基于地质环境保护的岩溶隧道施工技术研究进展

王阅章 李鸣 宿成智 张立爽 闫少泽

摘  要：岩溶隧址区一般地下水及地面补给水量丰富，在隧道周围常常有落水洞，地下漏斗;地下暗河发育。因此，当隧道在下方穿过时一方面造成了施工难度加大，另一方面因排水造成地质环境遭到破坏，例如地下水位降低，植被枯死，地裂缝开展，地面塌陷等。本文总结了基于地質环境保护的隧道研究的成果，从岩溶发育的条件，岩溶隧道的特点，地面塌陷，地下水，植被等方面进行了总结。针对现有研究的不足提出了未来研究的内容和方向。

关键词：岩溶  隧道  地面塌陷  地下水  植被保护

中图分类号：U455                              文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）11（c）-0012-03

Research Progress of Karst Tunnel Construction Technology Based on Geological Environment Protection

WANG Yuezhang  LI Ming  SU Chengzhi  ZHANG Lishuang  YAN Shaoze

（Zhongjiao Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Beijing， 101121 China）

Abstract： Karst tunnel site area generally has abundant groundwater and surface recharge water， and there are often falling-water holes and underground funnels around the tunnel. Underground river development. Therefore， when the tunnel passes under， on the one hand， the construction is more difficult， and on the other hand， the geological environment is damaged due to drainage， such as the reduction of underground water level， the death of vegetation， the development of ground cracks， ground collapse and so on. This paper summarizes the research results of tunnel based on geological environment protection， and summarizes the conditions of karst development， characteristics of karst tunnel， ground collapse， groundwater， vegetation and other aspects. The content and direction of future research are proposed in view of the deficiency of existing research.

Key Words： Karst; Tunnel; Surface collapse; Groundwater; Vegetation protection

随着西部大开发的实施，我国交通网络建设重点朝着西部转移。我国的公路隧道，铁路隧道长度已经是世界上总长度最多的国家，已经是名副其实的隧道大国[1]。有数据表明，到2017年底，我国公路隧道总里程达到15285km，铁路隧道达到15326km[2]。隧道由于自身的受力以及位置特点，决定了其从设计，施工，运营都处于一个复杂的条件之中。尤其在西南地区，地质条件尤为复杂，山体较高，岩层倾角大，地下水发育，有可溶性的碳酸盐，经过长期的冲刷，沉积，在山体中形成了较多的溶洞和落水洞。根据社会的发展需要，目前隧道都是双洞开挖，因此开挖面积较大。在隧道开挖过程中，在有岩溶及落水洞的地区，很容易发生突水突泥，岩溶疏干，地面塌陷，地下水位下降以及植被枯死，对地质环境及生态环境造成极大的影响。然而目前对岩溶区针对地面塌陷，地裂缝以及地下水位的控制的规律和机制方面缺乏系统的研究[3]。近年来，国家高度重视环境保护这一块。党中央领导人在众多公开场合提出绿水青山就是金山银山的理念。因此，针对国内外已有对岩溶隧道的地面塌陷机制，地裂缝形成，以及地下水位控制的研究成果进行梳理是有必要的，并指出未来对于这些问题有待深化研究内容。

1  岩溶发育的条件及岩溶隧道的特点

岩溶发育通常要满足3个基本条件：（1）可溶岩;（2）可溶岩必须透水;（3）有地下水流动且具有侵蚀性。当满足上述3个条件之后，在经历几万年甚至几百万年，通过地下水的不断流动和侵蚀，沉积，就会形成溶洞，落水洞，石柱，石钟乳等[4]。岩溶发育的程度还受气候的影响;地形地貌的影响;地质构造的影响。气候主要通过降雨量的多少影响岩溶发育，地形地貌主要通过水作用不同位置进而影响岩溶的发育，地质构造主要通过影响岩层的产状及裂隙来改变地下水侵蚀的方向。

当隧址区位于岩溶地区时主要有以下几个特点：首先是岩溶的不同位置会对隧道开挖力学响应不同，其次，岩溶隧址区一般都为富水地区，一旦开挖到落水洞及暗河一方面危及隧道作业人员安全，另一方面造成岩溶疏干和暗河枯竭，进一步造成岩溶塌陷或地表塌陷，地裂缝以及地下水位降低，植被枯死等后果。

