巖溶對隧道工程的危害及施工技術(shù)

　　巖溶對隧道工程的施工帶來很大威脅。為了避免這種危害，要求施工時必須要采取一定的措施保障隧道施工的順利進(jìn)行，本文主要探討巖溶對隧道工程的危害及施工技術(shù)。

　　《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1964年，由中鐵西南科學(xué)研究院有限公司 和中國土木工程學(xué)會隧道及地下工程分會共同主辦。創(chuàng)刊40多年來，《現(xiàn)代隧道技術(shù)》雜志緊緊圍繞辦刊宗旨，積極推動我國隧道及地下工程專業(yè)技術(shù)進(jìn)步，深受國內(nèi)隧道及地下工程專業(yè)人員的喜愛，是國內(nèi)影響最大的隧道及地下工程專業(yè)期刊之一。

　　巖溶是由于石灰?guī)r等可溶性巖層在地表水和地下水不斷的侵蝕、溶蝕、遷移、堆積作用下形成的產(chǎn)物。由于水的流通循環(huán)與巖溶相生相伴、發(fā)生發(fā)展、密不可分,因此，巖溶給人類的建筑工程，尤其是地下工程帶來了極大的困難。

　　1、巖溶對隧道工程的危害

　　巖溶對隧道工程的危害主要體現(xiàn)在施工及使用兩方面。就巖溶對隧道施工的影響來說，溶洞的存在會使得圍巖應(yīng)力不均勻分布，并且這種不均勻分布通常無規(guī)律可循，這會使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂，甚至引起隧道塌方，尤其是大型溶洞，不但會延誤工期，造成工程投資的增加，甚至還會危及施工人員的人身安全。并且，溶洞周圍的巖質(zhì)脆性很大，，因此，在隧道施工過程中，極容易發(fā)生塌方，由于巖溶的發(fā)生、發(fā)展與水密不可分，因此一旦發(fā)生塌方，通常會伴隨著突泥、突水，大量的泥沙夾水涌入隧道，不僅會淹沒隧道，沖毀施工臺車，造成施工中斷，甚至?xí)斐芍卮笕藛T傷亡。更為嚴(yán)重的是，當(dāng)含水填充物不斷涌入隧道，會造成隧道周邊位移的擴(kuò)大，導(dǎo)致地表開裂下沉，引發(fā)山體滑坡，使得整個工程建設(shè)毀于一旦。

　　即便隧道在施工中一切順利，沒有發(fā)生任何對施工不利的狀況，由于巖溶的存在，隧道使用的可靠性也會大大降低。在地震作用下或車輛、采礦爆破等引起的震動下，隧道上方或下方的巖溶洞穴極容易發(fā)生塌陷，造成隧道不能繼續(xù)使用，并且這些潛在的危險(xiǎn)也威脅著使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全。與此同時，巖溶的產(chǎn)生、發(fā)展與地下水密不可分，而巖溶地下水的活動，在加重巖體質(zhì)量和重量的同時，也在減小巖體之間的摩擦阻力，這樣，也會導(dǎo)致巖溶塌陷，毀壞地表建筑物，造成隧道停工、停用、甚至造成人員傷亡。

　　2、隧道巖溶超前預(yù)測預(yù)報(bào)

　　巖溶隧道的超前預(yù)測預(yù)報(bào)對于隧道工程建設(shè)尤為重要，據(jù)此，我們可以提前預(yù)知地質(zhì)狀況，采取更具有針對性的措施防范巖溶給隧道帶來的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)前面的分析，隧道巖溶超前預(yù)測主要集中在兩方面，其一是準(zhǔn)確確定巖溶的位置及程度，其二是準(zhǔn)確預(yù)測可能發(fā)生的突突泥或突水。就預(yù)報(bào)方法而言，目前主要有兩種方法，即，地面預(yù)報(bào)與掌子面預(yù)報(bào)。其中地面預(yù)報(bào)方法主要地質(zhì)調(diào)查法、高密度電阻率法、電磁法、重力勘探遙感信息技術(shù)等，它由于預(yù)報(bào)精度非常有限，因此，在埋深較淺的隧道工程中應(yīng)用的較多。對于埋深較深的隧道工程，只能采取掌子面預(yù)報(bào)。

　　所謂掌子面預(yù)報(bào)指的是以已開挖段地質(zhì)變化規(guī)律為基礎(chǔ)，借助于高端探測設(shè)備進(jìn)行探測，并參考設(shè)計(jì)時的勘測資料，對探測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，從而對掌子面前方的地質(zhì)情況作出科學(xué)的預(yù)測分析，用以指導(dǎo)隧道的施工建設(shè)。相對來說，這種預(yù)測方法由于已知信息較多，并對大量的信息進(jìn)行綜合分析，因此，可靠度較高，精度也符合要求，因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)用得也最為廣泛。

　　就當(dāng)前來說，掌子面預(yù)報(bào)方法也多種多樣，如地質(zhì)法、鉆探法、物探和地質(zhì)綜合判定法等，每種方法都各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其中，由于科技的進(jìn)步，各種探測設(shè)備向小型化、便攜化方向發(fā)展，加之計(jì)算機(jī)硬件和軟件業(yè)的飛速發(fā)展，物探法這些年發(fā)展很快，逐漸成為了掌子面預(yù)報(bào)法的主流方法，不僅大大提高了探測的效率，也使得探測的準(zhǔn)確性大為提高。

