谈岩溶隧道突水与防治

张 高 青

(河北工程大学，河北 邯郸 056038)



谈岩溶隧道突水与防治

张 高 青

(河北工程大学，河北 邯郸 056038)

简要概括了岩溶的定义，从地质、气象、施工三方面，分析了影响岩溶隧道突水的主要因素，论述了岩溶隧道突水造成的危害，提出了岩溶隧道突水的预防与治理措施，为岩溶隧道突水防治提供理论依据。

岩溶隧道，突水灾害，地质预报

0 引言

我国的碳酸盐层分布较广，仅露出地表就接近我国国土面积的1/10，若再加地下熔岩所占面积，则能达到我国国土面积的1/3。据统计，我国已建成的岩溶隧道中，几乎不同程度的遭受了恶劣地下水的危害，因此对岩溶隧道突水的原因与防治的研究具有重要意义。

1 岩溶的定义与涌突水的类型

1.1 岩溶的定义

岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层(硫酸盐石、碳酸盐石、卤酸物类等)进行化学侵蚀、冲蚀、崩解和机械破坏、搬运、堆积与沉积等作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。

1.2 涌突水的类型

通过相关理论、工程实例和岩溶涌突水现象观察分析后知，岩溶地下水的运动具有一定规律。隧道突水可分为五种类型，为溶系型、脉管型、管道型、溶洞型、暗河型。一般情况下，前两种类型的宽度、水量及水压较小，发生涌突水的几率和危害性都较小。后三种类型的出水量和水压一般较高，容易发生突水且危害性很大。

2 影响岩溶突水的主要因素

2.1 地质原因

岩溶在满足一定的发育条件时，即会发生岩溶作用。具有溶蚀能力的水，首先沿缝隙进入岩石的内部，不断的进行溶蚀循环，这导致缝隙逐步扩大进而转变为裂隙，裂隙继续发展会形成岩溶管道，再继续发展会形成溶洞。岩溶水具有流量大、分布不均和流速快等特点。由地质因素导致发生突水现象的地形一般包括以下四种类型：1)可溶性岩石向斜核部及背斜翼部；2)断层破碎处；3)可溶岩与非可溶岩接触面，以及碳酸盐岩层间滑动带；4)其他各类含水或水体的构造围岩。

2.2 气象原因

岩溶作用可涉及到气、液、固三相体系的化学平衡，气温、降雨量及降雨强度等气象原因可轻易的改变三者的平衡，从而发生突水现象。一般来说，当温度较低时，具有溶蚀能力的水与岩层反应较慢，岩溶作用不明显。当温度升高时，水的溶蚀性增强、水流速度加快，导致岩溶作用加强。当降雨量突增时，水的渗透量及水的运动交替受到影响，大量地表水转化为岩溶水，水位上升，水压变大，而且水中形成游离的CO2，这些因素都极易造成隧道发生突水。

2.3 施工原因

隧道施工影响了岩层的自然平衡状态，形成了临空面，改变了隧道周边的水流梯度并形成松散圈，这加剧了原有裂隙的扩大、新裂隙的形成以及水循环速度的加快，当围岩应力达到极限后，就会发生突水现象。一般来说，因施工原因导致的涌突水现象包括以下三个方面：隧道开挖直接导致的涌突水、隧道开挖间接导致的涌突水以及隧道开挖后的涌突水。

3 岩溶隧道突水的危害

隧道突水灾害严重危及隧道的施工安全(如图1所示)，减缓施工的进度，给人们的生产、生活带来重大影响，并且常常造成重大人员伤亡事故。

3.1 造成重大人员伤亡事故

尽管国内外进行了大量的研究，但由于岩溶问题的复杂性及相关技术依旧比较滞后的原因，在隧道施工中，经常造成人员伤亡(如图2所示)。如现存最大的陆地铁路隧道——勒奇山隧道，其因塌方造成了人员伤亡。

3.2 造成财产损失

隧道发生突水灾害，无论是在施工中造成的事故或在完工后隧道的治理与维护时都会浪费大量的财富。如马鹿箐隧道(见图3)，由于其地质极为复杂，岩溶发育强烈，地下暗河、岩溶高压富水溶腔等不良地质，施工中发生突水灾害，虽然由于及时的预警和抢救，洞内140人安全撤离，但仍然导致大量器械损毁，财产损失严重。再如沙马拉达隧道，仅后期的维护治理就花费近千万元。

3.3 造成工期延长

隧道突水肯定会影响施工的进度，甚至造成长期停工，使隧道建设无法按时完工。如日本的旧丹那隧道，1918年开工，因不断发生突水灾害导致其1934年才完工。我国青函隧道，因四次大量突水使工期延长近10年。

