張棟

（中國(guó)鐵建昆侖投資集團(tuán)有限公司劍黎高速公路工程施工總承包指揮部，貴陽(yáng) 550025）

1 引言

近年來(lái)，隨著隧道等地下工程的快速發(fā)展，許多大、長(zhǎng)、深隧道以及海底隧道已經(jīng)建成并投入使用。在施工過(guò)程中，出現(xiàn)了許多復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境，施工的難度也越來(lái)越大。根據(jù)有關(guān)資料的統(tǒng)計(jì)，在所有區(qū)域的地質(zhì)隧道中，巖溶區(qū)隧道在建設(shè)過(guò)程中發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害的頻率最高。就我國(guó)而言，1980 年以后建設(shè)的隧道總量中巖溶隧道占了約40%，其中65%的巖溶隧道在西南地區(qū)[1]。由此可以看出，對(duì)巖溶區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的研究在隧道工程發(fā)展史上起著至關(guān)重要的作用。深化對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，便可對(duì)施工過(guò)程中隨時(shí)可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害做出有效的防范，亦可通過(guò)巖溶隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)提出有針對(duì)性的施工方案，使巖溶區(qū)隧道安全建設(shè)體系逐步完善。

2 巖溶區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)

2.1 研究對(duì)象的界定

巖溶（又稱喀斯特Karst）指的是可溶性巖層，如碳酸鹽類巖層（石灰?guī)r、白云巖）、硫酸鹽類巖層（石膏）和鹵素類巖層（巖鹽）等在水的作用下會(huì)產(chǎn)生溝槽或裂隙，以及由于空洞頂板的塌陷使地表產(chǎn)生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱[2-7]。本文所提及巖溶是指在隧道施工過(guò)程中處于隧道開(kāi)挖范圍內(nèi)或影響隧道圍巖穩(wěn)定性的巖溶溶洞。通常我們將處于巖溶區(qū)的隧道稱為巖溶隧道。

2.2 隧道巖溶的危害

施工的被動(dòng)性是隧道工程有別于其他土建工程的主要特征，而巖溶地質(zhì)的存在又使隧道施工的被動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提升。目前為止，許多國(guó)家都在巖溶段隧道施工中遭受了巨大經(jīng)濟(jì)損失。以美國(guó)為例，至少有20 個(gè)州都受到該問(wèn)題的困擾，相比之下，東部各州的巖溶破壞最為嚴(yán)峻。此外，南非地區(qū)每年因巖溶區(qū)隧道建設(shè)事故所造成的傷亡人數(shù)多達(dá)幾十人，生命和財(cái)產(chǎn)損失慘重[8]。

我國(guó)地域廣闊，地形復(fù)雜，山地占全國(guó)70%以上。我國(guó)的碳酸鹽巖溶出露面積大約為1/10，是世界上巖溶地質(zhì)分布最廣的國(guó)家，且主要分布在云、桂、貴等西南部地區(qū)[9]。在以上地區(qū)進(jìn)行大斷面隧道工程建設(shè)時(shí)常常會(huì)遇見(jiàn)石灰?guī)r巖溶地質(zhì)，使在該區(qū)進(jìn)行的水利、公路、鐵路等隧道工程的施工和運(yùn)營(yíng)困難程度加劇。就西南隧道而言，全線因穿越巖溶密集區(qū)，在修建過(guò)程中需處置大小溶洞80 余處，而且全線多次由于巖溶問(wèn)題處置不合理發(fā)生冒頂和隧道底板塌陷事故，隧道主體結(jié)構(gòu)的破壞和隧道修建工期的滯后，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[10]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)具有豐富水電資源的喀斯特地區(qū)進(jìn)行水電建設(shè)的需求日益增長(zhǎng)，如已建的魯布革、東風(fēng)、貓?zhí)?、隔河巖、龍灘、天生橋、巖灘、烏江渡等水電工程，都是在巖溶較為發(fā)育的地區(qū)進(jìn)行了不同程度的隧洞建設(shè)。目前我國(guó)的隧道建設(shè)項(xiàng)目較以前任何一段時(shí)間相比其復(fù)雜性、長(zhǎng)度、數(shù)量都是無(wú)可比擬的。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，道路（公路、鐵路）等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將會(huì)迎來(lái)更迅速的發(fā)展時(shí)期，在地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)修建隧道也將面臨更大的挑戰(zhàn)，同時(shí)為我們對(duì)隧道建設(shè)技術(shù)的研究和發(fā)展提供了更好的平臺(tái)。

