摘要:吉茶高速公路巖溶發(fā)育,如何確定巖溶區(qū)域圍巖級別及隧道襯砌結(jié)構(gòu)設計、巖溶處置措施是在設計階段應該考慮的問題,本文介紹了作者在吉茶路巖溶區(qū)域隧道勘察設計期間得出的一點個人觀點。
關(guān)鍵詞:隧道工程 圍巖定級 對比分析 巖溶
引言
在石灰?guī)r地區(qū)修建高速公路時,巖溶問題是不容忽視的。巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層經(jīng)過化學作用和機械破壞作用而形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。此區(qū)域的隧道建設應考慮巖溶的危害,評價其影響程度,才能決定合適的襯砌結(jié)構(gòu)形式和溶洞處理措施。
1、巖溶區(qū)域隧道圍巖分級的思考
1.1隧道圍巖分級的一般思考
圍巖分級是將隧道圍巖穩(wěn)定性等級由好到壞分為Ⅰ-Ⅵ六級,采用定性、定量、定性與定量相結(jié)合的3種方法進行。由于規(guī)范沒有對巖溶影響設置專門的條文,石灰?guī)r地區(qū)在確定隧道圍巖分級時,如何考慮巖溶作用受主觀認識影響較大。
通常情況下,隧道襯砌結(jié)構(gòu)設計是根據(jù)圍巖級別、使用要求和施工條件來考慮的,通過工程類比和結(jié)構(gòu)計算綜合分析確定。不同級別的圍巖對應的隧道初期支護參數(shù)和二次襯砌的支護參數(shù)是不同的,往往圍巖的一個級別差異對應隧道延米工程造價的差異達萬元以上,合理確定隧道圍巖級別是控制隧道工程投資的關(guān)鍵因素。
1.2巖溶地區(qū)隧道圍巖分級要考慮的因素
如何定性考慮巖溶對隧道圍巖級別的影響,筆者認為先要明確巖溶的發(fā)育的階段和巖溶目前對隧道的危害程度。
巖溶的形成必須具備四個基本條件:即可溶性巖石、可溶巖能提供水滲透和運移空間、具有溶蝕能力的水流、水流必須具有流動性。巖溶的發(fā)育演化一般可劃分為如下三個階段:
1)形成階段:只要滿足前述洞穴發(fā)育的四個基本條件,即可開始形成洞穴。在這個洞穴形成的初期階段,洞穴空間規(guī)模一般較小,多呈孔隙狀,人們無法進入,主要表現(xiàn)為溶蝕現(xiàn)象。
2)發(fā)展階段:隨著參與洞穴發(fā)育的水流流量流速的增加,洞穴空間逐漸擴大,發(fā)展成為人能進入具有一定規(guī)模的通道系統(tǒng),主要表現(xiàn)為溶洞和地下暗河。
3)衰亡階段:由于地殼抬升,洞穴逐漸脫離地下水位進入包氣帶,失去了進一步發(fā)展的動力條件,主要表現(xiàn)為崩塌現(xiàn)象顯著,鐘乳石類次生化學沉積大量發(fā)育,洞穴空間逐步壅塞減小。
巖溶對隧道的危害主要分為四種類型:
1)洞穴的存在使隧道全部或部分懸空,將極大地降低隧道的使用安全可靠度;
2)巖溶水特別是當CO3等可溶性物質(zhì)含量增高時,水的流通將給隧道結(jié)構(gòu)帶來的侵蝕作用,影響隧道的使用壽命;
3)洞穴堆積物因松軟易坍塌下沉,改變洞穴周邊的應力分布形態(tài),影響隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;
4)隧道中地下水流失,使隧道頂部地面巖溶塌陷,導致環(huán)境地質(zhì)被破壞,也是造成隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因。
1.3巖溶地區(qū)圍巖分級建議
對于主要處于形成階段的巖溶,由于其對巖石的整體穩(wěn)定性影響小,基本可以不考慮影響,主體圍巖是幾級就可劃定為幾級,但是應在地質(zhì)文件中指出其范圍,并做適當描述。
