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摘 要:本文基于笔者多年从事隧道施工的相关工作经验,以隧道岩溶处理技术为研究对象,论文首先分析了隧道岩溶的危害,进而探讨了溶洞处理的原则,在此基础上,笔者分析了岩溶处理的方式方法,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词:岩溶隧道处理方式技术
中图分类号:TB21 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(a)-0081-02
1引言
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层(碳酸岩类、硫酸岩类、卤盐类等)进行化学侵蚀、崩解作用是和机械破坏、搬运、沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。从此定义中可以看出:岩溶产生主要有三个条件:第一,可溶性岩石是岩溶产生的物质基础。例如,隧道穿越石灰岩、白云岩、泥灰岩、石膏、芒硝、岩盐等地层时,受地下水作用可能出现溶蚀现象,石灰岩以溶解作用为主,白云岩则主要通过渗透—溶蚀—分解—淋滤—崩解作用发生破坏。第二,地质构造与地层结构的千差万别确定了岩溶类型的多样性。岩体结构、构造以及岩层产状、接触关系,层厚、断裂、褶皱、节理、裂隙、软弱夹层,风化程度等地质特征决定了岩溶发育程度和规模的不同。一般情况下,向斜构造比背斜构造岩溶发育强烈,向斜构造的核部岩溶发育比两翼强烈,背斜构造的两翼比核部岩溶发育强烈;当隧道穿越可溶岩地层的节理、裂隙、断层等结构不连续面时,易遇到溶隙、溶管、溶洞、溶腔或暗河。第三,地表水和地下水补给、径流、渗透和循环是岩溶形成和发育的必要条件。山谷、洼地、岩溶盆地,竖井、漏斗、落水洞部位,地表水汇集、下渗,容易在地层中形成水平径流带、垂直渗流带和深部滞留带,从而造成地下水补给和循环,给岩溶形成创造了必要条件,当地下水中游离或侵蚀性的CO2、SO4-等的含量较大时,岩溶的发育增强。
岩溶对隧道的危害主要分为4种类型:(1)洞穴的存在使建筑物全部或部分悬空,极大地降低了隧道的使用可靠度。(2)岩溶水,特别是当CO2等可溶性物质含量增高时,水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用,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。因此,正确处理溶洞对隧道施工具有重要意义。
2 溶洞处理原则
在溶洞处理过程中应本着:“方案合理、结构安全、保持水环境、施工易操作、工程成本低”的原则,安全、稳妥地保证隧道通过岩溶地段。
岩溶水处理原则包括排堵结合、以堵为主、限量排放。可以采用桥梁、暗沟、涵洞(泄水洞)、渗沟等方式排水以及浆砌片石封堵、帷幕注浆堵水等方式控制地下水流失,保持水环境的平衡。小型溶洞处理。对溶洞规模较小,岩壁较为稳定、不发育、无水的溶洞,应采用浆砌(干砌)片石封闭、回填,护拱防护、加强衬砌、抛石注浆、隧道底板设梁通过等方案。大型溶洞处理。当溶洞规模较大时,可采取以下两种方式通过:(1)设简支梁、栈桥、拱桥、边墙拱、支托等形式跨越。(2)设支承墙、支承柱、拱桥、挖孔桩等形式支顶。
3 溶洞处理方式
岩溶问题对隧道施工而言,归纳起来是水、溶洞洞穴及其充填物的危害,应按其性质及其与隧道的关系采取相应的工程措施。
3.1 地下水处理
