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摘要:本文通过结合作者的实际工作经验及对岩溶地区隧道设计进行了分析，提出了在岩溶地区隧道设计的必须注意的几个方面
关键词:岩溶地区；隧道设计
Abstract: This paper combine with the practical work experience, analyzes the tunnel design of the karst area, the proposed design must pay attention to several aspects of the tunnel in the karst regionKey words: karst areas; tunnel design
中图分类号TU2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
做好岩溶地区隧道设计,就能更好的为岩溶地区隧道施工的打下结实的基础。
1 岩溶地区隧道围岩的类别
1.1 岩溶地区围岩分类的建议
由于处于形成阶段的岩溶对岩石整体稳定性的影响较小,因此基本可以忽略不计,可以按照主体围岩等级直接划定,但要指出其在地质文件中的范围并适当进行描述。对于发展阶段的岩溶,若隧道与大型地下洞室交错,仅能指出隧道与溶洞相交的长度及其大小,不要分级,但是靠近暗河区域、溶洞,在进行围岩分级时要考虑其影响在一定长度范围调整围岩级别。对于衰亡阶段的岩溶,和发展阶段的基本原则一样,若隧洞通过距离在洞穴堆积物中较长,性质单一,可以定为Ⅳ级围岩,Ⅳ围岩就是施工方案、结构衬砌设计只能是初步设计,只有通过小范围验证、实验铺开后才能实施。
1.2 分类考虑的因素
为了了解岩溶对隧道围岩级别的影响,首先要了解岩溶存在的整个过程和岩溶对隧道的危害类型。通常,岩溶存在的整个过程可分为三个阶段:主要表现为溶蚀现象的形成阶段;主要表现为地下暗河和溶洞的发展阶段；主要表现为钟乳石类次生化学沉积大量发育、崩塌、洞穴空间逐步壅塞变小。
岩溶对隧道的危害主要有四种类型:隧道中地下水流失,导致造成隧道结构不稳定的隧道顶部地面岩溶塌陷；洞穴堆积物由于松软容易坍塌沉陷,直接导致洞穴周围的应力分布形态发生变化,破坏了隧道的稳定结构；岩溶水中的可溶性物质含量升高,隧道结构由于水的流通受到侵蚀,减短了隧道的使用时间,洞穴的存在导致隧道部分或全部悬空,给隧道的安全性带来了挑战。
2 岩溶地区隧道衬砌结构设计
2.1 一般衬砌结构注意的问题
要考虑地下水流腐蚀性、岩溶的发展性这两个重要因素。虽然岩溶的生长过程很慢,但还是在慢慢生长,如果不按照已有存在的溶蚀现象在隧道设计时预留一定的过水管道,却强行用衬砌阻断水源,衬砌结构可能就会承受额外的水压,结构的安全系数可能导致降低。
如果地下水中的CO₂浓度很大,就具备了很强的腐蚀性,这样防腐蚀的问题一定要在隧道初期支护时考虑,可以用防腐蚀砼材料,相应的对防水层材料的检测指标增加,使耐久性在CO₂饱和浓度下得到保证。隧道的二次衬砌可以少用防腐蚀砼,但是一定要考虑洞内用于排除围岩渗水的中央水管、水沟。
2.2 隧道特殊衬砌结构
资料表明,当溶洞不具备坍塌条件的完整顶板厚度大于或等于洞跨度的一半时,或者当溶洞节理裂隙发育,且胶结不良,或者具有坍塌条件的不完整顶板,其厚度大于或等于五倍洞高且没有明显的渗、漏水的情况下,可以直接通过这个溶洞而不对其进行处理,也就是洞内不作二次衬砌和衬砌支护,而是采用桥梁方案或路基过溶洞,这也可以称为洞内无衬砌结构。采用无衬砌结构时,如果发现洞内有明显的漏水、渗水现象,要考虑明洞或棚洞结构,这样可以对溶洞内道路行车的安全进行保护。
3 岩溶地区隧道溶洞处理
3.1 处置溶洞的主要原则
修建隧道时,如果碰到了处于发展阶段和衰亡阶段的岩溶中的大型暗河、溶洞,没有必要寻找设计标准,要逐个对溶洞进行处理。保证隧道的衬砌结构具备一定的安全性、保证在能偶预测范围内洞穴的稳定性、方案经济合理、原来有的水道通道不被阻断。
