岩溶地区隧道设计思考

在石灰岩地区修建高速公路时，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、岩溶区域隧道围岩分级的思考
　　1.1隧道围岩分级的一般思考
　　围岩分级是将隧道围岩稳定性等级由好到坏分为Ⅰ-Ⅵ六级，采用定性、定量、定性与定量相结合的3种方法进行。由于规范没有对岩溶影响设置专门的条文，石灰岩地区在确定隧道围岩分级时，如何考虑岩溶作用受主观认识影响较大。
　　通常情况下，隧道衬砌结构设计是根据围岩级别、使用要求和施工条件来考虑的，通过工程类比和结构计算综合分析确定。不同级别的围岩对应的隧道初期支护参数和二次衬砌的支护参数是不同的，往往围岩的一个级别差异对应隧道延米工程造价的差异达万元以上，合理确定隧道围岩级别是控制隧道工程投资的关键因素。
　　1.2岩溶地区隧道围岩分级要考虑的因素
　　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的阶段和岩溶目前对隧道的危害程度。
　　岩溶的形成必须具备四个基本条件：即可溶性岩石、可溶岩能提供水渗透和运移空间、具有溶蚀能力的水流、水流必须具有流动性。岩溶的发育演化一般可划分为如下三个阶段：
　　1）形成阶段：只要满足前述洞穴发育的四个基本条件，即可开始形成洞穴。在这个洞穴形成的初期阶段，洞穴空间规模一般较小，多呈孔隙状，人们无法进入，主要表现为溶蚀现象。
　　2）发展阶段：随着参与洞穴发育的水流流量流速的增加，洞穴空间逐渐扩大，发展成为人能进入具有一定规模的通道系统，主要表现为溶洞和地下暗河。
　　3）衰亡阶段：由于地壳抬升，洞穴逐渐脱离地下水位进入包气带，失去了进一步发展的动力条件，主要表现为崩塌现象显著，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：
　　1）洞穴的存在使隧道全部或部分悬空，将极大地降低隧道的使用安全可靠度；
　　2）岩溶水特别是当CO3等可溶性物质含量增高时，水的流通将给隧道结构带来的侵蚀作用，影响隧道的使用寿命；
　　3）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；
　　4）隧道中地下水流失，使隧道顶部地面岩溶塌陷，导致环境地质被破坏，也是造成隧道结构不稳定的原因。
　　1.3岩溶地区围岩分级建议
　　对于主要处于形成阶段的岩溶，由于其对岩石的整体稳定性影响小，基本可以不考虑影响，主体围岩是几级就可划定为几级，但是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相交或地下暗河相交，就不能按常规办法确定围岩级别，只能指出溶洞（暗河）与隧道相交长度及其大小而不能分类，因为标准的衬砌结构是无法适用于千变万化的溶洞形态的，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特点
　　岩溶地区隧道一般衬砌结构宜应按岩溶处于形成阶段来考虑，施工中虽然可能遇到各式各样的小溶沟、小溶槽，但是对结构的整体稳定性不构成威胁，不需要调整隧道衬砌设计参数，只需要进行局部地段的小沟槽充填物清除、同时增加少量回填工程量及过水管道的设置。
　　隧道遭遇到小溶沟、小溶槽时所增加的工程数量可以在设计期间大致估算出一个基本范围，工程量出入不会很大。
　　2.2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，这点要有充分认识。
　　同时地下水含中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的问题，采用防腐蚀混凝土材料，隧道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混凝土，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。


　　2.3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，其厚度大于等于洞跨度的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，其厚度大于等于洞高度的5倍时且无明显渗、漏水的情况下可以不处理而直接通过该溶洞。换个说法就是此时洞内采用路基或桥梁方案过溶洞，而不需要施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，应逐个溶洞逐个处理，不必要寻找标准的设计，设计中的通用原则为确保隧道的衬砌结构有足够的安全保证、在可预见期内洞穴的稳定性有保证、原有水流通道不会被阻断、方案比较经济适用。
　　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及行车梁、托梁、支墩、悬壁梁承托纵梁、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、注浆加固、支顶加固、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，梁体采用抗侵蚀混凝土。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，可采用混凝土、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，一般是采用明洞衬砌，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、喷射混凝土封闭支护；若溶洞较大，可设置横向钢轨横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即可。
　　岩溶水处理的较大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的一侧，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，是否采用应从施工、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
　　洞穴堆积物的特点是松软、下沉量大、强度低、稳定性差。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，使地质环境遭到破坏，造成隧道开挖时坍方、涌水、涌砂及突泥等危害。隧道通过岩溶地段时的地面塌陷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、位置有不同的方案，各方案的工程量差异很大，这些只能在工程的预备费用中考虑。
　　如果在隧道勘察阶段已经明确可知隧道必然遭遇到的大型溶洞数量、类型及位置，可提前进行预设计，尽可能使工程量估算有个参考范围，作为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。公路隧道由于开挖断面大，溶洞影响区域大，具体的溶洞处置施工方案应该在挖开后采用确定。