在隧道设计、施工中,以往对地下水的处理方式会造成大量地下水的流失。据统计,某些山岭隧道排水,导致居民、牲畜饮水紧张。特别是当岩溶水HCO3-等含量增高时,水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用,影响隧道的使用寿命。岩溶堆积物因地下水的流动而坍塌下沉改变洞穴周边的应力分布形态,影响隧道的稳定。隧道中地下水的流失,使隧道顶部地面塌陷,造成隧道结构的不稳定。因此,必须对这种大涌水量的岩溶水进行防治。
按照以往铁路隧道岩溶水处理方法,国内外已建成大量隧道,逐步形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实践体系,但在隧道的防水治理方面认识则相对落后。在以往铁路隧道无论设计还是施工,对水的处理多是“以排为主,排堵结合”,遇水多以暗沟、管道、涵洞、泄水洞、明渠、渗沟、拱桥或增加辅助导坑等截流排除地下水。但对地下水采取以排为主的防水原则,造成地面和地下水大量漏失,可使隧道地区大量农田干旱,地下水漏失,造成森林枯死,严重影响当地的自然环境。因此应采用以堵为主,排堵结合的原则。
采用以堵为主的防水原则,防止地下水在隧道中渗漏和漏失,高等级公路隧道不允许出现渗漏水,经研究,提出了采取以堵为主的防水原则,采用新技术,把地下水堵住。主要技术措施是在隧道防水地段因地制宜地采用全断面预注浆、裂隙注浆、喷射混凝土等,尽快将渗水通道堵住。如地质预探含水量较大,可能有涌水出现时,宜采用全断面预注浆的方法,将水流封堵在开挖面之外,即在隧道周边打孔,以高压的水泥装液(或水泥—水玻璃浆液)注入岩石裂隙,使隧道沿周边形成一个密封环;若含水量不大,开挖后在出水点进行局部裂隙注装予以封闭;渗漏水不多时,初期支护的喷射混凝土即可防止残余水浸湿。另外,二次衬砌还采取了结构防水措施,即在初期支护与二次衬砌之间敷设一层无纺布及全封闭的橡胶防水板(或塑料防水板),接缝处设置止水带,或采用多层次防水措施是能够防止公路隧道中地下水渗漏的。
具体施工时,可根据岩溶水对隧道的不同影响及具体施工条件,采取不同的防治措施。隧道内对岩溶水的处理,应视隧道所在的地质条件,岩溶发育分带水的性质和流量大小,采取大疏、小堵,疏堵结合,以疏为主和地表地下综合治理的方法分别进行处理。大概具体处理可分两种情况。
(1)隧道施工并未切断地下水的主天然通道。对于这种情况,如果采用排的方法可使地下水流失,影响周围环境,因此,可采用全堵的方法。对于大股流的岩溶水可采用全面注浆封堵法,注浆加固范围应为隧道开挖轮廓线以外1～2倍的洞径,注浆段长应取30m左右,注浆孔孔径应为90～108mm,注浆终止压力应为水压力的2～3倍,浆液扩散半径为0.5～2.0m。如隧道周边存在大面积湿渍或渗漏水现象,则应采取径向注浆进行封堵。注浆加固范围一般为隧道开挖轮廓线外(0.5～1.0)D,D为隧道直径。如岩层的溶隙、软弱夹层的局部有股状涌水现象,出水比较清澈,受大气降雨影响不大,其处理方法有直接封堵法和间接封堵法。对于涌水压力P≤0.5MPa的股状出水点,如来水方向可以确定,可采用直接封堵法进行处理。沿着出水部位和出水方向直接钻孔,孔间距应控制在0.5～1.0m,钻孔深度应为开挖轮廓线外(0.5～1.0)D,如孔内的出水部位距离孔口较远,可安设和钻孔长度一样的注浆花管,如孔内的出水部位距离孔口较近,可安设2.0m左右的孔口管。对于涌水压力0.5MPa＜P≤1.0MPa的股状出水点,或来水方向不能明确判断的出水部位,可采用间接封堵法进行处理。在围岩表面距离出水部位0.5～1.0m处,向出水方向钻斜孔,孔间距控制在0.5～1.0m,钻孔深度与直接注浆法类似,大部分孔应穿过出水岩层,将水引出。(2)当隧道施工切断天然主通道。对于这种情况,如果采用堵的方法,会对施工和运营安全不利,增加施工成本,而且影响周围环境。因此必须采取引的方法。如当暗河和溶洞有水流时,就应宜排不宜堵。在查明水源流向及其与隧道位置的关系后,用暗管、涵洞、小桥等设施,渲泄水流或开凿泄水洞,将水排出洞外。当水流的位置在隧道上部或高于隧道时,应在适当距离外,开凿引水斜洞(或引水槽)将水位降低到隧道底部位置以下,再行引排。
