巖溶地區(qū)隧道設(shè)計(jì)

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　　簡(jiǎn)介： 吉茶高速公路巖溶發(fā)育，如何確定巖溶區(qū)域圍巖級(jí)別及隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、巖溶處置措施是在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮的問(wèn)題，本文介紹了作者在吉茶路巖溶區(qū)域隧道勘察設(shè)計(jì)期間得出的一點(diǎn)個(gè)人觀點(diǎn)。

　　關(guān)鍵字：隧道工程 圍巖定級(jí) 對(duì)比分析 巖溶

　　0 引言

　　在石灰?guī)r地區(qū)修建高速公路時(shí)，巖溶問(wèn)題是不容忽視的。巖溶是地表水和地下水對(duì)可溶性巖層經(jīng)過(guò)化學(xué)作用和機(jī)械破壞作用而形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。此區(qū)域的隧道建設(shè)應(yīng)考慮巖溶的危害，評(píng)價(jià)其影響程度，才能決定合適的襯砌結(jié)構(gòu)形式和溶洞處理措施。

　　1巖溶區(qū)域隧道圍巖分級(jí)的思考

　　1.1隧道圍巖分級(jí)的一般思考

　　圍巖分級(jí)是將隧道圍巖穩(wěn)定性等級(jí)由好到壞分為Ⅰ~Ⅵ六級(jí)，采用定性、定量、定性與定量相結(jié)合的3種方法進(jìn)行。由于規(guī)范沒有對(duì)巖溶影響設(shè)置專門的條文，石灰?guī)r地區(qū)在確定隧道圍巖分級(jí)時(shí)，如何考慮巖溶作用受主觀認(rèn)識(shí)影響較大。

　　通常情況下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)圍巖級(jí)別、使用要求和施工條件來(lái)考慮的，通過(guò)工程類比和結(jié)構(gòu)計(jì)算綜合分析確定。不同級(jí)別的圍巖對(duì)應(yīng)的隧道初期支護(hù)參數(shù)和二次襯砌的支護(hù)參數(shù)是不同的，往往圍巖的一個(gè)級(jí)別差異對(duì)應(yīng)隧道延米工程造價(jià)的差異達(dá)萬(wàn)元以上，合理確定隧道圍巖級(jí)別是控制隧道工程投資的關(guān)鍵因素。

　　1.2巖溶地區(qū)隧道圍巖分級(jí)要考慮的因素

　　如何定性考慮巖溶對(duì)隧道圍巖級(jí)別的影響，筆者認(rèn)為先要明確巖溶的發(fā)育的階段和巖溶目前對(duì)隧道的危害程度。

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

　　1） 形成階段：只要滿足前述洞穴發(fā)育的四個(gè)基本條件，即可開始形成洞穴。在這個(gè)洞穴形成的初期階段，洞穴空間規(guī)模一般較小，多呈孔隙狀，人們無(wú)法進(jìn)入，主要表現(xiàn)為溶蝕現(xiàn)象。

　　2） 發(fā)展階段：隨著參與洞穴發(fā)育的水流流量流速的增加，洞穴空間逐漸擴(kuò)大，發(fā) 展成為人能進(jìn)入具有一定規(guī)模的通道系統(tǒng)，主要表現(xiàn)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(jìn)入包氣帶，失去了進(jìn)一步 發(fā)展的動(dòng)力條件，主要表現(xiàn)為崩塌現(xiàn)象顯著，鐘乳石類次生化學(xué)沉積大量發(fā)育，洞穴空間逐步壅塞減小。

　　巖溶對(duì)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(dāng)CO3-等可溶性物質(zhì)含量增高時(shí)，水的流通將給隧道結(jié)構(gòu)帶來(lái)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(yīng)力分布形態(tài)，影響隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

　　4）隧道中地下水流失，使隧道頂部地面巖溶塌陷，導(dǎo)致環(huán)境地質(zhì)被破壞，也是造成隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因。

　　1.3巖溶地區(qū)圍巖分級(jí)建議

　　對(duì)于主要處于形成階段的巖溶，由于其對(duì)巖石的整體穩(wěn)定性影響小，基本可以不考慮影響，主體圍巖是幾級(jí)就可劃定為幾級(jí)，但是應(yīng)在地質(zhì)文件中指出其范圍，并做適當(dāng)描述。

