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1、隧道工程通过岩溶地质地段隧道工程通过岩溶地质地段安全风险控制技术安全风险控制技术中铁隧道集团副总工程师 汪纲领1a 隧道工程穿越岩溶地质地段具有危害大、预防难的特点，是目前隧道工程施工中尚未很好解决的难题。其主要表现是： 当施工冒然揭露岩溶时，有可能产生大量涌水涌泥或突水突泥，造成重大安全事故。轻的对生态环境造成影响，如引起水土流失、地面沉降、地表及地下水径流改道等，甚至会引起生态环境的改变；重则可能会引起洞毁人亡的灾难性事故，给项目带来重大经济损失。2an n要保证隧道施工的顺利进行，关键是要预防和控制隧道施工中的地质灾害。如塌方是制约隧道快速施工的最主要因素之一，而断层、岩溶是隧道开挖过程
2、中最常见的不良地质现象，也是引起隧道塌方的“罪魁祸首”之一。据不完全统计，由断层及断层破碎带、岩溶陷落柱等引起的隧道塌方占塌方总数的90以上，可以说，隧道施工中发生的地质灾害，几乎都与断层、岩溶有关。3a 经经过过广广大大隧隧道道建建设设者者的的多多年年努努力力，我我国国在在应应对对异异常常复复杂杂岩岩溶溶地地质质隧隧道道施施工工技技术术方方面面积积累累了了丰丰富富经经验验，达达到到了了世世界界先先进进水水平平。采采用用超超前前探探测测、帷帷幕幕注注浆浆、管管棚棚预预支支护护、高高压压富富水水溶溶腔腔释释能能降降压压、迂迂回回绕绕行行、桥桥梁梁跨跨越越、防防灾灾预预警警、救救援援逃逃生生系系统
3、统等等“ “探探” ”、“ “堵堵” ”、“ “排排” ”、“ “迂迂” ”、“ “跨跨” ”、“ “防防” ”等等综综合合施施工工技技术术手手段段和和措措施施，大大大大增增强强了了隧隧道道施施工工过过程程中中安安全全处处理理大大规规模模岩岩溶溶的的能能力力。根根据据“ “多多源源协协调调原原理理” ”，选选择择一一套套有有效效的的超超前前地地质质预预测测预预报报技技术术，探探明明隧隧道道开开挖挖面面前前方方隐隐伏伏断断层层及及岩岩溶溶的的规规模模大大小小、准准确确位位置置、充充填填性性与与连连通通性性等等，采采取取针针对对性性地地处处理理方方案案，不不仅仅可可以以避避免免隧隧道道塌塌方方、突
4、突泥泥突突水水等等灾灾害害的的发发生生，还还可可显显著著加加快快隧隧道道施施工工进进度度，节节约约工工程程施施工工成成本，提高项目的经济效益与社会效益。本，提高项目的经济效益与社会效益。4an n 下面以岩溶地质隧道施工为案例，论述隧道下面以岩溶地质隧道施工为案例，论述隧道工程穿越高压富水岩溶地质地段，施工安全风险工程穿越高压富水岩溶地质地段，施工安全风险控制的关键技术问题。控制的关键技术问题。5a一、岩溶地质及岩溶地区的工程地质问题一、岩溶地质及岩溶地区的工程地质问题6a1、岩溶地质、岩溶地质n n（1 1）定义）定义n n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岩溶是地表水和地下
5、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。破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。n n地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用称为岩溶地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用称为岩溶作用；岩溶是指由岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文作用；岩溶是指由岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总和地质现象的总和喀斯特现象。喀斯特现象。n n注：可溶性岩石大致可分为如下三大类：注：可溶性岩石大致可分为如下三大类：n n碳酸盐类岩石，如石灰岩、白云岩、硅质灰岩和泥灰岩等；碳酸盐类岩石，如石灰岩、白云岩、硅质灰岩和泥灰岩等；n n硫酸盐类岩石，如石膏、硬
