王閱章 李鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

摘? 要：巖溶隧址區(qū)一般地下水及地面補給水量豐富，在隧道周圍常常有落水洞，地下漏斗;地下暗河發(fā)育。因此，當隧道在下方穿過時一方面造成了施工難度加大，另一方面因排水造成地質(zhì)環(huán)境遭到破壞，例如地下水位降低，植被枯死，地裂縫開展，地面塌陷等。本文總結(jié)了基于地質(zhì)環(huán)境保護的隧道研究的成果，從巖溶發(fā)育的條件，巖溶隧道的特點，地面塌陷，地下水，植被等方面進行了總結(jié)。針對現(xiàn)有研究的不足提出了未來研究的內(nèi)容和方向。

關鍵詞：巖溶? 隧道? 地面塌陷? 地下水? 植被保護

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0012-03

Research Progress of Karst Tunnel Construction Technology Based on Geological Environment Protection

WANG Yuezhang? LI Ming? SU Chengzhi? ZHANG Lishuang? YAN Shaoze

（Zhongjiao Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Beijing， 101121 China）

Abstract： Karst tunnel site area generally has abundant groundwater and surface recharge water， and there are often falling-water holes and underground funnels around the tunnel. Underground river development. Therefore， when the tunnel passes under， on the one hand， the construction is more difficult， and on the other hand， the geological environment is damaged due to drainage， such as the reduction of underground water level， the death of vegetation， the development of ground cracks， ground collapse and so on. This paper summarizes the research results of tunnel based on geological environment protection， and summarizes the conditions of karst development， characteristics of karst tunnel， ground collapse， groundwater， vegetation and other aspects. The content and direction of future research are proposed in view of the deficiency of existing research.

Key Words： Karst; Tunnel; Surface collapse; Groundwater; Vegetation protection

隨著西部大開發(fā)的實施，我國交通網(wǎng)絡建設重點朝著西部轉(zhuǎn)移。我國的公路隧道，鐵路隧道長度已經(jīng)是世界上總長度最多的國家，已經(jīng)是名副其實的隧道大國[1]。有數(shù)據(jù)表明，到2017年底，我國公路隧道總里程達到15285km，鐵路隧道達到15326km[2]。隧道由于自身的受力以及位置特點，決定了其從設計，施工，運營都處于一個復雜的條件之中。尤其在西南地區(qū)，地質(zhì)條件尤為復雜，山體較高，巖層傾角大，地下水發(fā)育，有可溶性的碳酸鹽，經(jīng)過長期的沖刷，沉積，在山體中形成了較多的溶洞和落水洞。根據(jù)社會的發(fā)展需要，目前隧道都是雙洞開挖，因此開挖面積較大。在隧道開挖過程中，在有巖溶及落水洞的地區(qū)，很容易發(fā)生突水突泥，巖溶疏干，地面塌陷，地下水位下降以及植被枯死，對地質(zhì)環(huán)境及生態(tài)環(huán)境造成極大的影響。然而目前對巖溶區(qū)針對地面塌陷，地裂縫以及地下水位的控制的規(guī)律和機制方面缺乏系統(tǒng)的研究[3]。近年來，國家高度重視環(huán)境保護這一塊。黨中央領導人在眾多公開場合提出綠水青山就是金山銀山的理念。因此，針對國內(nèi)外已有對巖溶隧道的地面塌陷機制，地裂縫形成，以及地下水位控制的研究成果進行梳理是有必要的，并指出未來對于這些問題有待深化研究內(nèi)容。

1? 巖溶發(fā)育的條件及巖溶隧道的特點

巖溶發(fā)育通常要滿足3個基本條件：（1）可溶巖;（2）可溶巖必須透水;（3）有地下水流動且具有侵蝕性。當滿足上述3個條件之后，在經(jīng)歷幾萬年甚至幾百萬年，通過地下水的不斷流動和侵蝕，沉積，就會形成溶洞，落水洞，石柱，石鐘乳等[4]。巖溶發(fā)育的程度還受氣候的影響;地形地貌的影響;地質(zhì)構(gòu)造的影響。氣候主要通過降雨量的多少影響巖溶發(fā)育，地形地貌主要通過水作用不同位置進而影響巖溶的發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造主要通過影響巖層的產(chǎn)狀及裂隙來改變地下水侵蝕的方向。