對于發(fā)展階段的巖溶,如果隧道與其大型地下洞室相交或地下暗河相交,就不能按常規(guī)辦法確定圍巖級別,只能指出溶洞(暗河)與隧道相交長度及其大小而不能分類,因為標準的襯砌結(jié)構(gòu)是無法適用于千變?nèi)f化的溶洞形態(tài)的,但是靠近溶洞、暗河區(qū)域,在圍巖分級上應考慮其影響在適當長度范圍調(diào)整圍巖級別。
對于衰亡階段的巖溶,基本原則同發(fā)展階段的巖溶,如果隧洞在洞穴堆積物中通過距離較長,性質(zhì)較單一,也可定為Ⅵ級圍巖,Ⅵ級圍巖的結(jié)構(gòu)襯砌設計、施工方案只能是初步設計,應通過實驗、小范圍驗證才可鋪開實施。
2、巖溶地區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設計思考
2.1巖溶地區(qū)隧道一般襯砌結(jié)構(gòu)特點
巖溶地區(qū)隧道一般襯砌結(jié)構(gòu)宜應按巖溶處于形成階段來考慮,施工中雖然可能遇到各式各樣的小溶溝、小溶槽,但是對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅,不需要調(diào)整隧道襯砌設計參數(shù),只需要進行局部地段的小溝槽充填物清除、同時增加少量回填工程量及過水管道的設置。
隧道遭遇到小溶溝、小溶槽時所增加的工程數(shù)量可以在設計期間大致估算出一個基本范圍,工程量出入不會很大。
2.2巖溶地區(qū)隧道一般襯砌結(jié)構(gòu)要注意的問題
要考慮巖溶的發(fā)展性、地下水流的腐蝕性這兩個主要因素。
雖然巖溶的發(fā)展變化十分緩慢,但究竟在發(fā)展,隧道設計如果不根據(jù)已有存在的溶蝕現(xiàn)象預留適當?shù)倪^水管道,而是強行用襯砌阻斷水源,可能使襯砌結(jié)構(gòu)承受額外水壓,導致結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)降低,這點要有充分認識。
同時地下水含中CO2濃度較大,具有較強的腐蝕性,隧道初期支護必須考慮防腐蝕的問題,采用防腐蝕混凝土材料,隧道防水層材料也要相應增加檢測指標,保證在CO2飽和濃度下的耐久性。隧道的二次襯砌可不采用防腐蝕混凝土,但是洞內(nèi)用于排除圍巖滲水的中央水管、水溝也須有防腐蝕考慮。
2.3隧道特殊襯砌結(jié)構(gòu)
有資料表明,當溶洞不具有坍塌條件的完整頂板,其厚度大于等于洞跨度的1/2時或當溶洞節(jié)理裂隙發(fā)育,且膠結(jié)不良,具有坍塌條件的不完整頂板,其厚度大于等于洞高度的5倍時且無明顯滲、漏水的情況下可以不處理而直接通過該溶洞。換個說法就是此時洞內(nèi)采用路基或橋梁方案過溶洞,而不需要施作初期支護和二次襯砌,可稱為洞內(nèi)無襯砌結(jié)構(gòu)。
采用無襯砌結(jié)構(gòu)時,發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)存在明顯滲、漏水情況時,應考慮棚洞或明洞結(jié)構(gòu),用以保護溶洞內(nèi)道路行車安全。
3、巖溶地區(qū)隧道溶洞處理
3.1溶洞處置的主要原則
隧道遭遇到發(fā)展和衰亡階段的巖溶中的大型溶洞、暗河時,應逐個溶洞逐個處理,不必要尋找標準的設計,設計中的通用原則為確保隧道的襯砌結(jié)構(gòu)有足夠的安全保證、在可預見期內(nèi)洞穴的穩(wěn)定性有保證、原有水流通道不會被阻斷、方案比較經(jīng)濟適用。
3.2溶洞處理主要方式
隧道過溶洞處置方式有內(nèi)增設邊墻梁及行車梁、托梁、支墩、懸壁梁承托縱梁、拱橋、加大隧道凈空寬度跨度跨越巖溶或?qū)λ淼乐苓厧r體進行封閉、注漿加固、支頂加固、加強襯砌等。
3.2.1溶洞跨越處理
當溶洞規(guī)模較大、溶洞內(nèi)充填物松軟,基礎(chǔ)處理工程修建困難、耗資巨大,或者溶洞雖小但水流較大時,可根據(jù)具體條件采用相應的梁跨、板跨等形式跨越巖溶地段。
