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摘 要 以處于巖溶特殊地質(zhì)條件下的龍?zhí)?a class=channel_keylink href="http://www./Article/xslw/qhsd/">隧道為依托工程，重點(diǎn)從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、防排水技術(shù)、結(jié)構(gòu)處治技術(shù)等三個(gè)方面分別對(duì)其現(xiàn)狀及重點(diǎn)成果進(jìn)行了論述，并指出了相應(yīng)的對(duì)策。
關(guān)鍵詞 特長(zhǎng) 隧道 巖溶 超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 防排水 抗水壓襯砌
1 工程概況
湖北滬蓉西高速公路中的龍?zhí)?a class=channel_keylink href="http://www./Article/xslw/qhsd/">隧道進(jìn)口位于宜昌市長(zhǎng)陽縣賀家坪鎮(zhèn)境內(nèi)，出口位于宜昌市長(zhǎng)陽縣榔坪鎮(zhèn)境內(nèi)。其左洞長(zhǎng)8693m，右洞長(zhǎng)8620m，是目前國(guó)內(nèi)在建的第二長(zhǎng)公路 隧道，縱向坡度為—1.504％的單向坡，最大埋深約800m。 該 隧道位于長(zhǎng)陽背斜的北翼，背斜構(gòu)造線走向近東西向，路線與地層走向基本平行；地層傾向北傾角50°左右，在K71+220附近有F1斷層分布，走向北西，傾向北東；在K72+610附近有12分布，走向北北西，傾向東。K70至出口段長(zhǎng)約4000m地層為奧陶系碳酸鹽巖地層，本段沿可溶巖與非可溶巖界面形成強(qiáng)巖溶帶，并發(fā)育管道式地下河。該段巖溶地下水的匯水范圍約5km 2。 該 隧道出口段巖溶條件下的可靠合理修筑技術(shù)將是其建設(shè)迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
2 巖溶地質(zhì)隧道修筑的災(zāi)害問題
眾所周知，當(dāng) 隧道通過溶洞、地下暗河等巖溶地質(zhì)發(fā)育的含水區(qū)段時(shí)，其影響主要表現(xiàn)為“涌突水、突泥(沙)、塌陷”，容易導(dǎo)致： a． 隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、開裂、失穩(wěn)直至坍塌； b．制約工程進(jìn)度，直接危及人員和機(jī)械設(shè)備的 安全，造成工程投資的增加。 在巖溶地區(qū) 隧道工程的建設(shè)和后期建成運(yùn)營(yíng)期間，由于處治措施不當(dāng)?shù)仍?，也可能影響?chǎng)區(qū)環(huán)境，如： a．改變了水文地質(zhì)條件，從而激活古巖溶；
b．增加了新的出水點(diǎn)，對(duì)于正處于發(fā)育期的巖溶，可能加快其巖溶發(fā)育速度；
c．可能不斷惡化場(chǎng)區(qū)的水文環(huán)境；
d．由于環(huán)境惡化、地下水位下降，可能造成植被減少、地表沙土流失、地面沉陷等；
e．可能造成地下水干涸，地下水流失，場(chǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境受到破壞。
對(duì)于影響環(huán)境的以上認(rèn)識(shí)，目前業(yè)內(nèi)人員的關(guān)注度還極為欠缺。
3 主要技術(shù)問題
針對(duì)該 隧道工程的實(shí)際情況，結(jié)合以上對(duì)巖溶地質(zhì) 隧道修筑的災(zāi)害問題的認(rèn)識(shí)，筆者認(rèn)為，其主要技術(shù)問題主要包括以下三方面： a．確定合理有效的涌水突泥災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)；
b.在巖溶富水段落采取切實(shí)合理的防排水措施；
c．針對(duì)溶洞、地下暗河等巖溶不良地質(zhì)，提出 安全可靠的處治技術(shù)。
4 涌水突泥災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)
4.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)
隧道涌水突泥災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不但是基礎(chǔ)性研究，也是防治的基礎(chǔ)。但是，地質(zhì)體是一個(gè)復(fù)雜的綜合體，巖溶的成因與發(fā)育規(guī)模以及與 隧道的空間組合形態(tài)存在差異，所以必須根據(jù)不同預(yù)測(cè)方法的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程的實(shí)際地質(zhì)特征，進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