溶洞的存在造成了隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布不均，終而導(dǎo)致隧道襯砌出現(xiàn)變形甚至失穩(wěn)。除此以外還會(huì)導(dǎo)致隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生冒頂和或底板塌陷等突發(fā)事件；另一方面，豐富的水資源是發(fā)育性巖溶最主要的元素，這也就導(dǎo)致了隧道在修建過(guò)程中出現(xiàn)處置不當(dāng)而引發(fā)的隧道涌水、突泥等地質(zhì)事故，嚴(yán)重影響了隧道的正常施工以及人員、設(shè)備的安全。這些突發(fā)性事件的出現(xiàn)，主要是因?yàn)槟壳皩?duì)溶洞在隧道施工前后的影響特性研究不夠深入，從而導(dǎo)致巖溶段隧道設(shè)計(jì)和施工皆無(wú)針對(duì)性。此外，巖溶區(qū)的隧道施工至今還沒(méi)有任何規(guī)范的文件。所以，借鑒同類工程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)巖溶區(qū)隧道的施工特征進(jìn)行深入的分析，把握其規(guī)律，是保證巖溶區(qū)隧道施工安全的關(guān)鍵；在此基礎(chǔ)上，強(qiáng)化和規(guī)范巖溶區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的使用，對(duì)預(yù)報(bào)的不良地質(zhì)段提前制訂施工方案和預(yù)防措施，避免突發(fā)性事件發(fā)生。從而逐步建立巖溶區(qū)防治體系，提高巖溶段施工效率和施工質(zhì)量。

了解巖溶區(qū)隧道建設(shè)過(guò)程的潛在風(fēng)險(xiǎn)，深入研究溶洞和隧道在施工前后的相互影響規(guī)律和二者變形特點(diǎn)是巖溶段進(jìn)行有效支護(hù)的關(guān)鍵。對(duì)巖溶區(qū)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)因素的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，才能進(jìn)一步掌握其規(guī)律性，提出合理的建設(shè)方案及防治措施，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工。深入研究溶洞存在對(duì)隧道圍巖和支護(hù)的相互作用規(guī)律，對(duì)完善隧道建設(shè)資料和健全巖溶區(qū)隧道處置方案和推動(dòng)隧道工程向著更規(guī)范、更高效的方向發(fā)展具有一定促進(jìn)作用。

3 巖溶區(qū)隧道建設(shè)中存在的工程問(wèn)題

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，未來(lái)會(huì)有更多的隧道工程需要穿越地質(zhì)條件更復(fù)雜的巖溶地區(qū)。但現(xiàn)階段巖溶段隧道施工還存在較大的盲目性，與非巖溶區(qū)隧道相比，巖溶段隧道支護(hù)措施和處置方案并無(wú)針對(duì)性和特殊性，這就使得隧道施工進(jìn)度和質(zhì)量在巖溶區(qū)難以保證。本節(jié)將對(duì)巖溶地區(qū)存在的工程問(wèn)題和研究現(xiàn)狀展開(kāi)討論。