6、石膏和芒硝等；硫酸盐类岩石，如石膏、硬石膏和芒硝等；n n卤盐类岩石，如岩盐和钾盐。卤盐类岩石，如岩盐和钾盐。7an n(2)(2)岩溶作用结果岩溶作用结果n n形成地下和地表的各种奇特的地貌现象；地表岩溶有：形成地下和地表的各种奇特的地貌现象；地表岩溶有：石牙、溶沟、石林、岩溶漏斗、峰林、峰丛、溶蚀洼地、石牙、溶沟、石林、岩溶漏斗、峰林、峰丛、溶蚀洼地、孤峰与岩溶平原、盲谷、断头河、落水洞等。地下岩溶主孤峰与岩溶平原、盲谷、断头河、落水洞等。地下岩溶主要是溶洞和地下暗河。要是溶洞和地下暗河。n n形成特殊的水文地质现象。形成特殊的水文地质现象。8an n(3)(3)作用机理作用机理n n岩溶
7、形成过程中溶蚀作用的机理十分复杂。有地岩溶形成过程中溶蚀作用的机理十分复杂。有地下水和地表水的溶蚀和沉淀、地表水的侵蚀、剥下水和地表水的溶蚀和沉淀、地表水的侵蚀、剥蚀和堆积，地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气蚀和堆积，地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀。地下水的机械潜蚀，冲蚀与堆积。地下的吸蚀。地下水的机械潜蚀，冲蚀与堆积。地下洞穴的重力崩塌，坍塌与堆积等。其中主要为地洞穴的重力崩塌，坍塌与堆积等。其中主要为地表及地下水的溶蚀作用。从工程地质上讲以地下表及地下水的溶蚀作用。从工程地质上讲以地下水对碳酸岩溶蚀作用为主。水对碳酸岩溶蚀作用为主。9an n(4)岩溶发育的基本条件n n具可溶性岩石
8、；具可溶性岩石；n n可溶岩能提供水渗透和运移空间；可溶岩能提供水渗透和运移空间；n n具溶蚀能力的水；具溶蚀能力的水；n n具良好的水循环条件（补给、排泄）。具良好的水循环条件（补给、排泄）。n n注：运动的水流加速岩溶过程，并使碳酸盐岩岩注：运动的水流加速岩溶过程，并使碳酸盐岩岩体产生体产生“ “碳、水、钙碳、水、钙” ”物质循环。物质循环。 10an n(5)(5)气候影响：气候影响：n n它直接影响参与岩溶作用的水的溶蚀能力。控制着岩溶发它直接影响参与岩溶作用的水的溶蚀能力。控制着岩溶发育的类型、速度和规模。主要有：气温、降雨量、降水性育的类型、速度和规模。主要有：气温、降雨量、降水性
9、质、降水季节分配及蒸发量大小的变化。质、降水季节分配及蒸发量大小的变化。n n大气降水和气温的演变过程，提供水源和水流运动的梯度大气降水和气温的演变过程，提供水源和水流运动的梯度场等；场等； 11an n(6)(6)地貌地形的影响地貌地形的影响n n地貌条件是影响地下水循环交替条件的重要因素。地貌条件是影响地下水循环交替条件的重要因素。区域控制地表水文网的发育特点区域控制地表水文网的发育特点控制岩溶发控制岩溶发育的总趋势。育的总趋势。n n岩溶发育具有明显的叠加性和由分水岭至河谷明岩溶发育具有明显的叠加性和由分水岭至河谷明显增强的特征。显增强的特征。n n岩溶发育受可溶岩分布、构造特征和构造线
10、方向岩溶发育受可溶岩分布、构造特征和构造线方向控制。控制。 12a(7)地质构造的影响n n1）断裂； 断裂构造破坏了岩层的完整性，断层带附近断裂构造破坏了岩层的完整性，断层带附近岩石破碎，节理裂隙特别发育，极利于岩溶水的岩石破碎，节理裂隙特别发育，极利于岩溶水的循环及溶蚀作用的进行，岩溶常沿各种断层带发循环及溶蚀作用的进行，岩溶常沿各种断层带发育。育。 正断层带通常岩溶很发育、逆断层带岩溶一正断层带通常岩溶很发育、逆断层带岩溶一般不发育，通常上盘比下盘发育；在节理裂隙的般不发育，通常上盘比下盘发育；在节理裂隙的交叉处或密集带，岩溶易发育。交叉处或密集带，岩溶易发育。13an n2) 褶皱；
11、褶皱轴部岩溶一般较发育，单斜岩层岩溶一褶皱轴部岩溶一般较发育，单斜岩层岩溶一般顺层面发育。地层不对称的褶皱中，陡的一翼般顺层面发育。地层不对称的褶皱中，陡的一翼较缓的一翼发育。较缓的一翼发育。n n各种岩层产状条件下岩溶发育特点：各种岩层产状条件下岩溶发育特点： 产状水平或缓倾的可溶岩，其上为非可溶产状水平或缓倾的可溶岩，其上为非可溶岩时，岩溶一般不发育；其下为非可溶岩时，接岩时，岩溶一般不发育；其下为非可溶岩时，接触面上部岩溶一般发育；陡倾的可溶岩，上覆与触面上部岩溶一般发育；陡倾的可溶岩，上覆与下伏为非可溶岩时，上下接触带处岩溶发育。下伏为非可溶岩时，上下接触带处岩溶发育。14an n3)