當隧址區(qū)位于巖溶地區(qū)時主要有以下幾個特點：首先是巖溶的不同位置會對隧道開挖力學響應不同，其次，巖溶隧址區(qū)一般都為富水地區(qū)，一旦開挖到落水洞及暗河一方面危及隧道作業(yè)人員安全，另一方面造成巖溶疏干和暗河枯竭，進一步造成巖溶塌陷或地表塌陷，地裂縫以及地下水位降低，植被枯死等后果。

2? 地面塌陷

地面塌陷是巖溶地區(qū)隧道開挖過程中常見的一種地質(zhì)破壞現(xiàn)象。在隧道施工排水過程中會引發(fā)上覆松散地層內(nèi)有效應力增加，或者排水過程中原本靜水壓力變成了動水壓力或者導致動水壓力的增加，帶走了部分松散物質(zhì)，掏空土體。另一個原因是土層填充了之前的巖溶漏斗，當巖溶疏干之后土層底部失去地下水給的浮力，最后導致了地面塌陷。

有許多文獻表明：地下水位的降低和疏干是造成隧道上覆土層塌陷的主要原因。從地面塌陷的過程來說主要分為以下3個階段[3]。第一階段：巖溶漏斗在長期的沉積作用下被粘土等物質(zhì)充填，地下水位在巖溶漏斗中部且保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可溶性巖層在水流長期作用下形成了巖溶管道，巖溶漏斗中的粘土受到巖溶水的浮力和土體周圍與巖石的摩擦力作用，在水提供的浮力和摩擦力的作用下土體保持基本穩(wěn)定的狀態(tài)。第二階段：隧道開挖到達巖溶富水區(qū)的時候，破壞了原來的水平衡，使得地下水位在短時間里降低，在地下水運動的過程中對土層以及巖溶管道中的土體進行潛蝕和運移，然后形成一個一個的小土洞，地表的土體逐漸出現(xiàn)裂縫和沉降的跡象。此外，隧道施工過程中的震動會加劇土洞的發(fā)展和降低巖溶漏洞中土體的力學參數(shù)。第三階段：在不斷的震動和排水過程中，土洞進一步發(fā)育變大，頂板土層逐漸變薄，當爆破震動以及真空負壓條件下致塌力大于抗塌力就會造成地面塌陷。

根據(jù)不完全統(tǒng)計，我國西部巖溶地區(qū)已建成的鐵路長隧道之中，在隧道施工的過程中地表幾乎都造成了地面塌陷和突水突泥，大大增加了隧道施工的工期，有地表塌陷的巖溶隧道占總數(shù)的40%[5]。地面塌陷除了受隧道排水和震動的影響，還與大氣降水量有關，降雨使地面變得疏松，增加了土體的自重，力學性質(zhì)降低，以及動水壓力的影響，使得致塌力大于抗塌力。有文獻研究隧道地面塌陷與季節(jié)有關，雨季地面發(fā)生的概率較大。文獻[6]研究了降雨工況和巖溶滲漏兩種工況下共同作用下的巖溶塌陷的穩(wěn)定性分析，認為隨著降雨量的增加，上覆土體的穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，20h濕潤鋒深度最深為70cm，且在真空負壓大于30kPa時，土體發(fā)生塌陷。文獻[7]通過有限元軟件對尺寸不同的巖溶洞穴進行了數(shù)值模擬，并研究分析了上覆巖土層的穩(wěn)定性分析方法，分析了覆蓋型巖溶塌陷的演化機制，并基于極限平衡理論計算了土體的穩(wěn)定系數(shù)和塌陷范圍，以具體的工程實例為背景，基于流體力學和滲流力學理論，建立了針對巖溶區(qū)的滲流模型，對巖溶周圍巖層及土體穩(wěn)定進行了評價。

從以上的研究可以看出大部分集中定性研究了巖溶塌陷的原因和影響因素，缺乏對地面塌陷穩(wěn)定性分析的定量研究，并且要考慮地形，降雨，爆破振動以及實際巖溶漏斗的形狀，盡量符合實際情況，計算出來的穩(wěn)定系數(shù)精度才更高，且與實際情況更吻合。