鑒于 隧道的實(shí)際地質(zhì)條件，采取了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，如圖1所示。 
施工時(shí)綜合運(yùn)用兩種或兩種以上方法和手段進(jìn)行預(yù)報(bào)，以達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、相互印證、提高預(yù)報(bào)效果的目的，并基本遵循以下步驟開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作：
a．首先運(yùn)用TSP—202／203地震儀探測(cè)出掌子面前方l00mm范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確屬性、較準(zhǔn)確位置與空間分布規(guī)模，結(jié)合地質(zhì)學(xué)的地質(zhì)構(gòu)造分析法，進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。
b．在上述基礎(chǔ)上，利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步探測(cè)掌子面前方30m范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體的屬性、位置與空間分布規(guī)模，以近距離印證TSP地震儀的反演分析結(jié)果，提高探測(cè)預(yù)報(bào)精度，結(jié)合掌子面的地質(zhì)編錄，進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。
c．在以上手段無法準(zhǔn)確判斷不良地質(zhì)體的屬性、位置與空間分布規(guī)模的疑似地段，以及根據(jù)以上手段綜合判斷出不良地質(zhì)體可能有嚴(yán)重突水、涌泥或崩塌等 施工隱患的目標(biāo)地段，或當(dāng)前掌子面滲水嚴(yán)重的段落，對(duì)掌子面前方30m實(shí)施超前鉆孔探測(cè)。 d，根據(jù)以上預(yù)報(bào)分析結(jié)構(gòu)，并結(jié)合斷面的監(jiān)控量測(cè)信息，得出綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的結(jié)論。
4.2 TSP法解譯應(yīng)注意的問題
由于TSP法是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，因此其解譯結(jié)果尤其重要，經(jīng)驗(yàn)表明：
a．正反射振幅表明巖層變硬，負(fù)反射振幅表明巖層變軟；負(fù)反射與正反射的組合表明該位置有斷裂(斷層)。
b，若S波較P波強(qiáng)則表明巖層飽含水。
c．Vn／Vs增加或δ突然增大，常常由于流體的存在而引起。
d．若Vn下降，則表明裂隙或孔隙度增加。
5 巖溶富水段落的防排水技術(shù)
5.1 控制型防排水原則
基于對(duì)環(huán)境問題的關(guān)注，該 隧道巖溶富水段落的防排水設(shè)計(jì)貫徹了“以堵為主、防排結(jié)合”的控制型防排水原則。 問題的關(guān)鍵是為何還要排水，主要基于以下考慮：
b．由于 隧道巖溶特殊地質(zhì)條件的多變性， 隧道圍巖完全防水在技術(shù)上是不可行的，從這個(gè)意義上講，排水是為了更好的防水； c．龍?zhí)?a class=channel_keylink href="http://www./Article/xslw/qhsd/">隧道局部地段地下水水頭較高，最大靜水壓力達(dá)5MPa，如果完全防水進(jìn)行 隧道襯砌設(shè)計(jì)，襯砌就要承受同水頭相當(dāng)?shù)乃畨毫?，以至于把襯砌加大到不可思議的厚度；另一方面，在襯砌背后積聚的地下水，如果不加有效的引導(dǎo)，將會(huì)對(duì)支護(hù)形成相當(dāng)大的外荷載。若因排水不暢，將導(dǎo)致襯砌裂損破壞，引起 隧道結(jié)構(gòu)滲漏水的情況。然而，若不加控制的排放地下水，就會(huì)導(dǎo)致地下水環(huán)境的惡化，進(jìn)而引發(fā)地表水位下降、地面塌陷等一系列的生態(tài)環(huán)境問題。 因此，提出了控制型防排水原則，即在相關(guān)防排冰技術(shù)和設(shè)計(jì)的支持下，實(shí)現(xiàn)人為地、可控制地排放地下水，做到保持地下水位的基本穩(wěn)定，盡量減少或者避免對(duì)地下水環(huán)境的影響，同時(shí)將作用在襯砌上的水壓力減少到可以承受的水平，從而實(shí)現(xiàn) 隧道周圍地下水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。 5.2 實(shí)施方案