3.2 洞穴处理
根据岩溶洞穴的大小、位置、稳定性,分别采取相应的工程措施。具体处理如下。
(1)隧道拱部的空洞视其稳定性、溶洞岩石破碎程度采用喷锚支护加固,加设护拱及拱顶回填的办法处理。(2)拱以上空溶洞,可视溶洞的岩石破碎程度采用喷锚支护加固,或加设护拱顶回填的办法处理。(3)对已停止发育,径跨较小,无水的溶洞,可根据其与隧道相交的位置及其充填情况,采用混凝土、浆砌片石回填封闭。(4)当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞时,可加深该侧基础通过。(5)当隧道底有较大的溶洞并有流水时,可在隧道底部以下砌筑浆砌片石支墙,支承隧道结构,并在支墙内套设涵管引排溶洞水。(6)当隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞,不宜加深边墙基础,应在边墙部位或隧底以下筑拱跨过。(7)当隧道中部及底部遇有探狭的溶洞时,可加强两边墙基础,根据情况设置桥台、架梁通过。(8)溶洞上大下小且有部分充填物时,可将隧道顶部的充填物清除,然后在隧底部标高以下设置钢筋混凝土横梁及纵梁,横梁两端嵌入岩层。(9)当跨越溶洞较大较深时,可采用梁、拱跨越。但梁端或拱座应置于稳固可靠的基岩上,必要时用水泥加固。
3.3 填充物处理
填充物的处理可分为以下4种情况。
(1)如溶洞局部、小部含填充物,可先清除填充物,再按相应的溶洞空穴处理措施处理。(2)如隧底遇充填物溶洞,规模不大,可采用换填局部充填物或设钢筋混凝土盖板通过;如规模较大,可采用钻孔桩基础以桥式结构跨越;如隧道底部为松散或软塑状的粘土或砂粘土沉积物时,为了防止列车运行过程中结构产生固结沉降,应加强对基底的处理,隧道底部的处理可采用注浆加固、换填、桩基等方法。基底换填,如果基底溶洞填充物的厚度小于2.0m(2.0m以下为基岩或微风化地层),可以考虑采用换填方法,换填材料可以选用浆砌片石、混凝土等;基底注浆加固,如基底溶洞填充物的厚度为隧道仰拱以下2.0～10.0m,可考虑采用注浆加固法。(3)如工作面为含水的粉细砂或致密的粘土、砂粘土,采用渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆都十分困难时,可采用置换注浆法,即在工作面进行注浆工程中,在距离注浆孔2m左右,预留几个排泄孔并安设孔口管和阀门,将泥砂适量排除,用浆液填充其留下的空隙,起到加固底层的目的。该方法可以降低注浆压力,促进浆液的扩散。(4)如整个隧洞都在填充物内,可采用台阶法施工,超前小管棚或大管棚注浆,加强支护手段,及早封闭仰拱或临时仰拱,衬砌紧跟,加强衬砌结构的方法通过。
4 结语
岩溶处理是一项复杂的综合治理技术。一方面应考虑对周围环境及居民生产、生活的影响;另一方面应一次根治,不留后患,确保隧道施工和运营安全。以往采用以排为主的方法,会给周围环境产生严重影响,因而目前逐渐转为以堵为主的原则。但对溶洞进行封堵时,一定应认真测定溶洞的水量、水压,正确判定水流方向,并对涌出物进行分析,以便合理选择注浆方式、材料、参数、工艺、设备。对于不同大小、不同位置的溶洞要采取不同的措施。
参考文献
[1] 陶延安.铁路隧道溶洞处理技术[J].科技创新导报,2009(2).
[2] 陈敬,杜金雷,陶祥林.浅谈公路隧道中对溶洞的处理[J].科技资讯,2008(16).
