谈岩溶地区隧道设计

摘要: 公路隧道常通过岩溶地区, 在岩溶地区修建的隧道越来越多，尤其是在山区， 诸多长大复杂岩溶隧道正在修建或即将修建。由于岩溶的复杂性、发育的不规律性，在岩溶地区修建隧道风险高。 如何确定岩溶区域围岩级别及隧道衬砌结构设计、岩溶处置措施是在设计阶段应该考虑的问题, 本文根据作者对岩溶区隧道设计实践总结了一些个人观点。

关键词:岩溶区域隧道设计

中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号：

岩溶地区隧道工程的选线应尽量避开岩溶水的径流带及深部缓流带；针对岩溶危害，在隧道结构设计时应结合安全评价，采取适宜的加强措施。在石灰岩地区修建隧道, 岩溶问题是不容忽视的。岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。此区域的隧道建设应考虑岩溶的危害,评价其影响程度, 才能决定合适的衬砌结构形式和溶洞处理措施。

1 岩溶区域隧道围岩的分级

1. 1 岩溶地区隧道围岩分级应考虑因素

如何定性考虑岩溶对隧道围岩级别的影响, 笔者认为先要明确岩溶的发育阶段和岩溶目前对隧道的危害程度。

岩溶的发育演化一般可划分为三个阶段:

形成阶段: 主要表现为溶蚀现象。

发展阶段: 主要表现为溶洞和地下暗河。

衰亡阶段: 主要表现为崩塌、钟乳石类次生化学沉积大量发育、洞穴空间逐步壅塞减小。

岩溶对隧道的危害主要分为四种类型:

洞穴的存在使隧道全部或部分悬空, 将极大地降低隧道的安全性;岩溶水中可溶性物质含量增高, 水的流通将给隧道结构带来侵蚀, 影响隧道的使用寿命;洞穴堆积物因松软易坍塌下沉, 改变洞穴周边的应力分布形态, 影响隧道的结构稳定;!隧道中地下水流失, 使隧道顶部地面岩溶塌陷, 也是造成隧道结构不稳定的原因。

1. 2 岩溶地区围岩分级建议

对于处于形成阶段的岩溶, 由于其对岩石整体稳定性影响小, 基本可以不考虑其影响, 可根据主体围岩等级直接划定, 但应在地质文件中指出其范围,并做适当描述。对于发展阶段的岩溶, 如果隧道与其大型地下洞室( 暗河) 相交, 只能指出溶洞(暗河) 与隧道相交长度及其大小而不能分级, 但是靠近溶洞、暗河区域, 在围岩分级上应考虑其影响在适当长度范围调整围岩级别。对于衰亡阶段的岩溶, 基本原则同发展阶段的岩溶, 如果隧洞在洞穴堆积物中通过距离较长, 性质较单一, 也可定为Ⅵ级围岩, Ⅵ级围岩的结构衬砌设计、施工方案只能是初步设计, 应通过实验、小范围验证才可铺开实施。

2 岩溶地区隧道衬砌结构设计思考

2. 1 岩溶地区隧道一般衬砌结构要注意的问题要考虑岩溶的发展性、地下水流的腐蚀性这两个主要因素。虽然岩溶的发展变化十分缓慢, 但究竟在发展,隧道设计如果不根据已有存在的溶蚀现象预留适当的过水管道, 而是强行用衬砌阻断水源, 可能使衬砌结构承受额外水压, 导致结构的安全系数降低。同时地下水中CO₂浓度较大, 具有较强的腐蚀性, 隧道初期支护必须考虑防腐蚀问题, 采用防腐蚀砼材料, 防水层材料也要相应增加检测指标, 保证在CO₂饱和浓度下的耐久性。隧道的二次衬砌可不采用防腐蚀砼, 但是洞内用于排除围岩渗水的中央水管、水沟也须有防腐蚀考虑。

2. 2 隧道特殊衬砌结构

有资料表明, 当溶洞不具有坍塌条件的完整顶板, 其厚度≥洞跨度的1/2 时或当溶洞节理裂隙发育, 且胶结不良, 具有坍塌条件的不完整顶板, 其厚度≥5 倍洞高时且无明显渗、漏水的情况下可以不处理而直接通过该溶洞。即洞内采用路基或桥梁方案过溶洞, 而不作初期支护和二次衬砌, 可称为洞内无衬砌结构。采用无衬砌结构时, 发现洞内存在明显渗、漏水情况时, 应考虑棚洞或明洞结构, 用以保护溶洞内道路行车安全。

3 岩溶地区隧道溶洞处理

3. 1 溶洞处置的主要原则

隧道遭遇到发展和衰亡阶段的岩溶中的大型溶洞、暗河时, 应对溶洞逐个处理, 不必寻找标准的设计。设计的通用原则是: 隧道的衬砌结构有足够安全性、保证在可预见期内洞穴的稳定性、原有水流通道不被阻断、方案较为经济适用。