根據(jù)調(diào)研及工程類比，最終確定在巖溶富水段落通過注漿堵水、設(shè)置全封閉防水襯砌來體現(xiàn)，因?yàn)檫@兩種措施可由外及內(nèi)依次形成a．圍巖注漿固結(jié)堵水圈、b．初期支護(hù)、c．全包式防排水網(wǎng)格系統(tǒng)和d．抗?jié)B(水壓)二次襯砌的復(fù)合防排水結(jié)構(gòu)的多道防線。
5.3抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)形式
針對(duì)抗水壓襯砌的設(shè)置，該 隧道設(shè)計(jì)提出了一種結(jié)構(gòu)形式，見圖2。 為評(píng)價(jià)抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而確定合理的結(jié)構(gòu)型式，特以該 隧道襯砌模型進(jìn)行“等截面梁”的荷載一結(jié)構(gòu)法數(shù)值分析(圖3)。 
通過改變外壓，以模擬襯砌承受不同荷載等級(jí)的外水壓力下的襯砌受力變形情況，如圖4所示。
通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，有：
a．抗水壓襯砌的仰拱及仰拱隅角是彎距和軸力集中的位置，即最薄弱部位，而且這種趨勢(shì)將隨著外水壓力的增大而增大。
b．抗水壓襯砌在外水壓力的作用下，其變形朝著豎向高度越來越小、橫向?qū)挾仍絹碓酱蟮内厔?shì)發(fā)展，而且這種趨勢(shì)將隨著外水壓力的增大而增大。
c．通過改善仰拱和仰拱隅角處的力學(xué)特性可更好發(fā)揮抗水壓襯砌承受外水壓力的力學(xué)性能。
根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，筆者在圖3所示結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，又增加了三種抗水壓襯砌的結(jié)構(gòu)型式(圖5)，進(jìn)行了地層一結(jié)構(gòu)模型法的數(shù)值計(jì)算。
計(jì)算貫穿 隧道由開挖 施工至襯砌承受外水壓力的全過程，外水壓力采用水巖分算法計(jì)算，對(duì)地層和 隧道結(jié)構(gòu)的受力與變形情況進(jìn)行了分析。 結(jié)果表明：
龍?zhí)?a class=channel_keylink href="http://www./Article/xslw/qhsd/">隧道的抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu) 安全度。 b．從目前的分析結(jié)果來看，力學(xué)性能的排序是加厚邊墻的抗水壓襯砌斷面(圖5a))<減小仰拱矢跨比的抗水壓襯砌斷面(圖5c))<仰拱加厚的抗水壓襯砌斷面(圖5b))<增大仰拱矢跨比的襯砌斷面(圖2)。
當(dāng)然，實(shí)際抗水壓襯砌的力學(xué)性態(tài)、邊界條件等因素都與模擬模型不同，但這種分析方法能更簡(jiǎn)潔地揭示出抗水壓襯砌的重要受力變形特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)抗水壓襯砌提供了科學(xué)有效的途徑。
5.4 注漿堵水技術(shù)
根據(jù) 隧道的實(shí)際地質(zhì)情況，注漿堵水方式采用預(yù)注漿和后注漿兩種相結(jié)合的綜合注漿手段。其中，預(yù)注漿包括全斷面帷幕超前預(yù)注漿，全斷面周邊超前預(yù)注漿，及局部斷面超前預(yù)注漿等方式；后注漿包括徑向注漿、局部注漿和補(bǔ)充注漿等方式。其選用標(biāo)準(zhǔn)如表1。 
注漿技術(shù)是從實(shí)踐中總結(jié)出來的，不能一成不變，必須在施工實(shí)踐中不斷修正、補(bǔ)充、發(fā)展、完善、創(chuàng)新，根據(jù)地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，以達(dá)到最佳的注漿效果。
總之，合理的防排水措施，不僅關(guān)系到巖溶富水段落 隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的問題，而且更與周邊生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)。它是巖溶地區(qū) 隧道修筑、運(yùn)營(yíng)成敗好壞的基礎(chǔ)。
6 巖溶不良地質(zhì)的結(jié)構(gòu)處治技術(shù)
當(dāng)前，設(shè)計(jì)人員往往十分重視處治預(yù)案的設(shè)計(jì)，通常是針對(duì)位于 隧道周邊不同位置的溶鋼，不同大小的溶洞、地下暗河等進(jìn)行處治預(yù)案設(shè)計(jì)，但存在的幾個(gè)問題值得商榷： a．這種預(yù)案設(shè)計(jì)往往只能應(yīng)用在預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確或開挖揭示后的情況下；設(shè)計(jì)的主動(dòng)性不夠，依賴于預(yù)測(cè)結(jié)果。