[3] 张涛.北衙隧道溶洞处理技术[J].科技资讯,2009(7).
关键词:岩溶隧道处理方式技术
中图分类号:TB21 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(a)-0081-02
1引言
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层(碳酸岩类、硫酸岩类、卤盐类等)进行化学侵蚀、崩解作用是和机械破坏、搬运、沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。从此定义中可以看出:岩溶产生主要有三个条件:第一,可溶性岩石是岩溶产生的物质基础。例如,隧道穿越石灰岩、白云岩、泥灰岩、石膏、芒硝、岩盐等地层时,受地下水作用可能出现溶蚀现象,石灰岩以溶解作用为主,白云岩则主要通过渗透—溶蚀—分解—淋滤—崩解作用发生破坏。第二,地质构造与地层结构的千差万别确定了岩溶类型的多样性。岩体结构、构造以及岩层产状、接触关系,层厚、断裂、褶皱、节理、裂隙、软弱夹层,风化程度等地质特征决定了岩溶发育程度和规模的不同。一般情况下,向斜构造比背斜构造岩溶发育强烈,向斜构造的核部岩溶发育比两翼强烈,背斜构造的两翼比核部岩溶发育强烈;当隧道穿越可溶岩地层的节理、裂隙、断层等结构不连续面时,易遇到溶隙、溶管、溶洞、溶腔或暗河。第三,地表水和地下水补给、径流、渗透和循环是岩溶形成和发育的必要条件。山谷、洼地、岩溶盆地,竖井、漏斗、落水洞部位,地表水汇集、下渗,容易在地层中形成水平径流带、垂直渗流带和深部滞留带,从而造成地下水补给和循环,给岩溶形成创造了必要条件,当地下水中游离或侵蚀性的CO2、SO4-等的含量较大时,岩溶的发育增强。
岩溶对隧道的危害主要分为4种类型:(1)洞穴的存在使建筑物全部或部分悬空,极大地降低了隧道的使用可靠度。(2)岩溶水,特别是当CO2等可溶性物质含量增高时,水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用,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。因此,正确处理溶洞对隧道施工具有重要意义。
2 溶洞处理原则
在溶洞处理过程中应本着:“方案合理、结构安全、保持水环境、施工易操作、工程成本低”的原则,安全、稳妥地保证隧道通过岩溶地段。
岩溶水处理原则包括排堵结合、以堵为主、限量排放。可以采用桥梁、暗沟、涵洞(泄水洞)、渗沟等方式排水以及浆砌片石封堵、帷幕注浆堵水等方式控制地下水流失,保持水环境的平衡。小型溶洞处理。对溶洞规模较小,岩壁较为稳定、不发育、无水的溶洞,应采用浆砌(干砌)片石封闭、回填,护拱防护、加强衬砌、抛石注浆、隧道底板设梁通过等方案。大型溶洞处理。当溶洞规模较大时,可采取以下两种方式通过:(1)设简支梁、栈桥、拱桥、边墙拱、支托等形式跨越。(2)设支承墙、支承柱、拱桥、挖孔桩等形式支顶。
3 溶洞处理方式
岩溶问题对隧道施工而言,归纳起来是水、溶洞洞穴及其充填物的危害,应按其性质及其与隧道的关系采取相应的工程措施。
3.1 地下水处理
在隧道设计、施工中,以往对地下水的处理方式会造成大量地下水的流失。据统计,某些山岭隧道排水,导致居民、牲畜饮水紧张。特别是当岩溶水HCO3-等含量增高时,水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用,影响隧道的使用寿命。岩溶堆积物因地下水的流动而坍塌下沉改变洞穴周边的应力分布形态,影响隧道的稳定。隧道中地下水的流失,使隧道顶部地面塌陷,造成隧道结构的不稳定。因此,必须对这种大涌水量的岩溶水进行防治。