3.2 溶洞处理的主要方式
隧道经过溶洞时的处理方式主要有跨越岩溶、加大隧道净空宽度跨度、承托纵梁、支墩、行车梁、拱桥、对隧道周围岩体进行加固、封闭、衬砌加强等。
3.2.1 溶洞跨越处理
当遇到溶洞很小但有较大水流,基本工程修建困难、花费巨大,而溶洞又比较大、溶洞内填充物柔软松动情况时,跨越溶岩地段可以按照具体情况采取相应的合理的板跨、梁跨等形式。这种情况一般使用钢筋混凝土梁跨越,用抗侵蚀砼的梁体。如果为了符合净空需要,必须要对隧道衬砌断面进行围岩开挖,为了保证安全,要先开挖围岩,再对跨越结构进行施工。
3.2.2 封闭处理
在对已经不再生长的干溶洞考虑有效的过水通道以后,可以使用干砌片石、浆砌片石、砼等对溶洞进行充填、堵塞。
3.2.3 钢管、锚杆的加固
为了避免顶板或洞穴岩壁发生坍塌,而对松动的岩石进行清除又比较困难时,可以采用钢轨、大钢管、锚杆对岩体进行加固。这时要对隧道衬砌考虑抗冲击的方法,一般使用明洞衬砌,衬砌表面设置护面结构,顶部设置回填体,回填体上面空间的溶洞洞壁使用喷射砼、钢筋网、锚杆封闭支护,如果溶洞比较大,可以设置人字形钢轨栅架。
4 岩溶水处理
4.1 岩溶水的处理原则
通常在对岩溶水进行处理时采用以“排”为主,防、堵、排、截相结合的综合处理原则,但是,根据目前岩溶隧道施工的情况及其施工后的使用情况,采用以“通”为主,堵、截、防、排相结合的综合处理原则比较适合。“通”,就是尽可能保持原来已有的过水通道,不能在进行隧道修建时有大幅度的改变;“堵”,就是封死小脚的地下水通道;“截”,就是将原有地下水通道截断,而通过其它通道流走;“防”,就是避免地下水进入隧道;“排”,就是引入隧道,通过排水沟排走。涵洞和泄水洞是岩溶水处理的两种工程措施,采用涵洞過水是“通”和“截”的范围,采用泄水洞排水是“排”和
“截”的范围。
4.2 泄水洞排水
当遇到或预感到隧道周围的岩溶水量较大、水压也大,但隧道又没办法避免时,为了实现岩溶水的排除,减低地下水位,保持隧道的施工安全和隧道干燥的目的,可以考虑设置专门排水隧洞。泄水洞要处于地下水来向的一侧。施工中探测可以采用超前钻孔,抽水设备要准备充足,来预防岩溶水的突然来袭。为了减少或避免生态环境受到泄水洞的设置产生的破坏作用,要从安全、环保、施工等多角度进行施工评价,以确保考虑周全的方案,且花费最低的费用。
4.3 倒虹管、涵洞吸过水
当岩溶水和隧道断面相交时,在隧道底部设置钢筋混凝土圆涵或倒虹管,并且涵洞出入口周边到隧道边墙外缘利用浆砌片石密实回填,来确保岩溶水的通畅,一般要按照雨水季节的流量进行考虑。
5 其他问题
5.1 地表塌陷及洞穴堆积物处置
注浆、换填、桩基等对岩体进行加固的方法,可以在隧道一定要穿过洞穴堆积物地段时采用。
隧道中地下水的渗流排泄,使岩溶地面出现塌陷,造成开挖隧道时的突泥、涌水、涌砂坍方等危害发生。隧道通过这样的地段,过程是很复杂的。可以在施工中采用管棚支撑或化学注浆开挖,并且从地表高压注浆,对塌陷松动散落进行固结,尽量避免突泥现象的发生。
5.2 估算设计阶段工程量
对隧道遭遇大型溶槽、溶沟时要进行准确估算是很难的,不同的溶洞形态其方案也不同,工程量因方案不同也有很大差异,这些都要在工程的预备费用中考虑。
6 结语
随着我国经济社会的不断发展,人们生活水平的不断提高,对交通的需求越来越多,隧道作为公路建设中一种克服不良地质或难以通过的地理隘口手段,其施工是整个公路施工过程中最难的一部分,而岩溶地区的设计又是隧道施工的根本,做好设计就是为公路隧道的施工打下良好的基础。
参考文献:
[1]康厚荣.岩溶地区公路修筑理论与实践[M].北京:人民交通出版社, 2008.
[2]朱永全.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社, 2007.
[3]朱汉华.隧道预支护原理与施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2008.
