不穩定的隧道施工，其開挖方式如圖2所示。

圖2 CD法示意圖

雙側壁導坑法能夠以小跨度實現大跨度，該方法通常將隧道分為三個部分進行施工，在施工的過程中首先開挖左右兩個導洞，支撐之后再進行中間巖土體的開挖。該施工方法能夠對拱頂沉降和地面沉降進行有效控制，但同時該方法對圍巖的擾動較多，且臨時支護安裝以及拆除的工作量也較大，工期較長，且造價高，其開挖方式如圖3所示。

圖3 雙側壁導坑法示意圖

2.2 巖溶處理的原則

巖溶隧道災害的治理需要以疏為主、排堵結合。可以對圍巖或者掌子面進行加壓注漿，從而避免隧道內產生突水以及突泥的風險。同時還應當加強隧道周邊的水循環，避免在隧道附近匯集地下水產生高水壓。如果在隧道施工的過程中遇到小型溶洞，則可以根據溶洞的位置通過混凝土或者其他石材進行封閉回填；如果遇到大型溶洞，則需要通過采用長管棚、小導管、棄渣回填等方式進行處理。通常將隧道災害治理分為兩個部分進行，首先是開挖之前對即將開挖的區域進行加固，穩定掌子面前方的巖溶；然后是在對巖溶體開挖之后進行加固支護，也是對隧道的超前預加固和開挖后處理。

2.3 隧道超前地質預報

在巖溶地區進行隧道的施工，超前地質預報是必不可少的工作。通過超前地質預報能提前掌握掌子面前方的地質情況，推測發生巖溶病害的可能性，并及時做出評估，避免造成重大事故[2]。同時還可以通過超前地質預報來彌補前期勘察不足的情況，及時對支護參數進行調整并提出加固措施意見，減少工程事故的發生。進行巖溶隧道超前地質預報主要是對前方溶洞的位置、溶洞的水量大小、水壓以及填充物性質進行探測。其中應用的方法主要包括地質法、水平鉆探法以及物探法。

2.4 巖溶隧道超前預加固

巖溶隧道的超前預加固主要是運用物探和鉆探的方式探明掌子面前方的地質情況，對隧道的局部進行注漿固結和超前支護。預加固主要針對圍巖強度不足、自穩能力較差的情況。一種預加固方法是用錨桿和導管對其進行超前支護，另一種則是通過注漿或者冷凍的方法加固。在實際的施工中，兩種措施往往會綜合交叉使用。通過超前預加固能夠起到穩定局部以及預先支護的作用，顯著減少施工中的病害，提高安全性同時也降低成本。一般情況下，巖溶裂隙以及小型溶穴基本上不需要超前加固，如果裂隙中有水，則需要應用超前小導管進行預注漿。如果巖溶管道及洞穴中充填有泥沙、塊土石、碎石土，一般會采取超前大管棚和超前預注漿相結合的綜合治理措施。

3 結論

（1）進行巖溶區域隧道施工主要會面臨巖溶水、巖溶裂隙以及巖溶洞穴對其產生的病害。（2）進行巖溶區域隧道施工通常采用臺階法和斷面分部開挖法。（3）對巖溶病害一般通過超前地質預報進行判斷，采用超前預加固和開挖后支護方式進行處理。