3? 地下水及植被

對于巖溶地區(qū)有這樣一句俗語：土在樓上，水在樓下的說法，生動形象的描述出巖溶地區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)特性，這種結(jié)構(gòu)就決定了其保水能力較差，土層覆蓋不均勻，植被覆蓋率較低，地下水及生態(tài)系統(tǒng)極易遭受破壞，對地下水的變化尤為敏感。

對于巖溶地區(qū)的隧道，施工時必須采取以堵為主，以排為輔的指導思想來保護巖溶地區(qū)的地下水。當然，在勘察設計的階段我們就應當探清巖溶的位置，巖溶漏斗，地下暗河，以及地下水位，在物探難以探明的情況下，應當結(jié)合數(shù)學物理的方法來進行預測，盡量避免隧道通過巖溶漏斗的下方或者在地下暗河的下方。有文獻研究了巖溶隧道施工過程中對地下水環(huán)境的影響，采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，研究了隧道在不同的埋深，不同的排水量對地下水位及滲流的影響。結(jié)果表明隧道的排水量與隧道的所處的高程承反比。巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件相對比較復雜，施工中以排為主的思想已不適用于現(xiàn)在我們所提倡的環(huán)境保護的要求，而若只堵不排又會造成隧道襯砌水壓力過大，如何既保證地下水位不至于過低，又保證襯砌的壓力不至于過大是目前巖溶隧道設計的關鍵。有文獻利用數(shù)值模擬的方法研究了巖溶隧道防排水的相關問題，提出了堵水限排型隧道應采用“以堵為主，限量排放”的防排水原則，通過圍巖注漿進行堵水，増強結(jié)構(gòu)材料的自防水，建立分區(qū)排水，在防水板后布設防水系統(tǒng)，應用理論解析與數(shù)值仿真模擬研究了高水壓富水區(qū)隧道工程的地下水處理方案，得出了地下水位線高度超過60m的隧道不適合采取全封堵型襯徹，在隧道結(jié)構(gòu)體系中必需布設完整的封水系統(tǒng)。通過現(xiàn)場模型試驗和數(shù)值模擬研究了關于地下水處理的相關問題，提出地下水壓力分級建議標準，以及新的防排水原則，即在充分考慮隧址區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)等條件下，針對不同隧道工程概況提出了地下水合適的處治方法。有學者應用理論推導和數(shù)值模擬研究了隧道的防排水系統(tǒng)，提出遵照“堵為主，限量排放”的防排水原則，采用合適的堵水措施，設置多道防水線將圍巖滲漏水封堵在襯徹外;用數(shù)值仿真模擬，研究了幾種防排水方式下襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)水壓力與襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應的關系，得出隧道采用全排水不封堵的防排水型式可以很大幅度的降低襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應。

植被對地下水的變化尤為敏感，當?shù)叵滤^低時，植被將會在短時間內(nèi)就會脫水，枯死。有學者研究了基于生態(tài)需水的隧道地下水限排的措施，以實際工程為背景，基于達西定律，地下水動力學和地下水裂隙巖體滲流的基本理論，推出了隧道開挖涌水量與襯砌背后水壓力的計算公式，確定了地下水位和排水量的計算方法，得到了最佳的地下水位，達到保護環(huán)境的要求。

4? 結(jié)語

綜上，巖溶隧道施工過程中對隧道地面塌陷;地下水和植被都有較大的影響。目前針對上述問題的研究取得了一定的成果，但大部分研究停留在定性的分析上，以及對計算模型進行了簡化，在開挖和運營過程中排水還沒有達到精細化，智能化，以及對植被在排水過程中的生理改變和化學特征方面還存在不足。因此，在今后的研究中要根據(jù)實際情況對塌陷體進行穩(wěn)定行計算，例如壇狀、井狀、漏斗狀應有不同的計算公式，以及考慮地震，動水壓力，溫度等復雜條件下覆蓋層的穩(wěn)定性。在地下水方面，應著重研究智能排水與植被需水的最低水位線以及襯砌的最大水壓力，考慮三者的動態(tài)平衡，既保證水壓力不過大，又能保證植被生態(tài)需水位。

參考文獻

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