12、 岩层组合特征影响。n n 厚而纯的碳酸盐岩，有利于形成岩溶。n n 可溶性差的碳酸盐岩，不利于形成岩溶。n n 碳酸盐岩夹非可溶岩。n n 碳酸盐岩与非可溶岩石互层。15an n（8 8）构造运动的影响）构造运动的影响n n 稳定期：侵蚀基准面（地下水位置）稳定，岩稳定期：侵蚀基准面（地下水位置）稳定，岩溶发育形成水平岩溶系统。溶发育形成水平岩溶系统。 n n 地壳上升：地下水下降，侵蚀基准面下降；侧地壳上升：地下水下降，侵蚀基准面下降；侧向岩溶弱，岩溶以垂直发育为主向岩溶弱，岩溶以垂直发育为主 。n n 地壳下降：地下水循环交替好，岩溶减弱。可地壳下降：地下水循环交替好，岩溶减弱。可能造成
13、垂直、水平向发育岩溶叠加，比较复杂。能造成垂直、水平向发育岩溶叠加，比较复杂。 16an n(9)(9)岩溶发育的三个阶段岩溶发育的三个阶段n n1) 1) 形成阶段：只要满足前述洞穴发育的四个基本条形成阶段：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。法进入，主要表现为溶蚀现象。n n2) 2) 发展阶段：随着参与洞穴发育的水流流量、流速发展阶段：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
14、，发展成为具有一定规的增加，洞穴空间逐渐扩大，发展成为具有一定规模的通道系统，主要表现为溶洞和地下暗河。模的通道系统，主要表现为溶洞和地下暗河。n n3) 3) 衰亡阶段：由于地壳抬升，洞穴逐渐脱离地下水衰亡阶段：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。量发育，洞穴空间逐步壅塞减小。17an n(10)(10)岩溶区稳定程度评价岩溶区稳定程度评价n n一般依据地面塌陷情况或地表形成的漏斗数目作一般依
15、据地面塌陷情况或地表形成的漏斗数目作为评价稳定性依据。为评价稳定性依据。n n极稳定地段：极稳定地段：5050年内未发生塌陷或漏斗。年内未发生塌陷或漏斗。n n稳定地段：稳定地段：20205050年内只有一塌陷或漏斗年内只有一塌陷或漏斗/KM/KM。n n中等稳定地段：中等稳定地段：1 12020年内只有一塌陷或漏斗年内只有一塌陷或漏斗/KM/KM。n n不稳定地段：每年不稳定地段：每年1 15 5个坍塌或漏斗个坍塌或漏斗/KM/KM。n n极不稳定地段：一年内极不稳定地段：一年内5-105-10个坍塌或漏斗个坍塌或漏斗/KM/KM。18a2、岩溶地区的工程地质问题n n与岩溶有关的的工程地质
16、问题有：与岩溶有关的的工程地质问题有：n n 可溶岩石强度的降低对地基稳定性影响。可溶岩石强度的降低对地基稳定性影响。n n 地表岩溶现象：溶沟、石芽、溶蚀漏斗等。地表岩溶现象：溶沟、石芽、溶蚀漏斗等。n n 地下水岩溶现象：溶洞、溶蚀裂隙、暗河等。地下水岩溶现象：溶洞、溶蚀裂隙、暗河等。n n 岩溶地区修建地下工程设施的安全稳定性。岩溶地区修建地下工程设施的安全稳定性。n n 岩溶地区地下水开采对环境的影响。岩溶地区地下水开采对环境的影响。n n 岩溶地区由于岩溶化作用堆积物上的不均匀沉岩溶地区由于岩溶化作用堆积物上的不均匀沉降问题降问题, ,引起建筑物地基变形破坏：如地基承载力引起建筑物地基变形破坏：如地基承载力不足、地基石不均匀沉降、地基滑动、地表塌陷不足、地基石不均匀沉降、地基滑动、地表塌陷等。等。19a3、岩溶对隧道的危害主要有四种类型n n1 1）洞穴的存在使隧道全部或部分悬空，将极大地）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；降低隧道的使用安全可靠度；n n2 2）岩溶水特别是当）岩溶水特别是当CO3-CO3-等可溶性物质含量增高等可溶性物质含量
