谈隧道富水溶洞处治技术
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摘要：隧道建设过程中，富水溶洞地质结构是一种比较常见的地质灾害，常见于西南地区隧道的施工建设中，隧道底板横截面在浇筑过程如果出现尺寸较大的溶洞，对于工程的破坏性是极大的，甚至会导致隧道的坍塌。鉴于不同条件地质构造的溶洞系统，隧道底板工程建设应准确分析出溶洞结构，并建立施工模型，对于特殊连接体可以借助弹性桥梁，钢化板连接，在此基础上保证底板浇筑厚度大于最小安全厚度，为溶洞隧道的安全施工提供理论依据。
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
本文以宜万铁路客运专线作为背景，结合施工过程中遇到的特殊溶洞性地质状况，并结合水文状况进行充分分析，阐述富水溶洞隧道底板浇筑的施工方案，探析溶洞隧道中岩体不稳定，以及流水侵蚀作用下对于隧道的底板保护工作。
一、富水溶洞地质灾害给隧道建设工程带来的危害
富水溶洞系统常见于西南地区，是一种隧道建设以及公路建设过程中比较常见的地质灾害之一，就目前国际山体隧道施工部门所掌握的资料而言，由于富水溶洞造成的地表侵蚀以及岩体松动等问题，已经给隧道施工以及矿山开采造成了不可估量的损失。就我国西南地区铁路及公路隧道施工而言，所有贯通线路中就有溶洞特征山体60万平方公里。因此，富水溶洞的隧道底板建筑技术一直都是国内甚至世界都难以攻克的课题。由于地域特征的特殊性，富水溶洞给隧洞施工带来了严重的威胁，我国西南地区目前已经建成的隧道中，几乎有一半以上都发生过富水溶洞地质灾害，所有隧道基本都不同程度地遭受过溶洞坍塌、加压造成的破坏，如已经建成的宜昌至重庆万州客运专线，通过大巴山脉的过程中，就有多处地点不同程度发生过由于溶洞腐蚀情况导致的隧道底板浇筑不稳等风险。
根据我国地质部门的相关统计，溶洞地貌在西南地区隧道施工中遇到的几率高达61%，其中水平轴线溶洞达到53%，其中又有36%的溶洞体接近垂直体特征，对于垂直体溶洞，由于受地势和引力的影响，水流的冲击效果表现得更加显著，且岩体出现水溶性特征已经能够分布于地表，目前施工部门的解决方法大多是通过提前勘测来规避与富水溶洞岩体的直接接触，这一方法也有效地防止了溶洞对于隧道工程的破坏，对于近地表的水平溶洞，溶洞尺寸比较大，横截面波及范围广，如果隧道施工路径与溶洞地表横截面有所接触，会导致地表结构不稳定，隧道顶部和底部受流水腐蚀严重，隧道内部岩体受到巨大压强的冲击而引起的隧道变形等，对工程建设产生巨大危害。
二、富水溶洞地区隧道浇筑工程防治措施
隧道的施工从勘测到开工的过程中，应该重点留意附近的岩体与水文特征，及时获取隧道通过的岩层状态是否处于稳定，隧道在施工过程中产生的振动、地质改造是否会对已有的岩层造成破坏。
根据隧道开工之前对于水文情况收集的数据报告进行分析，结合现有的地质勘测资料，我们可以对常见的溶洞结构建立一个模型：
图1 富水溶洞地质水文示意图
如图所示，岩层中水流属于高压强形态，对于岩层造成的冲击力也比较大。为保证施工安全，保持该地段岩体结构的稳定性，可以采取截断水流的方法，在施工范围内建立加固体系，增加岩层的抗变形能力，并且采用填充岩体缝隙的方法，将水流与岩体进行强行隔离，另外在隧道底部开挖排水轮郭线，并建立隧道主体超前刚性支撑体系，保证隧道岩体支撑的稳定性。其中排水轮郭线可以对岩体内部的水流进行减压处理，被排出的水一定要及时通过引流渠道远离隧道主体，减少水流产生的压强对于周围岩层造成的刚性冲击。施工过程中应采用全断面超前预注浆封堵水利通道，并在浆体附近建立刚性防护体系，以加强隧道抗压能力，降低内外压强不均对隧道造成的挤压变形。
图2 溶洞内部挤压分担实验
三、隧道富水溶洞岩层加固处理
隧道在施工过程中由于内部结构的变化和受力影响，对于隧道顶部，底板的结构会有一定的破坏，可能造成隧道坍塌事故的发生，因此，隧道施工的过程中还要特别注意富水岩层对于隧道山体的影响。
隧道施工过程中，隧道自身岩层与隔水带的厚度会减小，如果开挖力度过大会导致支持层出现裂痕，顶部岩层由于受重力的影响和隔水层水压的挤压作用容易出现岩体下垂的情况，同时溶洞外侧岩体也会由于内部结构的位移而可能出现断裂或是膨胀挤压。此时，施工方应当注意降低岩层受压强度，防止岩层压力过大而出现的断裂甚至坍塌。
富水溶洞周边可能出现的富水饱和现象，隧道施工的过程中势必会改变岩层下的水文条件，由于隧道处于中空形态，也很容易导致溶洞周围岩体向内部弯折的现象，再加上溶洞内碳酸气体的大量存在，随流的腐蚀性作用明显增强，原本坚固的岩石隔水层可能因为水流的腐蚀和压力出现破裂，使隧道结构支持能力降低。施工方应当注对隧道内的气体进行适当的稀释和通风，岩层隔水带应该使用混凝土进行加固，必要情况下可以使用钢体隧道支架对周围岩体进行扩张和托举。
四、富水溶洞隧道施工的相关问题探究
富水溶洞隧道的建设一直是处理岩层与流水稳定性的工程，而溶洞的富水状态也一直是威胁隧道施工的主要安全问题之一。由于隧道施工对于山体内部构造的改造，致使岩层受力状态出现改变，如何解决好这一问题，也是隧道底板岩层稳固的先决条件。在此基础上，隧道溶洞的支撑也可以使用特殊的人工工程梁来实现，工程梁可以保证支撑的受力区间有一个设定的弹性范围，这个范围可以是岩体抗压能力的标准重量，也可以是隧道底板厚度抗压区间的安全系数，对于隧道的开挖或者爆破产生的影响，工程梁的弹性区间可以做一个很好的缓冲，对岩体强度的弱化也能够也能起到一定的补充作用。
图3岩体固定受力挤压长常数
本文针对富水溶洞在隧道建设工程造成的影响进行分析，根据影响隧道稳定性的不同条件进行逐一阐明，通过对相关信息的采集，分别对水文条件影响以及岩体结构影响进行力学模型分析，根据隧道底板厚度和工程受力最小系数来提供隧道施工安全的理论依据。由于受力系数与底板厚度的恒量差需要精确计算，本文的研究还需进一步改善。
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