按照以往铁路隧道岩溶水处理方法,国内外已建成大量隧道,逐步形成了较成熟的结构设计计算理论与工程实践体系,但在隧道的防水治理方面认识则相对落后。在以往铁路隧道无论设计还是施工,对水的处理多是“以排为主,排堵结合”,遇水多以暗沟、管道、涵洞、泄水洞、明渠、渗沟、拱桥或增加辅助导坑等截流排除地下水。但对地下水采取以排为主的防水原则,造成地面和地下水大量漏失,可使隧道地区大量农田干旱,地下水漏失,造成森林枯死,严重影响当地的自然环境。因此应采用以堵为主,排堵结合的原则。
采用以堵为主的防水原则,防止地下水在隧道中渗漏和漏失,高等级公路隧道不允许出现渗漏水,经研究,提出了采取以堵为主的防水原则,采用新技术,把地下水堵住。主要技术措施是在隧道防水地段因地制宜地采用全断面预注浆、裂隙注浆、喷射混凝土等,尽快将渗水通道堵住。如地质预探含水量较大,可能有涌水出现时,宜采用全断面预注浆的方法,将水流封堵在开挖面之外,即在隧道周边打孔,以高压的水泥装液(或水泥—水玻璃浆液)注入岩石裂隙,使隧道沿周边形成一个密封环;若含水量不大,开挖后在出水点进行局部裂隙注装予以封闭;渗漏水不多时,初期支护的喷射混凝土即可防止残余水浸湿。另外,二次衬砌还采取了结构防水措施,即在初期支护与二次衬砌之间敷设一层无纺布及全封闭的橡胶防水板(或塑料防水板),接缝处设置止水带,或采用多层次防水措施是能够防止公路隧道中地下水渗漏的。
具体施工时,可根据岩溶水对隧道的不同影响及具体施工条件,采取不同的防治措施。隧道内对岩溶水的处理,应视隧道所在的地质条件,岩溶发育分带水的性质和流量大小,采取大疏、小堵,疏堵结合,以疏为主和地表地下综合治理的方法分别进行处理。大概具体处理可分两种情况。
(1)隧道施工并未切断地下水的主天然通道。对于这种情况,如果采用排的方法可使地下水流失,影响周围环境,因此,可采用全堵的方法。对于大股流的岩溶水可采用全面注浆封堵法,注浆加固范围应为隧道开挖轮廓线以外1～2倍的洞径,注浆段长应取30m左右,注浆孔孔径应为90～108mm,注浆终止压力应为水压力的2～3倍,浆液扩散半径为0.5～2.0m。如隧道周边存在大面积湿渍或渗漏水现象,则应采取径向注浆进行封堵。注浆加固范围一般为隧道开挖轮廓线外(0.5～1.0)D,D为隧道直径。如岩层的溶隙、软弱夹层的局部有股状涌水现象,出水比较清澈,受大气降雨影响不大,其处理方法有直接封堵法和间接封堵法。对于涌水压力P≤0.5MPa的股状出水点,如来水方向可以确定,可采用直接封堵法进行处理。沿着出水部位和出水方向直接钻孔,孔间距应控制在0.5～1.0m,钻孔深度应为开挖轮廓线外(0.5～1.0)D,如孔内的出水部位距离孔口较远,可安设和钻孔长度一样的注浆花管,如孔内的出水部位距离孔口较近,可安设2.0m左右的孔口管。对于涌水压力0.5MPa＜P≤1.0MPa的股状出水点,或来水方向不能明确判断的出水部位,可采用间接封堵法进行处理。在围岩表面距离出水部位0.5～1.0m处,向出水方向钻斜孔,孔间距控制在0.5～1.0m,钻孔深度与直接注浆法类似,大部分孔应穿过出水岩层,将水引出。(2)当隧道施工切断天然主通道。对于这种情况,如果采用堵的方法,会对施工和运营安全不利,增加施工成本,而且影响周围环境。因此必须采取引的方法。如当暗河和溶洞有水流时,就应宜排不宜堵。在查明水源流向及其与隧道位置的关系后,用暗管、涵洞、小桥等设施,渲泄水流或开凿泄水洞,将水排出洞外。当水流的位置在隧道上部或高于隧道时,应在适当距离外,开凿引水斜洞(或引水槽)将水位降低到隧道底部位置以下,再行引排。