　　對(duì)于發(fā)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(guī)辦法確定圍巖級(jí)別，只能指出溶洞（暗河）與隧道相交長(zhǎng)度及其大小而不能分類，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的襯砌結(jié)構(gòu)是無(wú)法適用于千變?nèi)f化的溶洞形態(tài)的，但是靠近溶洞、暗河區(qū)域，在圍巖分級(jí)上應(yīng)考慮其影響在適當(dāng)長(zhǎng)度范圍調(diào)整圍巖級(jí)別。

　　對(duì)于衰亡階段的巖溶，基本原則同發(fā)展階段的巖溶，如果隧洞在洞穴堆積物中通過(guò)距離較長(zhǎng)，性質(zhì)較單一，也可定為Ⅵ級(jí)圍巖，Ⅵ級(jí)圍巖的結(jié)構(gòu)襯砌設(shè)計(jì)、施工方案只能是初步設(shè)計(jì)，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)、小范圍驗(yàn)證才可鋪開實(shí)施。

　　2 巖溶地區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考

　　2.1巖溶地區(qū)隧道一般襯砌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　巖溶地區(qū)隧道一般襯砌結(jié)構(gòu)宜應(yīng)按巖溶處于形成階段來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅，不需要調(diào)整隧道襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)，只需要進(jìn)行局部地段的小溝槽充填物清除、同時(shí)增加少量回填工程量及過(guò)水管道的設(shè)置。

　　隧道遭遇到小溶溝、小溶槽時(shí)所增加的工程數(shù)量可以在設(shè)計(jì)期間大致估算出一個(gè)基本范圍，工程量出入不會(huì)很大。

　　2.2巖溶地區(qū)隧道一般襯砌結(jié)構(gòu)要注意的問(wèn)題

　　要考慮巖溶的發(fā)展性、地下水流的腐蝕性這兩個(gè)主要因素。

　　雖然巖溶的發(fā)展變化十分緩慢，但究竟在發(fā)展，隧道設(shè)計(jì)如果不根據(jù)已有存在的溶蝕現(xiàn)象預(yù)留適當(dāng)?shù)倪^(guò)水管道，而是強(qiáng)行用襯砌阻斷水源，可能使襯砌結(jié)構(gòu)承受額外水壓，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)降低，這點(diǎn)要有充分認(rèn)識(shí)。

　　同時(shí)地下水含中CO2濃度較大，具有較強(qiáng)的腐蝕性，隧道初期支護(hù)必須考慮防腐蝕的問(wèn)題，采用防腐蝕混凝土材料，隧道防水層材料也要相應(yīng)增加檢測(cè)指標(biāo)，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(nèi)用于排除圍巖滲水的中央水管、水溝也須有防腐蝕考慮。

　　2.3隧道特殊襯砌結(jié)構(gòu)

　　有資料表明，當(dāng)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(shí)或當(dāng)溶洞節(jié)理裂隙發(fā)育，且膠結(jié)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(shí)且無(wú)明顯滲、漏水的情況下可以不處理而直接通過(guò)該溶洞。換個(gè)說(shuō)法就是此時(shí)洞內(nèi)采用路基或橋梁方案過(guò)溶洞，而不需要施作初期支護(hù)和二次襯砌，可稱為洞內(nèi)無(wú)襯砌結(jié)構(gòu)。

　　采用無(wú)襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)存在明顯滲、漏水情況時(shí)，應(yīng)考慮棚洞或明洞結(jié)構(gòu)，用以保護(hù)溶洞內(nèi)道路行車安全。

　　3巖溶地區(qū)隧道溶洞處理

　　3.1溶洞處置的主要原則

　　隧道遭遇到發(fā)展和衰亡階段的巖溶中的大型溶洞、暗河時(shí)，應(yīng)逐個(gè)溶洞逐個(gè)處理，不必要尋找標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中的通用原則為確保隧道的襯砌結(jié)構(gòu)有足夠的安全保證、在可預(yù)見期內(nèi)洞穴的穩(wěn)定性有保證、原有水流通道不會(huì)被阻斷、方案比較經(jīng)濟(jì)適用。

　　3.2溶洞處理主要方式

　　隧道過(guò)溶洞處置方式有內(nèi)增設(shè)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?qū)λ淼乐苓厧r體進(jìn)行封閉、注漿加固、支頂加固、加強(qiáng)襯砌等。

