巖溶區隧道施工風險及問題探討

張棟

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

1 引言

近年來，隨著隧道等地下工程的快速發展，許多大、長、深隧道以及海底隧道已經建成并投入使用。在施工過程中，出現了許多復雜多變的地質環境，施工的難度也越來越大。根據有關資料的統計，在所有區域的地質隧道中，巖溶區隧道在建設過程中發生突發性災害的頻率最高。就我國而言，1980 年以后建設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[1]。由此可以看出，對巖溶區隧道施工風險的研究在隧道工程發展史上起著至關重要的作用。深化對隧道施工風險的認識，便可對施工過程中隨時可能發生的地質災害做出有效的防范，亦可通過巖溶隧道施工風險的特點提出有針對性的施工方案，使巖溶區隧道安全建設體系逐步完善。

2 巖溶區隧道施工風險

2.1 研究對象的界定

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

2.2 隧道巖溶的危害

施工的被動性是隧道工程有別于其他土建工程的主要特征，而巖溶地質的存在又使隧道施工的被動風險進一步提升。目前為止，許多國家都在巖溶段隧道施工中遭受了巨大經濟損失。以美國為例，至少有20 個州都受到該問題的困擾，相比之下，東部各州的巖溶破壞最為嚴峻。此外，南非地區每年因巖溶區隧道建設事故所造成的傷亡人數多達幾十人，生命和財產損失慘重[8]。

我國地域廣闊，地形復雜，山地占全國70%以上。我國的碳酸鹽巖溶出露面積大約為1/10，是世界上巖溶地質分布最廣的國家，且主要分布在云、桂、貴等西南部地區[9]。在以上地區進行大斷面隧道工程建設時常常會遇見石灰巖巖溶地質，使在該區進行的水利、公路、鐵路等隧道工程的施工和運營困難程度加劇。就西南隧道而言，全線因穿越巖溶密集區，在修建過程中需處置大小溶洞80 余處，而且全線多次由于巖溶問題處置不合理發生冒頂和隧道底板塌陷事故，隧道主體結構的破壞和隧道修建工期的滯后，造成了巨大的經濟損失[10]。

隨著我國經濟的快速發展，以及“西部大開發”戰略的實施，對具有豐富水電資源的喀斯特地區進行水電建設的需求日益增長，如已建的魯布革、東風、貓跳河、隔河巖、龍灘、天生橋、巖灘、烏江渡等水電工程，都是在巖溶較為發育的地區進行了不同程度的隧洞建設。目前我國的隧道建設項目較以前任何一段時間相比其復雜性、長度、數量都是無可比擬的。隨著我國綜合國力的不斷增強，道路（公路、鐵路）等基礎設施建設將會迎來更迅速的發展時期，在地質復雜地區修建隧道也將面臨更大的挑戰，同時為我們對隧道建設技術的研究和發展提供了更好的平臺。

溶洞的存在造成了隧道圍巖應力場分布不均，終而導致隧道襯砌出現變形甚至失穩。除此以外還會導致隧道開挖過程中發生冒頂和或底板塌陷等突發事件；另一方面，豐富的水資源是發育性巖溶最主要的元素，這也就導致了隧道在修建過程中出現處置不當而引發的隧道涌水、突泥等地質事故，嚴重影響了隧道的正常施工以及人員、設備的安全。這些突發性事件的出現，主要是因為目前對溶洞在隧道施工前后的影響特性研究不夠深入，從而導致巖溶段隧道設計和施工皆無針對性。此外，巖溶區的隧道施工至今還沒有任何規范的文件。所以，借鑒同類工程的經驗，對巖溶區隧道的施工特征進行深入的分析，把握其規律，是保證巖溶區隧道施工安全的關鍵；在此基礎上，強化和規范巖溶區地質預報技術的使用，對預報的不良地質段提前制訂施工方案和預防措施，避免突發性事件發生。從而逐步建立巖溶區防治體系，提高巖溶段施工效率和施工質量。

了解巖溶區隧道建設過程的潛在風險，深入研究溶洞和隧道在施工前后的相互影響規律和二者變形特點是巖溶段進行有效支護的關鍵。對巖溶區隧道施工風險因素的準確認識，才能進一步掌握其規律性，提出合理的建設方案及防治措施，進一步優化設計和施工。深入研究溶洞存在對隧道圍巖和支護的相互作用規律，對完善隧道建設資料和健全巖溶區隧道處置方案和推動隧道工程向著更規范、更高效的方向發展具有一定促進作用。

3 巖溶區隧道建設中存在的工程問題

隨著我國經濟的迅速發展和社會的不斷進步，未來會有更多的隧道工程需要穿越地質條件更復雜的巖溶地區。但現階段巖溶段隧道施工還存在較大的盲目性，與非巖溶區隧道相比，巖溶段隧道支護措施和處置方案并無針對性和特殊性，這就使得隧道施工進度和質量在巖溶區難以保證。本節將對巖溶地區存在的工程問題和研究現狀展開討論。