4 岩溶突水的预防与治理

4.1 岩溶突水的预防

在隧道施工过程中，应十分重视隧道突水的预防工作，采用合理的地质超前预报技术，避开高富水、破碎断层等一些不良区段，能有效的减少甚至避免岩溶隧道突水带来的危害。超前地质预报一般有以下三种形式。

4.1.1 长距离超前地质预报

长距离超前地质预报一般探测掌子面前方100 m～150 m，目前主要采用TSP法。TSP系统是利用一个小型的爆破装置发出地震波，当地震波在岩体中传播时，遇到不同的断面会不同程度的反射一部分地震波，被检波器接受分析，从而探测出前方的地质构造。由于TSP系统探测距离远，探测结果准确且费用不高，从而受到国内外的推崇。我国从1996年首次引进并多次实验性预报到之后的云南元磨高速公路隧道的实际应用都取得了较好的效果，到如今TSP系统的应用已经比较完善。

4.1.2 短距离地质预报

短距离地质预报精度较高，但预测距离较短，一般包括以下两种方法：1)红外线法，这种方法主要根据隧道围岩发出的红外线的不同从而确定围岩内部及表面性质。因此方法速度快、效率高、准确性好，所以受到广泛应用。2)地质素描法，此方法以施工时掌子面前方已探测出的地质情况为依据，来推测前方有无不良

地质体，其费用较低，预测效果较好。

4.1.3 超前水平钻探

超前水平钻探主要通过分析钻进速度、钻孔回水颜色及岩体结构等信息来进行预测。因其探测方法直接，预测结果非常准确而成为隧道施工中的常用方法。

4.2 岩溶突水的治理原则

4.2.1 排堵结合

在我国隧道建设发展的过程中，是“排”还是“堵”一直是人们争议的话题。无限制的排水虽然简单、快捷、成本低，但是往往不能从根本上解决岩溶隧道突水，若遇到连续暴雨天气，隧道容易再次发生突水，而且无节制的排水会造成地表塌陷、水资源减少与污染、破坏周围环境。单纯的堵水不仅费用很高，而且往往不能解决问题。所以，应采用排堵结合的治理方案，综合考虑突水量大小、所含泥沙程度及对隧道运营安全和环境的影响，将排水和堵水结合起来。

4.2.2 分区治理

根据隧道周边的地质情况、突水原因、突水量大小等因素，将岩溶隧道分成不同的区段，从而进行更加针对性的治理。如遇到富水的破碎围岩或位置较浅的断层破碎带的区段，因其地下水量和地下水压力较小，而采用以排为主、局部封堵的治理方案。当遇到对环境反应敏感的区段，则采用全断面帷幕注浆等方法来减少地下水的排放。

4.2.3 信息化施工、重视监测

随着科技的发展，一些便捷、高效率的仪器不断投入应用，利用这些先进技术可轻松的对隧道内的情况进行监测，尤其是封堵段，应不断对其进行跟踪监测，防止其再次发生突水。

5 结语

我国的岩溶分布面积很大，岩溶隧道突水的研究对人们的生产生活及社会发展具有重要意义。在岩溶隧道施工中，突水灾害的预防工作及其重要，准确的探测结果可以避免人员的伤亡、财产的损失及施工延期等危害。发生突水灾害后，应坚持排堵结合、分区治理和信息化施工、重视监测等原则。

[1] 王遇国.岩溶隧道突水灾害与防治研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2010.

[2] 张 炜，李治国，王全胜.岩溶隧道突水原因分析及治理技术探讨[J].隧道建设，2008,28(3)：1-6.

[3] 干昆蓉，杨 毅，李建设.某隧道岩溶突水机理分析及安全岩墙厚度的确定[J].隧道建设，2007,27(3)：1-3.

[4] 马 栋.深埋岩溶对隧道安全影响分析及处治技术研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[5] 谢 举.岩溶隧道施工突水突变机理与防治对策研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[6] 刘招伟，何满潮，王树仁.圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策研究[J].岩土力学，2006,27(2)：1-5.

Discussion on karst tunnel water inrush and prevention

Zhang Gaoqing

(HebeiUniversityofEngineering,Handan056038,China)

This paper briefly generalized the definition of karst, from the geology, meteorology, construction three aspects, analyzed the main factors influence of karst tunnel water inrush, discussed the disasters caused by karst tunnel water inrush, put forward the prevention and treatment measures of karst tunnel water inrush, provided theoretical basis for prevention and control of karst tunnel water inrush.

karst tunnel, water inrush disaster, geological forecast

1009-6825(2016)11-0194-02

2016-01-28

张高青(1981- )，男，助教

U453.61

A