巖溶地區隧道設計思考

　　關鍵詞：隧道工程 圍巖定級 對比分析 巖溶

　　引言

　　在石灰巖地區修建高速公路時，巖溶問題是不容忽視的。巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層經過化學作用和機械破壞作用而形成的各種地表和地下溶蝕現象的總稱。此區域的隧道建設應考慮巖溶的危害，評價其影響程度，才能決定合適的襯砌結構形式和溶洞處理措施。

　　1、巖溶區域隧道圍巖分級的思考

　　1.1隧道圍巖分級的一般思考

　　圍巖分級是將隧道圍巖穩定性等級由好到壞分為Ⅰ-Ⅵ六級，采用定性、定量、定性與定量相結合的3種方法進行。由于規范沒有對巖溶影響設置專門的條文，石灰巖地區在確定隧道圍巖分級時，如何考慮巖溶作用受主觀認識影響較大。

　　通常情況下，隧道襯砌結構設計是根據圍巖級別、使用要求和施工條件來考慮的，通過工程類比和結構計算綜合分析確定。不同級別的圍巖對應的隧道初期支護參數和二次襯砌的支護參數是不同的，往往圍巖的一個級別差異對應隧道延米工程造價的差異達萬元以上，合理確定隧道圍巖級別是控制隧道工程投資的關鍵因素。

　　1.2巖溶地區隧道圍巖分級要考慮的因素

　　如何定性考慮巖溶對隧道圍巖級別的影響，筆者認為先要明確巖溶的發育的階段和巖溶目前對隧道的危害程度。

　　巖溶的形成必須具備四個基本條件：即可溶性巖石、可溶巖能提供水滲透和運移空間、具有溶蝕能力的水流、水流必須具有流動性。巖溶的發育演化一般可劃分為如下三個階段：

　　1）形成階段：只要滿足前述洞穴發育的四個基本條件，即可開始形成洞穴。在這個洞穴形成的初期階段，洞穴空間規模一般較小，多呈孔隙狀，人們無法進入，主要表現為溶蝕現象。

　　2）發展階段：隨著參與洞穴發育的水流流量流速的增加，洞穴空間逐漸擴大，發展成為人能進入具有一定規模的通道系統，主要表現為溶洞和地下暗河。

　　3）衰亡階段：由于地殼抬升，洞穴逐漸脫離地下水位進入包氣帶，失去了進一步發展的動力條件，主要表現為崩塌現象顯著，鐘乳石類次生化學沉積大量發育，洞穴空間逐步壅塞減小。

　　巖溶對隧道的危害主要分為四種類型：

　　1）洞穴的存在使隧道全部或部分懸空，將極大地降低隧道的使用安全可靠度；

　　2）巖溶水特別是當CO3等可溶性物質含量增高時，水的流通將給隧道結構帶來的侵蝕作用，影響隧道的使用壽命；

　　3）洞穴堆積物因松軟易坍塌下沉，改變洞穴周邊的應力分布形態，影響隧道的結構穩定；

　　4）隧道中地下水流失，使隧道頂部地面巖溶塌陷，導致環境地質被破壞，也是造成隧道結構不穩定的原因。

　　1.3巖溶地區圍巖分級建議

　　對于主要處于形成階段的巖溶，由于其對巖石的整體穩定性影響小，基本可以不考慮影響，主體圍巖是幾級就可劃定為幾級，但是應在地質文件中指出其范圍，并做適當描述。

　　對于發展階段的巖溶，如果隧道與其大型地下洞室相交或地下暗河相交，就不能按常規辦法確定圍巖級別，只能指出溶洞（暗河）與隧道相交長度及其大小而不能分類，因為標準的襯砌結構是無法適用于千變萬化的溶洞形態的，但是靠近溶洞、暗河區域，在圍巖分級上應考慮其影響在適當長度范圍調整圍巖級別。

　　對于衰亡階段的巖溶，基本原則同發展階段的巖溶，如果隧洞在洞穴堆積物中通過距離較長，性質較單一，也可定為Ⅵ級圍巖，Ⅵ級圍巖的結構襯砌設計、施工方案只能是初步設計，應通過實驗、小范圍驗證才可鋪開實施。