　　而就物探法本身來說，目前研究及應(yīng)用比較廣泛的是各類波的反射法，這種方法的理論基礎(chǔ)為彈性波理論。各種波，如聲波、地震波及電磁波均會在介質(zhì)中傳播并反射，反射的信號被采集解譯后，可以判斷掌子面前方的基本情況以為隧道施工提供參考依據(jù)。這種方法理論成熟，占用施工時間短，費(fèi)用低、預(yù)報(bào)距離長短均可，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用比較廣泛，目前常用的這類方法有HSP、TSP、紅外線探測、電磁波反射和層析反射等。

　　3隧道巖溶處理措施

　　3.1、巖溶段的超前加固處理。在隧道施工過程中，如果能夠事先掌握巖溶狀況，并采取超前加固處理，提高圍巖的自穩(wěn)能力，就能夠在很大程度上降低施工時發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性。而現(xiàn)在的巖溶的超前預(yù)報(bào)技術(shù)以及帷幕灌漿技術(shù)、支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，為巖溶段的超前加固處理提供了現(xiàn)實(shí)保障。當(dāng)我們采用物探或鉆探等方法探明前方所存在的隱患時，就可以注漿或超前強(qiáng)度支護(hù)來提高圍巖的穩(wěn)定性，以便于隧道的開挖。

　　目前常見的預(yù)加固措施主要有錨桿、導(dǎo)管超前支護(hù)法及注漿或冷凍超前加固法。兩種方法在工程實(shí)際中，經(jīng)常交錯綜合使用。就目前常用的加固方案來說，主要有超前小導(dǎo)管支護(hù)、超前大管棚、超前大管棚+超前預(yù)注漿、冷凍法等方案。每種方案的適用性各有不同：超前小導(dǎo)管支護(hù)用于巖溶裂隙、充填粉質(zhì)粘性土型溶洞的情況，超前大管棚+超前預(yù)注漿主要應(yīng)用于充填泥砂型的巖溶管道及洞穴、充填淤泥型的大溶洞、充填粉細(xì)砂型溶洞以及富水型的巖溶管道的情況;冷凍法主要應(yīng)用于含水砂層、富水粘土充填巖溶段圍巖的情況。

　　3.2施工地質(zhì)災(zāi)害處治措施。超前加固只是確保隧道能夠順利開挖，但是為了確保隧道的后續(xù)施工及投入運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，還需要在隧道開挖過程中，對巖溶段進(jìn)行全面的處治。這就要求既要減少對掌子面的擾動，也要對不穩(wěn)定體進(jìn)行永久加固處理。

　　巖溶段開挖施工的危險(xiǎn)性高，出現(xiàn)重大安全事故也數(shù)不勝數(shù)，為了減少對擾動，開挖的時候要縮小開挖斷面、預(yù)留核心土。具體方法主要有臺階法和斷面分部開挖法。其中臺階法顧名思義就是按照臺階的形狀向前推進(jìn)施工，它又分為長、短及超短三種方案，其中長臺階方案中，上下臺階之間相距較遠(yuǎn)，上臺階要比下臺階超過0.5m，或5被的洞跨，短臺階法的上臺階長度在1~5倍的洞跨之間，這兩種方案的基本做法均為上部臺階開挖后，進(jìn)行支護(hù)，再進(jìn)行下臺階的開挖，不影響施工進(jìn)度。超短臺階從穩(wěn)定性上來說是最好的，但是速度慢，在實(shí)際工程中很少使用。臺階法通常用于極破碎圍巖段的開挖，一般用于較軟而節(jié)理發(fā)育的圍巖中。

　　當(dāng)開挖遇到容易坍塌的軟弱圍巖或破碎嚴(yán)重的時候，就不能采用臺階法了，就只能采用斷面分部開挖法。它是把設(shè)計(jì)的巷(隧)道斷面劃分成若干部分，進(jìn)行二次及其以上開挖，最后達(dá)到巷(隧)道設(shè)計(jì)開挖斷面的一種施工方法。它又分為臺階分部開挖法(預(yù)留核心土法)、單側(cè)壁導(dǎo)坑法(CD法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

　　臺階分部開挖法又稱環(huán)形開挖留核心土法，顧名思義，先開挖上部導(dǎo)坑成環(huán)形，并進(jìn)行支護(hù)，再分部開挖中部核心土、兩側(cè)邊墻的施工方法。核心土起雙重作用，其一是支擋開挖工作面，其二是利于施作拱部作初期支護(hù)，施工相對比較安全。單側(cè)壁導(dǎo)坑法又叫CD法，它是將斷面橫向分成側(cè)壁導(dǎo)坑、上臺階和下臺階，每步開挖的寬度較小，但是施工自由度較大。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法一般將工作面分成四塊，先開挖一側(cè)，再開挖另一側(cè)，然后開挖上部核心土，再開挖下部臺階。這種方法能夠較好控制隧道變形，但速度慢，造價(jià)高。在實(shí)際開挖過程中，應(yīng)根據(jù)巖溶的具體況選取合適的施工方法，以便有效控制變形和坍塌。

　　3、結(jié)束語

　　巖溶對隧道施工及后續(xù)運(yùn)營都會帶來很大威脅。在施工中必須要通過超前預(yù)報(bào)技術(shù)，提前掌握巖溶發(fā)育的詳細(xì)信息，并評估其可能帶來的危害，然后根據(jù)工程實(shí)際采取相應(yīng)的措施，只有這樣才能保障施工的順利進(jìn)行，也有利于后期的運(yùn)行。