3. 2 溶洞处理主要方式

隧道过溶洞处置方式有内增设边墙梁、行车梁、支墩、承托纵梁、拱桥、加大隧道净空宽度跨度、跨越岩溶或对隧道周边岩体进行封闭、加固、加强衬砌等。

3. 2. 1 溶洞跨越处理

当溶洞规模较大、溶洞内充填物松软, 基础处理工程修建困难、耗资巨大, 或者溶洞虽小但水流较大时, 可根据具体条件采用相应的梁跨、板跨等形式跨越岩溶地段。此方式一般采用钢筋混凝土梁跨越, 梁体采用抗侵蚀砼。当隧道衬砌断面需要开挖围岩才能满足净空要求时, 应先开挖围岩, 再施工跨越结构, 以确保安全, 同时应注意不同受力结构间的断缝设置及连接措施设置。

3. 2. 2 封闭处理

已停止发育的干溶洞, 在考虑有效的过水通道后, 可采用砼、浆砌片石或干砌片石堵塞、充填溶洞。

3. 2. 3 锚杆、钢管加固处理

为防止洞穴岩壁或顶板坍塌, 在清除松动岩石困难的情况下, 可采用锚杆或大钢管、钢轨加固岩体。此时隧道衬砌应考虑抗冲击措施, 一般采用明洞衬砌, 衬砌顶部设置回填体, 其表面设置护面结构,回填体以上空间的溶洞洞壁采用锚杆、钢筋网、喷射砼封闭支护; 若溶洞较大, 可设置横向钢轨或设人字形钢轨栅架。

3. 2. 4 支顶处理

当隧道穿过的溶洞由碎、块石及淤泥土充填, 充填物的松散密实程度不一时, 隧道底部应考虑采用钢筋混凝土底板, 清除底板下松散体, 回填碎石, 并在底板下加设钢筋混凝土桩进行支顶。

4 岩溶水处理的思考

4. 1 岩溶水的处理原则

对岩溶水的处理通常原则是以“排”为主, 截、堵、排、防相结合的综合处理措施, 笔者认为应该是以“通”为主, 截、排、堵相结合的综合处理措施。“通”是指尽量保持原有过水通道, 不能因为隧道的修建发生大的变化; “截”是指截断原有地下水通道,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, 通过排水沟排走; “防”是指防止地下水进入隧道。岩溶水处理的工程措施有泄水洞和涵洞两类,采用泄水洞排水属于“排”和“截”的范围, 采用涵洞过水属于“通”和“截”的范围。

4. 2 泄水洞排水

当预测到隧道区域的岩溶水量大、水压大, 而隧道确实无法避开时, 需考虑专门设置排水隧洞, 达到排除岩溶水, 降低地下水位, 保持隧道干燥和施工安全的目的。泄水洞应位于地下水来向一侧, 为防止岩溶水突然袭击, 施工中要采用超前钻孔探测, 预备足够的抽水设备。泄水洞的设置可能对生态环境有不利影响, 应从施工、环保、安全等多方面进行评价, 以保证方案考虑周全, 成本最低。

4. 3 涵洞、倒虹管吸过水

隧道断面与岩溶水相交时, 为保证岩溶水畅通,在隧道底部设钢筋混凝土圆涵, 或倒虹管, 同时涵洞出入口周边至隧道边墙外缘采用浆砌片石回填密实。在采用此方案时要正确考虑涵洞过水断面, 一般应按丰水季节流量考虑。

5 其他要考虑的问题

5. 1 洞穴堆积物及地表塌陷处置当隧道必须穿越洞穴堆积物地段时, 可采用桩基、换填、注浆等加固岩体的处理措施。隧道中地下水渗流排泄, 导致岩溶地面塌陷, 造成隧道开挖时坍方、涌水、涌砂及突泥等危害。隧道通过该地段形成过程和突然发生所参与的力是相当复杂的。施工中可采用化学注浆和管棚支撑开挖, 同时从地表高压注浆, 固结塌陷松散体, 避免出现突泥现象。

5. 2 设计阶段工程量估算

要准确估算隧道遭遇大型溶沟、溶槽时的工程量是困难的, 不同的溶洞形态有不同的方案, 各方案的工程量差异很大, 一般在工程的预备费用中考虑。如果在隧道勘察阶段已经明确隧道必遭遇到的溶洞数量、类型及位置, 可进行预设计, 尽可能提供工程量估算范围, 以作调整预备费用费率的参考。

6 结语

在岩溶发育地区进行隧道勘察设计时, 合理确定岩溶的发展阶段、围岩级别、规划溶洞处置方案, 对控制工程量, 控制投资是必不可少的。