　　2、巖溶地區隧道襯砌結構設計思考

　　2.1巖溶地區隧道一般襯砌結構特點

　　巖溶地區隧道一般襯砌結構宜應按巖溶處于形成階段來考慮，施工中雖然可能遇到各式各樣的小溶溝、小溶槽，但是對結構的整體穩定性不構成威脅，不需要調整隧道襯砌設計參數，只需要進行局部地段的小溝槽充填物清除、同時增加少量回填工程量及過水管道的設置。

　　隧道遭遇到小溶溝、小溶槽時所增加的工程數量可以在設計期間大致估算出一個基本范圍，工程量出入不會很大。

　　2.2巖溶地區隧道一般襯砌結構要注意的問題

　　要考慮巖溶的發展性、地下水流的腐蝕性這兩個主要因素。

　　雖然巖溶的發展變化十分緩慢，但究竟在發展，隧道設計如果不根據已有存在的溶蝕現象預留適當的過水管道，而是強行用襯砌阻斷水源，可能使襯砌結構承受額外水壓，導致結構的安全系數降低，這點要有充分認識。

　　同時地下水含中CO2濃度較大，具有較強的腐蝕性，隧道初期支護必須考慮防腐蝕的問題，采用防腐蝕混凝土材料，隧道防水層材料也要相應增加檢測指標，保證在CO2飽和濃度下的耐久性。隧道的二次襯砌可不采用防腐蝕混凝土，但是洞內用于排除圍巖滲水的中央水管、水溝也須有防腐蝕考慮。

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　　2.3隧道特殊襯砌結構

　　有資料表明，當溶洞不具有坍塌條件的完整頂板，其厚度大于等于洞跨度的1/2時或當溶洞節理裂隙發育，且膠結不良，具有坍塌條件的不完整頂板，其厚度大于等于洞高度的5倍時且無明顯滲、漏水的情況下可以不處理而直接通過該溶洞。換個說法就是此時洞內采用路基或橋梁方案過溶洞，而不需要施作初期支護和二次襯砌，可稱為洞內無襯砌結構。

　　采用無襯砌結構時，發現洞內存在明顯滲、漏水情況時，應考慮棚洞或明洞結構，用以保護溶洞內道路行車安全。

　　3、巖溶地區隧道溶洞處理

　　3.1溶洞處置的主要原則

　　隧道遭遇到發展和衰亡階段的巖溶中的大型溶洞、暗河時，應逐個溶洞逐個處理，不必要尋找標準的設計，設計中的通用原則為確保隧道的襯砌結構有足夠的安全保證、在可預見期內洞穴的穩定性有保證、原有水流通道不會被阻斷、方案比較經濟適用。

　　3.2溶洞處理主要方式

　　隧道過溶洞處置方式有內增設邊墻梁及行車梁、托梁、支墩、懸壁梁承托縱梁、拱橋、加大隧道凈空寬度跨度跨越巖溶或對隧道周邊巖體進行封閉、注漿加固、支頂加固、加強襯砌等。

　　3.2.1溶洞跨越處理

　　當溶洞規模較大、溶洞內充填物松軟，基礎處理工程修建困難、耗資巨大，或者溶洞雖小但水流較大時，可根據具體條件采用相應的梁跨、板跨等形式跨越巖溶地段。

　　此方式一般采用鋼筋混凝土梁跨越，梁體采用抗侵蝕混凝土。當隧道襯砌斷面需要開挖圍巖才能滿足凈空要求時，應先開挖圍巖，再施工跨越結構，以確保安全，同時應注意不同受力結構間的斷縫設置及連接措施設置。