此方式一般采用鋼筋混凝土梁跨越,梁體采用抗侵蝕混凝土。當隧道襯砌斷面需要開挖圍巖才能滿足凈空要求時,應先開挖圍巖,再施工跨越結(jié)構(gòu),以確保安全,同時應注意不同受力結(jié)構(gòu)間的斷縫設置及連接措施設置。
3.2.2封閉處理
已停止發(fā)育的干溶洞,在考慮有效的過水通道后,可采用混凝土、漿砌片石或干砌片石堵塞、充填溶洞。
3.2.3錨桿、鋼管加固處理
為防止洞穴巖壁或頂板坍塌,在清除松動巖石困難的情況下,可采用錨桿或大鋼管、鋼軌加固巖體。此時隧道襯砌應考慮抗沖擊措施,一般是采用明洞襯砌,襯砌頂部設置回填體,其表面設置護面結(jié)構(gòu),回填體以上空間的溶洞洞壁采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土封閉支護;若溶洞較大,可設置橫向鋼軌橫或設人字形鋼軌柵架。
3.2.4支頂處理
當隧道穿過的溶洞由碎、塊石及淤泥土充填,充填物的松散密實程度不一時,隧道底部應考慮采用鋼筋混凝土底板,清除底板下松散體,回填碎石,并在底板下加設鋼筋混凝土樁進行支頂。
4.巖溶水處理的思考
4.1巖溶水的處理原則
對巖溶水的處理通常原則是以“排”為主,截、堵、排、防相結(jié)合的綜合處理措施,筆者認為應該是以“通”為主,截、排、堵相結(jié)合的綜合處理措施。“通”是指盡量保持原有過水通道,不能因為隧道的修建發(fā)生大的變化:“截”是指截斷原有地下水通道,改走其他通道:“堵”是封死相交的地下水通道:“排”是特指引入隧洞,通過排水溝排走:“防”是指防止地下水進入隧道即可。
巖溶水處理的較大工程措施有泄水洞和涵洞兩類,采用泄水洞排水屬于“排”和“截”的范圍,采用涵洞過水屬于“通”和“截”的范圍。
4.2泄水洞排水
當預測到隧道區(qū)域的巖溶水量大、水壓大,而隧道確實無法避開時,需考慮專門設置排水隧洞,達到排除巖溶水,降低地下水位,保持隧道干燥和施工安全的目的。
泄水洞應位于地下水來向的一側(cè),為防止巖溶水突然襲擊,施工中要采用超前鉆孔探測,預備足夠的抽水設備。泄水洞的設置可能對生態(tài)環(huán)境有不利影響,是否采用應從施工、環(huán)保、安全等多方面進行評價,以保證方案考慮周全,成本最低。
4.3涵洞、倒虹管吸過水
隧道斷面與巖溶水相交時,為保證巖溶水暢通,在隧道底部設鋼筋混凝土圓涵,或倒虹管,同時涵洞出入口周邊至隧道邊墻外緣采用漿砌片石回填密實。
在采用此方案時要正確考慮涵洞過水斷面,一般應按豐水季節(jié)流量考慮。
5、其他要考慮的問題
5.1洞穴堆積物及地表塌陷處置
洞穴堆積物的特點是松軟、下沉量大、強度低、穩(wěn)定性差。當隧道必須穿越洞穴堆積物地段時,可采用樁基、換填、注漿等加固巖體的處理措施。
隧道中地下水滲流排泄,導致巖溶地面塌陷,使地質(zhì)環(huán)境遭到破壞,造成隧道開挖時坍方、涌水、涌砂及突泥等危害。隧道通過巖溶地段時的地面塌陷形成過程和突然發(fā)生所參與的力是相當復雜的。施工中可采用化學注漿和管棚支撐開挖,同時從地表高壓注漿,固結(jié)塌陷松散體,避免出現(xiàn)突泥現(xiàn)象。
5.2設計階段工程量估算
要準確估算隧道遭遇大型溶溝、溶槽時的工程量是困難的,不同的溶洞形態(tài)、位置有不同的方案,各方案的工程量差異很大,這些只能在工程的預備費用中考慮。
如果在隧道勘察階段已經(jīng)明確可知隧道必然遭遇到的大型溶洞數(shù)量、類型及位置,可提前進行預設計,盡可能使工程量估算有個參考范圍,作為調(diào)整預備費用費率的參考。
6、結(jié)語
在巖溶發(fā)育地區(qū)進行隧道勘察設計時,合理確定巖溶的發(fā)展階段、圍巖級別、規(guī)劃溶洞處置方案,對控制工程量,控制投資是必不可少的。公路隧道由于開挖斷面大,溶洞影響區(qū)域大,具體的溶洞處置施工方案應該在挖開后采用確定。