[4]林才奎.复杂地质条件下隧道施工安全和保障技术[M].北京:人民交通出版社, 2010.
关键词:岩溶地区；隧道设计
Abstract: This paper combine with the practical work experience, analyzes the tunnel design of the karst area, the proposed design must pay attention to several aspects of the tunnel in the karst regionKey words: karst areas; tunnel design
中图分类号TU2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
做好岩溶地区隧道设计,就能更好的为岩溶地区隧道施工的打下结实的基础。
1 岩溶地区隧道围岩的类别
1.1 岩溶地区围岩分类的建议
由于处于形成阶段的岩溶对岩石整体稳定性的影响较小,因此基本可以忽略不计,可以按照主体围岩等级直接划定,但要指出其在地质文件中的范围并适当进行描述。对于发展阶段的岩溶,若隧道与大型地下洞室交错,仅能指出隧道与溶洞相交的长度及其大小,不要分级,但是靠近暗河区域、溶洞,在进行围岩分级时要考虑其影响在一定长度范围调整围岩级别。对于衰亡阶段的岩溶,和发展阶段的基本原则一样,若隧洞通过距离在洞穴堆积物中较长,性质单一,可以定为Ⅳ级围岩,Ⅳ围岩就是施工方案、结构衬砌设计只能是初步设计,只有通过小范围验证、实验铺开后才能实施。
1.2 分类考虑的因素
为了了解岩溶对隧道围岩级别的影响,首先要了解岩溶存在的整个过程和岩溶对隧道的危害类型。通常,岩溶存在的整个过程可分为三个阶段:主要表现为溶蚀现象的形成阶段;主要表现为地下暗河和溶洞的发展阶段；主要表现为钟乳石类次生化学沉积大量发育、崩塌、洞穴空间逐步壅塞变小。
岩溶对隧道的危害主要有四种类型:隧道中地下水流失,导致造成隧道结构不稳定的隧道顶部地面岩溶塌陷；洞穴堆积物由于松软容易坍塌沉陷,直接导致洞穴周围的应力分布形态发生变化,破坏了隧道的稳定结构；岩溶水中的可溶性物质含量升高,隧道结构由于水的流通受到侵蚀,减短了隧道的使用时间,洞穴的存在导致隧道部分或全部悬空,给隧道的安全性带来了挑战。
2 岩溶地区隧道衬砌结构设计
2.1 一般衬砌结构注意的问题
要考虑地下水流腐蚀性、岩溶的发展性这两个重要因素。虽然岩溶的生长过程很慢,但还是在慢慢生长,如果不按照已有存在的溶蚀现象在隧道设计时预留一定的过水管道,却强行用衬砌阻断水源,衬砌结构可能就会承受额外的水压,结构的安全系数可能导致降低。
如果地下水中的CO₂浓度很大,就具备了很强的腐蚀性,这样防腐蚀的问题一定要在隧道初期支护时考虑,可以用防腐蚀砼材料,相应的对防水层材料的检测指标增加,使耐久性在CO₂饱和浓度下得到保证。隧道的二次衬砌可以少用防腐蚀砼,但是一定要考虑洞内用于排除围岩渗水的中央水管、水沟。
2.2 隧道特殊衬砌结构
资料表明,当溶洞不具备坍塌条件的完整顶板厚度大于或等于洞跨度的一半时,或者当溶洞节理裂隙发育,且胶结不良,或者具有坍塌条件的不完整顶板,其厚度大于或等于五倍洞高且没有明显的渗、漏水的情况下,可以直接通过这个溶洞而不对其进行处理,也就是洞内不作二次衬砌和衬砌支护,而是采用桥梁方案或路基过溶洞,这也可以称为洞内无衬砌结构。采用无衬砌结构时,如果发现洞内有明显的漏水、渗水现象,要考虑明洞或棚洞结构,这样可以对溶洞内道路行车的安全进行保护。
3 岩溶地区隧道溶洞处理
3.1 处置溶洞的主要原则
修建隧道时,如果碰到了处于发展阶段和衰亡阶段的岩溶中的大型暗河、溶洞,没有必要寻找设计标准,要逐个对溶洞进行处理。保证隧道的衬砌结构具备一定的安全性、保证在能偶预测范围内洞穴的稳定性、方案经济合理、原来有的水道通道不被阻断。
3.2 溶洞处理的主要方式