　　3.2.1溶洞跨越處理

　　當(dāng)溶洞規(guī)模較大、溶洞內(nèi)充填物松軟，基礎(chǔ)處理工程修建困難、耗資巨大，或者溶洞雖小但水流較大時(shí)，可根據(jù)具體條件采用相應(yīng)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(dāng)隧道襯砌斷面需要開挖圍巖才能滿足凈空要求時(shí)，應(yīng)先開挖圍巖，再施工跨越結(jié)構(gòu)，以確保安全，同時(shí)應(yīng)注意不同受力結(jié)構(gòu)間的斷縫設(shè)置及連接措施設(shè)置。

　　3.2.2封閉處理

　　已停止發(fā)育的干溶洞，在考慮有效的過(guò)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(dòng)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(shí)隧道襯砌應(yīng)考慮抗沖擊措施，一般是采用明洞襯砌，襯砌頂部設(shè)置回填體，其表面設(shè)置護(hù)面結(jié)構(gòu)，回填體以上空間的溶洞洞壁采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土封閉支護(hù)；若溶洞較大，可設(shè)置橫向鋼軌橫或設(shè)人字形鋼軌柵架。

　　3.2.4支頂處理

　　當(dāng)隧道穿過(guò)的溶洞由碎、塊石及淤泥土充填，充填物的松散密實(shí)程度不一時(shí)，隧道底部應(yīng)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(shè)鋼筋混凝土樁進(jìn)行支頂。

　　4.巖溶水處理的思考

　　4.1巖溶水的處理原則

　　對(duì)巖溶水的處理通常原則是以“排”為主，截、堵、排、防相結(jié)合的綜合處理措施，筆者認(rèn)為應(yīng)該是以“通”為主，截、排、堵相結(jié)合的綜合處理措施?！巴ā笔侵副M量保持原有過(guò)水通道，不能因?yàn)樗淼赖男藿òl(fā)生大的變化：“截”是指截?cái)嘣械叵滤ǖ?，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(guò)排水溝排走：“防”是指防止地下水進(jìn)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(guò)水屬于“通”和“截”的范圍。

　　4.2泄水洞排水

　　當(dāng)預(yù)測(cè)到隧道區(qū)域的巖溶水量大、水壓大，而隧道確實(shí)無(wú)法避開時(shí)，需考慮專門設(shè)置排水隧洞，達(dá)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(yīng)位于地下水來(lái)向的一側(cè)，為防止巖溶水突然襲擊，施工中要采用超前鉆孔探測(cè)，預(yù)備足夠的抽水設(shè)備。泄水洞的設(shè)置可能對(duì)生態(tài)環(huán)境有不利影響，是否采用應(yīng)從施工、環(huán)保、安全等多方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，以保證方案考慮周全，成本最低。

　　4.3涵洞、倒虹管吸過(guò)水

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

　　在采用此方案時(shí)要正確考慮涵洞過(guò)水?dāng)嗝?，一般?yīng)按豐水季節(jié)流量考慮。

　　5其他要考慮的問(wèn)題

　　5.1洞穴堆積物及地表塌陷處置

　　洞穴堆積物的特點(diǎn)是松軟、下沉量大、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差。當(dāng)隧道必須穿越洞穴堆積物地段時(shí)，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(dǎo)致巖溶地面塌陷，使地質(zhì)環(huán)境遭到破壞，造成隧道開挖時(shí)坍方、涌水、涌砂及突泥等危害。隧道通過(guò)巖溶地段時(shí)的地面塌陷形成過(guò)程和突然發(fā)生所參與的力是相當(dāng)復(fù)雜的。施工中可采用化學(xué)注漿和管棚支撐開挖，同時(shí)從地表高壓注漿，固結(jié)塌陷松散體，避免出現(xiàn)突泥現(xiàn)象。

　　5.2設(shè)計(jì)階段工程量估算

　　要準(zhǔn)確估算隧道遭遇大型溶溝、溶槽時(shí)的工程量是困難的，不同的溶洞形態(tài)、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(yù)備費(fèi)用中考慮。

　　如果在隧道勘察階段已經(jīng)明確可知隧道必然遭遇到的大型溶洞數(shù)量、類型及位置，可提前進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，盡可能使工程量估算有個(gè)參考范圍，作為調(diào)整預(yù)備費(fèi)用費(fèi)率的參考。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　在巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行隧道勘察設(shè)計(jì)時(shí)，合理確定巖溶的發(fā)展階段、圍巖級(jí)別、規(guī)劃溶洞處置方案，對(duì)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(qū)域大，具體的溶洞處置施工方案應(yīng)該在挖開后采用確定。