b．對(duì)處于巖溶條件下 隧道圍巖的施工力學(xué)形態(tài)不能完全把握，設(shè)計(jì)的合理性缺乏依據(jù) 筆者對(duì)拱頂上不同形態(tài)的溶洞分布，進(jìn)行丁圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析(圖6)。 
結(jié)果表明，這種情況下并不會(huì)增大拱頂沉降，實(shí)際上主要表現(xiàn)為對(duì) 隧道拱部塑性區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)的影響，因此其處治設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)減小這種不利影響。 再則，對(duì)于溶洞規(guī)模的判斷，人為的隨意性較大；進(jìn)行處治設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)溶洞洞徑、溶洞與 隧道邊緣的距離、 隧道洞徑、圍巖的力學(xué)性質(zhì)等相關(guān)因素之間的關(guān)系還缺乏必要的科學(xué)分析依據(jù)。 因此，為防患于未然，并能有效應(yīng)對(duì)緊急情況，必須：
a．重視對(duì)圍巖施工力學(xué)形態(tài)的研究，積極運(yùn)用監(jiān)控量測(cè)的分析結(jié)果，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)性。
b．災(zāi)害發(fā)生后，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和條件，制定合理、 安全、快速的處治搶險(xiǎn)方案。 c. 溶洞空腔宜盡可能填充，如施工條件難以滿足，設(shè)置一定厚度的柔性緩沖層(如砂礫層)是一種較好的處治途徑。
d．通過對(duì)溶洞水質(zhì)、水量、水壓等情況的分析，特別應(yīng)注意砂、干砌片石等材料較輕微改變?cè)兴魍ǖ赖臐B透水力特性，靈活選用建筑材料。
7 結(jié)語
結(jié)合上述的研究工作，可以得出以下結(jié)論：
a．龍?zhí)?a class=channel_keylink href="http://www./Article/xslw/qhsd/">隧道以其長(zhǎng)度、難度成為了滬蓉國(guó)道主干線宜恩段的控制性重難點(diǎn)工程，其主要技術(shù)問題包括以下三個(gè)方面：①確定合理有效的涌水突泥災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)；②在巖溶富水段落采取切實(shí)合理的防排水措施；③針對(duì)溶洞、地下暗河等巖溶不良地質(zhì)，提出安全可靠的處治技術(shù)。
b．鑒于該 隧道的巖溶復(fù)雜地質(zhì)條件，應(yīng)采取包括長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)；超前鉆探與災(zāi)害臨近警報(bào)的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。 c．巖溶特殊地質(zhì)條件下的 隧道修筑需要從結(jié)構(gòu)與環(huán)境兩個(gè)方面綜合考慮，才能形成技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵技術(shù)。 d．抗水壓襯砌的仰拱及仰拱隅角處是彎距和軸力集中的位置，即最薄弱部位，通過改善其力學(xué)特性可更好發(fā)揮抗水壓襯砌承受外水壓力的力學(xué)性能。
e. 從目前的數(shù)值模擬結(jié)果來看，抗水壓襯砌的力學(xué)性能排序是加厚邊墻<減小仰拱矢跨比<仰拱加厚<增大仰拱矢跨比。
f. 拱頂分布溶洞的危害主要表現(xiàn)為對(duì) 隧道拱部圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)的影響，因此其處治設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)減小這種不利影響。
參考文獻(xiàn)
1 蔣樹屏．我國(guó)公路 隧道工程技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J]．公路 隧道，2000，(1)：1—5 2 丁浩等．巖溶地區(qū) 隧道修筑關(guān)鍵技術(shù)探討[A]．2004年巖溶地區(qū) 隧道修筑技術(shù)專題研討會(huì)論文集[C]．北京：人民交通出版社，2004．54-57 3 重慶交通科研設(shè)計(jì)院．公路 隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70--2004)[S]．北京：人民交通出版社，2004 《2005年全國(guó)公路 隧道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集》 |