由于復雜的巖溶地質，我國在水工、鐵路、公路隧道的發展歷程中經歷了很多工程災害。20 世紀中葉，在修建貴昆鐵路和襄渝鐵路時就遭受了大量的巖溶問題所引發的工程災害。如貴昆線的梅花山、巖腳隧道由于超前預報技術不夠完善，且主要依賴于地質勘探和工程經驗預測，造成了施工過程中的溶洞底板塌陷。因巖溶段處置不當和后期對處置效果檢測機制不完善而導致京廣鐵路大瑤山隧道、襄渝鐵路大巴山隧道在運營過程中的長期危害和高昂的經濟負擔。我國可溶巖層地質主要分布在西南地區，因此在西南地區鐵路、水工、公路隧道的建設過程中常面臨巖溶問題的困擾。例如，由于對溶洞填充物或巖溶水等因素勘測不準確，從而導致了圓梁山隧道發生了特大巖溶涌水和華鎣山隧道在多處出現了巖溶洞穴坍塌事故，造成了巨大的經濟損失。

在國外，阿爾卑斯山隧道等越嶺隧道中也出現過同樣的問題，這不僅導致了人員的傷亡和建筑設備的損壞，還嚴重影響了施工期限，大大增加了建設成本，并且這些隧道由于巖溶問題在運營期間也出現過交通中斷等事故。

隧道開挖過程中的溶洞突水、突泥和隧道冒頂、底板塌陷等一系列問題是巖溶段隧道施工常見的工程問題。然而巖溶區隧道修建的復雜性不僅僅體現在施工過程中巖溶地質對隧道的影響，還包括溶洞填充物和水的長期作用對巖溶洞穴空間形態的改變而造成的隧道運營期間不利影響?？扇軒r層和填充物是引發巖溶區隧道地質災害的關鍵因素和巖溶問題處置的難點，而水的存在又使巖溶問題的處置更具有特殊性。

如今，修建巖溶區隧道主要存在下列問題。

首先，針對巖溶區隧道的修建，不同部門制定了各自的施工指南和規定，但與非巖溶區隧道相比在很多方面并未體現其特殊性和針對性，因此，巖溶區隧道施工至今尚無明確的規范要求，在很大程度上還是處于盲目性施工的階段。主要表現為：

1）尚無針對巖溶區隧道的施工技術。巖溶區隧道施工工法及處置措施與非巖溶段在很大程度上相似，并未體現其針對性和特殊性。而對于溶洞的處置，沒有明確的處置效果鑒定標準，導致處置成本過高或處置效果不佳等現象發生，給后期的運維留下安全隱患。

2）目前巖溶段隧道施工的主要特點是被動性。主要體現在特殊地質段隧道在施工過程中對前方地質狀況的監測和評價體系尚未建立和隱伏溶洞的處置標準及防治措施尚未明確，這就導致不能及時有效地對突發性地質災害進行防治，影響隧道施工和運營安全。

3）雖然我國有著許多有關巖溶區隧道建設的經驗和教訓，但是因由于技術資料積累體制以及管理方法還不夠完善，對巖溶區隧道施工問題研究的不足，使得其并未形成系統性的理論方法和技術方案的本質改善，導致重復出現同類錯誤，造成巨大經濟損失。

其次，不同形態和空間位置的溶洞對隧道位移、圍巖-支護體系的應變、應力分布和支護結構內力的影響研究不足，巖溶隧道施工方案、支護措施無針對性。主要表現為以下4 點。

1）對于施工過程中遇到的出露溶洞，一般采取回填、跨越的處治措施；對于圍巖范圍內對隧道施工影響不明顯的隱伏溶洞，一般不進行處理，易引起隧道失穩，影響施工安全和運營期內的安全事故。

2）根據經驗采取補強措施是目前對巖溶區出露溶洞常用的隧道支護手段。就處置措施而言，對于出露溶洞的支護并無針對性和特殊性。這就導致可能出現支護設計的強度不足或支護設計的剛度過大等問題，缺乏對支護設計的安全性和經濟性的系統性研究，進而導致安全事故或材料浪費過多。

3）對隱伏溶洞和隧道的相互影響特點缺乏研究，這就使得在巖溶洞段的支護設計時，不能根據圍巖應力分布規律和塑性區的特點有針對性地進行。

4）存在巖溶的隧道與無溶洞狀態隧道的圍巖變形特征不同。但目前為止，對隧道已有支護和圍巖穩定性在不同形態和空間位置的溶洞的影響規律還無統一定論，并且對于巖溶影響的預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，巖溶區隧道動態施工過程常常會因溶洞及其填充物的不同而面臨復雜多變的施工難題，利用地質雷達、TSP 等技術手段配合地質素描對掌子面前方地質狀況提前做出預判是穿越復雜巖溶地質的應有工序。但目前針對巖溶區隧道，無論是超前預報、預測還是后期處置效果檢測等都尚未完善，并且缺乏對處置措施和效果的綜合性評價體系，這就意味著巖溶區隧道施工尚無規范化的地質預報要求，導致其施工面對被動風險事件的增加。因此，對于巖溶區隧道施工，還需強化和規范地質預報技術內容和處置效果鑒定標準，減少巖溶區隧道施工和運營風險。

4 結語

作為土建工程特殊的構筑物，隧道滿足了國民經濟和社會發展的需要；我國作為巖溶大國，攻克巖溶隧道建設難題又是隧道工程發展之必要。針對巖溶區隧道建設難題，首先應根據現有資料了解巖溶特點和在巖溶區隧道施工的潛在風險，逐步明確和完善巖溶區風險評價體系。其次，通過研究分析不同空間位置和形狀溶洞對隧道圍巖和支護的影響特點，根據實際情況提出具有針對性的支護方案和防治措施，以保證巖溶區隧道安全高效地施工。在此基礎上，應逐步健全巖溶區隧道防治體系和規范巖溶區地質預報技術內容，減少巖溶區隧道施工的盲目性，確保巖溶區隧道的施工和運營安全。