　　3.2.2封閉處理

　　已停止發育的干溶洞，在考慮有效的過水通道后，可采用混凝土、漿砌片石或干砌片石堵塞、充填溶洞。

　　3.2.3錨桿、鋼管加固處理

　　為防止洞穴巖壁或頂板坍塌，在清除松動巖石困難的情況下，可采用錨桿或大鋼管、鋼軌加固巖體。此時隧道襯砌應考慮抗沖擊措施，一般是采用明洞襯砌，襯砌頂部設置回填體，其表面設置護面結構，回填體以上空間的溶洞洞壁采用錨桿、鋼筋網、噴射混凝土封閉支護；若溶洞較大，可設置橫向鋼軌橫或設人字形鋼軌柵架。

　　3.2.4支頂處理

　　當隧道穿過的溶洞由碎、塊石及淤泥土充填，充填物的松散密實程度不一時，隧道底部應考慮采用鋼筋混凝土底板，清除底板下松散體，回填碎石，并在底板下加設鋼筋混凝土樁進行支頂。

　　4.巖溶水處理的思考

　　4.1巖溶水的處理原則

　　對巖溶水的處理通常原則是以“排”為主，截、堵、排、防相結合的綜合處理措施，筆者認為應該是以“通”為主，截、排、堵相結合的綜合處理措施。“通”是指盡量保持原有過水通道，不能因為隧道的修建發生大的變化：“截”是指截斷原有地下水通道，改走其他通道：“堵”是封死相交的地下水通道：“排”是特指引入隧洞，通過排水溝排走：“防”是指防止地下水進入隧道即可。

　　巖溶水處理的較大工程措施有泄水洞和涵洞兩類，采用泄水洞排水屬于“排”和“截”的范圍，采用涵洞過水屬于“通”和“截”的范圍。

　　4.2泄水洞排水

　　當預測到隧道區域的巖溶水量大、水壓大，而隧道確實無法避開時，需考慮專門設置排水隧洞，達到排除巖溶水，降低地下水位，保持隧道干燥和施工安全的目的。

　　泄水洞應位于地下水來向的一側，為防止巖溶水突然襲擊，施工中要采用超前鉆孔探測，預備足夠的抽水設備。泄水洞的設置可能對生態環境有不利影響，是否采用應從施工、環保、安全等多方面進行評價，以保證方案考慮周全，成本最低。

　　4.3涵洞、倒虹管吸過水

　　隧道斷面與巖溶水相交時，為保證巖溶水暢通，在隧道底部設鋼筋混凝土圓涵，或倒虹管，同時涵洞出入口周邊至隧道邊墻外緣采用漿砌片石回填密實。

　　在采用此方案時要正確考慮涵洞過水斷面，一般應按豐水季節流量考慮。

　　5、其他要考慮的問題

　　5.1洞穴堆積物及地表塌陷處置

　　洞穴堆積物的特點是松軟、下沉量大、強度低、穩定性差。當隧道必須穿越洞穴堆積物地段時，可采用樁基、換填、注漿等加固巖體的處理措施。

　　隧道中地下水滲流排泄，導致巖溶地面塌陷，使地質環境遭到破壞，造成隧道開挖時坍方、涌水、涌砂及突泥等危害。隧道通過巖溶地段時的地面塌陷形成過程和突然發生所參與的力是相當復雜的。施工中可采用化學注漿和管棚支撐開挖，同時從地表高壓注漿，固結塌陷松散體，避免出現突泥現象。

　　5.2設計階段工程量估算

　　要準確估算隧道遭遇大型溶溝、溶槽時的工程量是困難的，不同的溶洞形態、位置有不同的方案，各方案的工程量差異很大，這些只能在工程的預備費用中考慮。

　　如果在隧道勘察階段已經明確可知隧道必然遭遇到的大型溶洞數量、類型及位置，可提前進行預設計，盡可能使工程量估算有個參考范圍，作為調整預備費用費率的參考。

　　6、結語

　　在巖溶發育地區進行隧道勘察設計時，合理確定巖溶的發展階段、圍巖級別、規劃溶洞處置方案，對控制工程量，控制投資是必不可少的。公路隧道由于開挖斷面大，溶洞影響區域大，具體的溶洞處置施工方案應該在挖開后采用確定。

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