3.2 洞穴处理
根据岩溶洞穴的大小、位置、稳定性,分别采取相应的工程措施。具体处理如下。
(1)隧道拱部的空洞视其稳定性、溶洞岩石破碎程度采用喷锚支护加固,加设护拱及拱顶回填的办法处理。(2)拱以上空溶洞,可视溶洞的岩石破碎程度采用喷锚支护加固,或加设护拱顶回填的办法处理。(3)对已停止发育,径跨较小,无水的溶洞,可根据其与隧道相交的位置及其充填情况,采用混凝土、浆砌片石回填封闭。(4)当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞时,可加深该侧基础通过。(5)当隧道底有较大的溶洞并有流水时,可在隧道底部以下砌筑浆砌片石支墙,支承隧道结构,并在支墙内套设涵管引排溶洞水。(6)当隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞,不宜加深边墙基础,应在边墙部位或隧底以下筑拱跨过。(7)当隧道中部及底部遇有探狭的溶洞时,可加强两边墙基础,根据情况设置桥台、架梁通过。(8)溶洞上大下小且有部分充填物时,可将隧道顶部的充填物清除,然后在隧底部标高以下设置钢筋混凝土横梁及纵梁,横梁两端嵌入岩层。(9)当跨越溶洞较大较深时,可采用梁、拱跨越。但梁端或拱座应置于稳固可靠的基岩上,必要时用水泥加固。
3.3 填充物处理
填充物的处理可分为以下4种情况。
(1)如溶洞局部、小部含填充物,可先清除填充物,再按相应的溶洞空穴处理措施处理。(2)如隧底遇充填物溶洞,规模不大,可采用换填局部充填物或设钢筋混凝土盖板通过;如规模较大,可采用钻孔桩基础以桥式结构跨越;如隧道底部为松散或软塑状的粘土或砂粘土沉积物时,为了防止列车运行过程中结构产生固结沉降,应加强对基底的处理,隧道底部的处理可采用注浆加固、换填、桩基等方法。基底换填,如果基底溶洞填充物的厚度小于2.0m(2.0m以下为基岩或微风化地层),可以考虑采用换填方法,换填材料可以选用浆砌片石、混凝土等;基底注浆加固,如基底溶洞填充物的厚度为隧道仰拱以下2.0～10.0m,可考虑采用注浆加固法。(3)如工作面为含水的粉细砂或致密的粘土、砂粘土,采用渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆都十分困难时,可采用置换注浆法,即在工作面进行注浆工程中,在距离注浆孔2m左右,预留几个排泄孔并安设孔口管和阀门,将泥砂适量排除,用浆液填充其留下的空隙,起到加固底层的目的。该方法可以降低注浆压力,促进浆液的扩散。(4)如整个隧洞都在填充物内,可采用台阶法施工,超前小管棚或大管棚注浆,加强支护手段,及早封闭仰拱或临时仰拱,衬砌紧跟,加强衬砌结构的方法通过。
4 结语
岩溶处理是一项复杂的综合治理技术。一方面应考虑对周围环境及居民生产、生活的影响;另一方面应一次根治,不留后患,确保隧道施工和运营安全。以往采用以排为主的方法,会给周围环境产生严重影响,因而目前逐渐转为以堵为主的原则。但对溶洞进行封堵时,一定应认真测定溶洞的水量、水压,正确判定水流方向,并对涌出物进行分析,以便合理选择注浆方式、材料、参数、工艺、设备。对于不同大小、不同位置的溶洞要采取不同的措施。
参考文献
[1] 陶延安.铁路隧道溶洞处理技术[J].科技创新导报,2009(2).
[2] 陈敬,杜金雷,陶祥林.浅谈公路隧道中对溶洞的处理[J].科技资讯,2008(16).
[3] 张涛.北衙隧道溶洞处理技术[J].科技资讯,2009(7).