由于復(fù)雜的巖溶地質(zhì)，我國(guó)在水工、鐵路、公路隧道的發(fā)展歷程中經(jīng)歷了很多工程災(zāi)害。20 世紀(jì)中葉，在修建貴昆鐵路和襄渝鐵路時(shí)就遭受了大量的巖溶問(wèn)題所引發(fā)的工程災(zāi)害。如貴昆線的梅花山、巖腳隧道由于超前預(yù)報(bào)技術(shù)不夠完善，且主要依賴于地質(zhì)勘探和工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)，造成了施工過(guò)程中的溶洞底板塌陷。因巖溶段處置不當(dāng)和后期對(duì)處置效果檢測(cè)機(jī)制不完善而導(dǎo)致京廣鐵路大瑤山隧道、襄渝鐵路大巴山隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的長(zhǎng)期危害和高昂的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。我國(guó)可溶巖層地質(zhì)主要分布在西南地區(qū)，因此在西南地區(qū)鐵路、水工、公路隧道的建設(shè)過(guò)程中常面臨巖溶問(wèn)題的困擾。例如，由于對(duì)溶洞填充物或巖溶水等因素勘測(cè)不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致了圓梁山隧道發(fā)生了特大巖溶涌水和華鎣山隧道在多處出現(xiàn)了巖溶洞穴坍塌事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

在國(guó)外，阿爾卑斯山隧道等越嶺隧道中也出現(xiàn)過(guò)同樣的問(wèn)題，這不僅導(dǎo)致了人員的傷亡和建筑設(shè)備的損壞，還嚴(yán)重影響了施工期限，大大增加了建設(shè)成本，并且這些隧道由于巖溶問(wèn)題在運(yùn)營(yíng)期間也出現(xiàn)過(guò)交通中斷等事故。

隧道開(kāi)挖過(guò)程中的溶洞突水、突泥和隧道冒頂、底板塌陷等一系列問(wèn)題是巖溶段隧道施工常見(jiàn)的工程問(wèn)題。然而巖溶區(qū)隧道修建的復(fù)雜性不僅僅體現(xiàn)在施工過(guò)程中巖溶地質(zhì)對(duì)隧道的影響，還包括溶洞填充物和水的長(zhǎng)期作用對(duì)巖溶洞穴空間形態(tài)的改變而造成的隧道運(yùn)營(yíng)期間不利影響?？扇軒r層和填充物是引發(fā)巖溶區(qū)隧道地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素和巖溶問(wèn)題處置的難點(diǎn)，而水的存在又使巖溶問(wèn)題的處置更具有特殊性。

如今，修建巖溶區(qū)隧道主要存在下列問(wèn)題。

首先，針對(duì)巖溶區(qū)隧道的修建，不同部門(mén)制定了各自的施工指南和規(guī)定，但與非巖溶區(qū)隧道相比在很多方面并未體現(xiàn)其特殊性和針對(duì)性，因此，巖溶區(qū)隧道施工至今尚無(wú)明確的規(guī)范要求，在很大程度上還是處于盲目性施工的階段。主要表現(xiàn)為：

1）尚無(wú)針對(duì)巖溶區(qū)隧道的施工技術(shù)。巖溶區(qū)隧道施工工法及處置措施與非巖溶段在很大程度上相似，并未體現(xiàn)其針對(duì)性和特殊性。而對(duì)于溶洞的處置，沒(méi)有明確的處置效果鑒定標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致處置成本過(guò)高或處置效果不佳等現(xiàn)象發(fā)生，給后期的運(yùn)維留下安全隱患。

2）目前巖溶段隧道施工的主要特點(diǎn)是被動(dòng)性。主要體現(xiàn)在特殊地質(zhì)段隧道在施工過(guò)程中對(duì)前方地質(zhì)狀況的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)體系尚未建立和隱伏溶洞的處置標(biāo)準(zhǔn)及防治措施尚未明確，這就導(dǎo)致不能及時(shí)有效地對(duì)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行防治，影響隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全。

3）雖然我國(guó)有著許多有關(guān)巖溶區(qū)隧道建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，但是因由于技術(shù)資料積累體制以及管理方法還不夠完善，對(duì)巖溶區(qū)隧道施工問(wèn)題研究的不足，使得其并未形成系統(tǒng)性的理論方法和技術(shù)方案的本質(zhì)改善，導(dǎo)致重復(fù)出現(xiàn)同類錯(cuò)誤，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