2  地面塌陷

地面塌陷是巖溶地区隧道开挖过程中常见的一种地质破坏现象。在隧道施工排水过程中会引发上覆松散地层内有效应力增加，或者排水过程中原本静水压力变成了动水压力或者导致动水压力的增加，带走了部分松散物质，掏空土体。另一个原因是土层填充了之前的岩溶漏斗，当岩溶疏干之后土层底部失去地下水给的浮力，最后导致了地面塌陷。

有许多文献表明：地下水位的降低和疏干是造成隧道上覆土层塌陷的主要原因。从地面塌陷的过程来说主要分为以下3个阶段[3]。第一阶段：岩溶漏斗在长期的沉积作用下被粘土等物质充填，地下水位在岩溶漏斗中部且保持相对稳定的状态，可溶性岩层在水流长期作用下形成了岩溶管道，岩溶漏斗中的粘土受到岩溶水的浮力和土体周围与岩石的摩擦力作用，在水提供的浮力和摩擦力的作用下土体保持基本稳定的状态。第二阶段：隧道开挖到达岩溶富水区的时候，破坏了原来的水平衡，使得地下水位在短时间里降低，在地下水运动的过程中对土层以及岩溶管道中的土体进行潜蚀和运移，然后形成一个一个的小土洞，地表的土体逐渐出现裂缝和沉降的迹象。此外，隧道施工过程中的震动会加剧土洞的发展和降低岩溶漏洞中土体的力学参数。第三阶段：在不断的震动和排水过程中，土洞进一步发育变大，顶板土层逐渐变薄，当爆破震动以及真空负压条件下致塌力大于抗塌力就会造成地面塌陷。

根据不完全统计，我国西部岩溶地区已建成的铁路长隧道之中，在隧道施工的过程中地表几乎都造成了地面塌陷和突水突泥，大大增加了隧道施工的工期，有地表塌陷的岩溶隧道占总数的40%[5]。地面塌陷除了受隧道排水和震动的影响，还与大气降水量有关，降雨使地面变得疏松，增加了土体的自重，力学性质降低，以及动水压力的影响，使得致塌力大于抗塌力。有文献研究隧道地面塌陷与季节有关，雨季地面发生的概率较大。文献[6]研究了降雨工况和岩溶渗漏两种工况下共同作用下的岩溶塌陷的稳定性分析，认为随着降雨量的增加，上覆土体的稳定系数逐渐减小，20h湿润锋深度最深为70cm，且在真空负压大于30kPa时，土体发生塌陷。文献[7]通过有限元软件对尺寸不同的岩溶洞穴进行了数值模拟，并研究分析了上覆岩土层的稳定性分析方法，分析了覆盖型岩溶塌陷的演化机制，并基于极限平衡理论计算了土体的稳定系数和塌陷范围，以具体的工程实例为背景，基于流体力学和渗流力学理论，建立了针对岩溶区的渗流模型，对岩溶周围岩层及土体稳定进行了评价。

从以上的研究可以看出大部分集中定性研究了岩溶塌陷的原因和影响因素，缺乏对地面塌陷稳定性分析的定量研究，并且要考虑地形，降雨，爆破振动以及实际岩溶漏斗的形状，尽量符合实际情况，计算出来的稳定系数精度才更高，且与实际情况更吻合。

3  地下水及植被

对于岩溶地区有这样一句俗语：土在楼上，水在楼下的说法，生动形象的描述出岩溶地区的垂直结构特性，这种结构就决定了其保水能力较差，土层覆盖不均匀，植被覆盖率较低，地下水及生态系统极易遭受破坏，对地下水的变化尤为敏感。