隧道经过溶洞时的处理方式主要有跨越岩溶、加大隧道净空宽度跨度、承托纵梁、支墩、行车梁、拱桥、对隧道周围岩体进行加固、封闭、衬砌加强等。
3.2.1 溶洞跨越处理
当遇到溶洞很小但有较大水流,基本工程修建困难、花费巨大,而溶洞又比较大、溶洞内填充物柔软松动情况时,跨越溶岩地段可以按照具体情况采取相应的合理的板跨、梁跨等形式。这种情况一般使用钢筋混凝土梁跨越,用抗侵蚀砼的梁体。如果为了符合净空需要,必须要对隧道衬砌断面进行围岩开挖,为了保证安全,要先开挖围岩,再对跨越结构进行施工。
3.2.2 封闭处理
在对已经不再生长的干溶洞考虑有效的过水通道以后,可以使用干砌片石、浆砌片石、砼等对溶洞进行充填、堵塞。
3.2.3 钢管、锚杆的加固
为了避免顶板或洞穴岩壁发生坍塌,而对松动的岩石进行清除又比较困难时,可以采用钢轨、大钢管、锚杆对岩体进行加固。这时要对隧道衬砌考虑抗冲击的方法,一般使用明洞衬砌,衬砌表面设置护面结构,顶部设置回填体,回填体上面空间的溶洞洞壁使用喷射砼、钢筋网、锚杆封闭支护,如果溶洞比较大,可以设置人字形钢轨栅架。
4 岩溶水处理
4.1 岩溶水的处理原则
通常在对岩溶水进行处理时采用以“排”为主,防、堵、排、截相结合的综合处理原则,但是,根据目前岩溶隧道施工的情况及其施工后的使用情况,采用以“通”为主,堵、截、防、排相结合的综合处理原则比较适合。“通”,就是尽可能保持原来已有的过水通道,不能在进行隧道修建时有大幅度的改变;“堵”,就是封死小脚的地下水通道;“截”,就是将原有地下水通道截断,而通过其它通道流走;“防”,就是避免地下水进入隧道;“排”,就是引入隧道,通过排水沟排走。涵洞和泄水洞是岩溶水处理的两种工程措施,采用涵洞過水是“通”和“截”的范围,采用泄水洞排水是“排”和
“截”的范围。
4.2 泄水洞排水
当遇到或预感到隧道周围的岩溶水量较大、水压也大,但隧道又没办法避免时,为了实现岩溶水的排除,减低地下水位,保持隧道的施工安全和隧道干燥的目的,可以考虑设置专门排水隧洞。泄水洞要处于地下水来向的一侧。施工中探测可以采用超前钻孔,抽水设备要准备充足,来预防岩溶水的突然来袭。为了减少或避免生态环境受到泄水洞的设置产生的破坏作用,要从安全、环保、施工等多角度进行施工评价,以确保考虑周全的方案,且花费最低的费用。
4.3 倒虹管、涵洞吸过水
当岩溶水和隧道断面相交时,在隧道底部设置钢筋混凝土圆涵或倒虹管,并且涵洞出入口周边到隧道边墙外缘利用浆砌片石密实回填,来确保岩溶水的通畅,一般要按照雨水季节的流量进行考虑。
5 其他问题
5.1 地表塌陷及洞穴堆积物处置
注浆、换填、桩基等对岩体进行加固的方法,可以在隧道一定要穿过洞穴堆积物地段时采用。
隧道中地下水的渗流排泄,使岩溶地面出现塌陷,造成开挖隧道时的突泥、涌水、涌砂坍方等危害发生。隧道通过这样的地段,过程是很复杂的。可以在施工中采用管棚支撑或化学注浆开挖,并且从地表高压注浆,对塌陷松动散落进行固结,尽量避免突泥现象的发生。
5.2 估算设计阶段工程量
对隧道遭遇大型溶槽、溶沟时要进行准确估算是很难的,不同的溶洞形态其方案也不同,工程量因方案不同也有很大差异,这些都要在工程的预备费用中考虑。
6 结语
随着我国经济社会的不断发展,人们生活水平的不断提高,对交通的需求越来越多,隧道作为公路建设中一种克服不良地质或难以通过的地理隘口手段,其施工是整个公路施工过程中最难的一部分,而岩溶地区的设计又是隧道施工的根本,做好设计就是为公路隧道的施工打下良好的基础。
参考文献:
[1]康厚荣.岩溶地区公路修筑理论与实践[M].北京:人民交通出版社, 2008.
[2]朱永全.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社, 2007.
[3]朱汉华.隧道预支护原理与施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2008.
[4]林才奎.复杂地质条件下隧道施工安全和保障技术[M].北京:人民交通出版社, 2010.