其次，不同形態(tài)和空間位置的溶洞對(duì)隧道位移、圍巖-支護(hù)體系的應(yīng)變、應(yīng)力分布和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響研究不足，巖溶隧道施工方案、支護(hù)措施無(wú)針對(duì)性。主要表現(xiàn)為以下4 點(diǎn)。

1）對(duì)于施工過(guò)程中遇到的出露溶洞，一般采取回填、跨越的處治措施；對(duì)于圍巖范圍內(nèi)對(duì)隧道施工影響不明顯的隱伏溶洞，一般不進(jìn)行處理，易引起隧道失穩(wěn)，影響施工安全和運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的安全事故。

2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取補(bǔ)強(qiáng)措施是目前對(duì)巖溶區(qū)出露溶洞常用的隧道支護(hù)手段。就處置措施而言，對(duì)于出露溶洞的支護(hù)并無(wú)針對(duì)性和特殊性。這就導(dǎo)致可能出現(xiàn)支護(hù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度不足或支護(hù)設(shè)計(jì)的剛度過(guò)大等問(wèn)題，缺乏對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)性研究，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故或材料浪費(fèi)過(guò)多。

3）對(duì)隱伏溶洞和隧道的相互影響特點(diǎn)缺乏研究，這就使得在巖溶洞段的支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，不能根據(jù)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和塑性區(qū)的特點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行。

4）存在巖溶的隧道與無(wú)溶洞狀態(tài)隧道的圍巖變形特征不同。但目前為止，對(duì)隧道已有支護(hù)和圍巖穩(wěn)定性在不同形態(tài)和空間位置的溶洞的影響規(guī)律還無(wú)統(tǒng)一定論，并且對(duì)于巖溶影響的預(yù)處理方案及合理的溶洞處治措施體系也尚未形成，溶洞的處置仍存在很大的盲目性。

最后，巖溶區(qū)隧道動(dòng)態(tài)施工過(guò)程常常會(huì)因溶洞及其填充物的不同而面臨復(fù)雜多變的施工難題，利用地質(zhì)雷達(dá)、TSP 等技術(shù)手段配合地質(zhì)素描對(duì)掌子面前方地質(zhì)狀況提前做出預(yù)判是穿越復(fù)雜巖溶地質(zhì)的應(yīng)有工序。但目前針對(duì)巖溶區(qū)隧道，無(wú)論是超前預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)還是后期處置效果檢測(cè)等都尚未完善，并且缺乏對(duì)處置措施和效果的綜合性評(píng)價(jià)體系，這就意味著巖溶區(qū)隧道施工尚無(wú)規(guī)范化的地質(zhì)預(yù)報(bào)要求，導(dǎo)致其施工面對(duì)被動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)事件的增加。因此，對(duì)于巖溶區(qū)隧道施工，還需強(qiáng)化和規(guī)范地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)內(nèi)容和處置效果鑒定標(biāo)準(zhǔn)，減少巖溶區(qū)隧道施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

作為土建工程特殊的構(gòu)筑物，隧道滿足了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要；我國(guó)作為巖溶大國(guó)，攻克巖溶隧道建設(shè)難題又是隧道工程發(fā)展之必要。針對(duì)巖溶區(qū)隧道建設(shè)難題，首先應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有資料了解巖溶特點(diǎn)和在巖溶區(qū)隧道施工的潛在風(fēng)險(xiǎn)，逐步明確和完善巖溶區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。其次，通過(guò)研究分析不同空間位置和形狀溶洞對(duì)隧道圍巖和支護(hù)的影響特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況提出具有針對(duì)性的支護(hù)方案和防治措施，以保證巖溶區(qū)隧道安全高效地施工。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)逐步健全巖溶區(qū)隧道防治體系和規(guī)范巖溶區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)內(nèi)容，減少巖溶區(qū)隧道施工的盲目性，確保巖溶區(qū)隧道的施工和運(yùn)營(yíng)安全。