对于岩溶地区的隧道，施工时必须采取以堵为主，以排为辅的指导思想来保护岩溶地区的地下水。当然，在勘察设计的阶段我们就应当探清岩溶的位置，岩溶漏斗，地下暗河，以及地下水位，在物探难以探明的情况下，应当结合数学物理的方法来进行预测，尽量避免隧道通过岩溶漏斗的下方或者在地下暗河的下方。有文献研究了岩溶隧道施工过程中对地下水环境的影响，采用了BP神经网络的方法，研究了隧道在不同的埋深，不同的排水量对地下水位及渗流的影响。结果表明隧道的排水量与隧道的所处的高程承反比。岩溶地区的地质条件相对比较复杂，施工中以排为主的思想已不适用于现在我们所提倡的环境保护的要求，而若只堵不排又会造成隧道衬砌水压力过大，如何既保证地下水位不至于过低，又保证衬砌的压力不至于过大是目前岩溶隧道设计的关键。有文献利用数值模拟的方法研究了岩溶隧道防排水的相关问题，提出了堵水限排型隧道应采用“以堵为主，限量排放”的防排水原则，通过围岩注浆进行堵水，増强结构材料的自防水，建立分区排水，在防水板后布设防水系统，应用理论解析与数值仿真模拟研究了高水压富水区隧道工程的地下水处理方案，得出了地下水位线高度超过60m的隧道不适合采取全封堵型衬彻，在隧道结构体系中必需布设完整的封水系统。通过现场模型试验和数值模拟研究了关于地下水处理的相关问题，提出地下水压力分级建议标准，以及新的防排水原则，即在充分考虑隧址区周边的生态环境和地质等条件下，针对不同隧道工程概况提出了地下水合适的处治方法。有学者应用理论推导和数值模拟研究了隧道的防排水系统，提出遵照“堵为主，限量排放”的防排水原则，采用合适的堵水措施，设置多道防水线将围岩渗漏水封堵在衬彻外;用数值仿真模拟，研究了几种防排水方式下衬砌结构外侧水压力与衬砌结构内力响应的关系，得出隧道采用全排水不封堵的防排水型式可以很大幅度的降低衬砌结构的内力响应。

植被对地下水的变化尤为敏感，当地下水过低时，植被将会在短时间内就会脱水，枯死。有学者研究了基于生态需水的隧道地下水限排的措施，以实际工程为背景，基于达西定律，地下水动力学和地下水裂隙岩体渗流的基本理论，推出了隧道开挖涌水量与衬砌背后水压力的计算公式，确定了地下水位和排水量的计算方法，得到了最佳的地下水位，达到保护环境的要求。

4  结语

综上，岩溶隧道施工过程中对隧道地面塌陷;地下水和植被都有较大的影响。目前针对上述问题的研究取得了一定的成果，但大部分研究停留在定性的分析上，以及对计算模型进行了简化，在开挖和运营过程中排水还没有达到精细化，智能化，以及对植被在排水过程中的生理改变和化学特征方面还存在不足。因此，在今后的研究中要根据实际情况对塌陷体进行稳定行计算，例如坛状、井状、漏斗状应有不同的计算公式，以及考虑地震，动水压力，温度等复杂条件下覆盖层的稳定性。在地下水方面，应着重研究智能排水与植被需水的最低水位线以及衬砌的最大水压力，考虑三者的动态平衡，既保证水压力不过大，又能保证植被生态需水位。

参考文献

[1] 吕玉香，蒋勇军.西南岩溶槽谷区隧道建设的水文生态环境效应研究进展[J].生态学报， 2018，25（1）：97-101.

[2] 钟世航，孙宏志，李术才，等.隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31（21）：3298-3327.

[3] 梁立刚，陈梁，刘建芳.砂漏型岩溶地面塌陷防治原则和方法[J].中国岩溶，2019，38（6）：910-915.

[4] 宋章，王科，蒋良文，等.岩溶区铁路勘察防治技术研究现状及发展趋势[J].高速铁路技术，2018，9（5）：38-43.

[5] 罗小杰，沈建.我国岩溶地面塌陷研究进展与展望[J].中国岩溶，2018，37（1）：101-111.

[6] 徐贵来. 武汉市覆盖层-岩溶地面塌陷形成机理与危险性评价[D].北京：中国地质大学，2016.

[7] 张海坦，李庆华，邓书金.歌乐山岩溶地面塌陷发育特征[J].中国岩溶，2015，34（1）：58-63.