岩溶区隧道施工风险及问题探讨

张栋

（中国铁建昆仑投资集团有限公司剑黎高速公路工程施工总承包指挥部，贵阳 550025）

1 引言

近年来，随着隧道等地下工程的快速发展，许多大、长、深隧道以及海底隧道已经建成并投入使用。在施工过程中，出现了许多复杂多变的地质环境，施工的难度也越来越大。根据有关资料的统计，在所有区域的地质隧道中，岩溶区隧道在建设过程中发生突发性灾害的频率最高。就我国而言，1980 年以后建设的隧道总量中岩溶隧道占了约40%，其中65%的岩溶隧道在西南地区[1]。由此可以看出，对岩溶区隧道施工风险的研究在隧道工程发展史上起着至关重要的作用。深化对隧道施工风险的认识，便可对施工过程中随时可能发生的地质灾害做出有效的防范，亦可通过岩溶隧道施工风险的特点提出有针对性的施工方案，使岩溶区隧道安全建设体系逐步完善。

2 岩溶区隧道施工风险

2.1 研究对象的界定

岩溶（又称喀斯特Karst）指的是可溶性岩层，如碳酸盐类岩层（石灰岩、白云岩）、硫酸盐类岩层（石膏）和卤素类岩层（岩盐）等在水的作用下会产生沟槽或裂隙，以及由于空洞顶板的塌陷使地表产生陷穴、洼地等现象和作用的总称[2-7]。本文所提及岩溶是指在隧道施工过程中处于隧道开挖范围内或影响隧道围岩稳定性的岩溶溶洞。通常我们将处于岩溶区的隧道称为岩溶隧道。

2.2 隧道岩溶的危害

施工的被动性是隧道工程有别于其他土建工程的主要特征，而岩溶地质的存在又使隧道施工的被动风险进一步提升。目前为止，许多国家都在岩溶段隧道施工中遭受了巨大经济损失。以美国为例，至少有20 个州都受到该问题的困扰，相比之下，东部各州的岩溶破坏最为严峻。此外，南非地区每年因岩溶区隧道建设事故所造成的伤亡人数多达几十人，生命和财产损失惨重[8]。

我国地域广阔，地形复杂，山地占全国70%以上。我国的碳酸盐岩溶出露面积大约为1/10，是世界上岩溶地质分布最广的国家，且主要分布在云、桂、贵等西南部地区[9]。在以上地区进行大断面隧道工程建设时常常会遇见石灰岩岩溶地质，使在该区进行的水利、公路、铁路等隧道工程的施工和运营困难程度加剧。就西南隧道而言，全线因穿越岩溶密集区，在修建过程中需处置大小溶洞80 余处，而且全线多次由于岩溶问题处置不合理发生冒顶和隧道底板塌陷事故，隧道主体结构的破坏和隧道修建工期的滞后，造成了巨大的经济损失[10]。

随着我国经济的快速发展，以及“西部大开发”战略的实施，对具有丰富水电资源的喀斯特地区进行水电建设的需求日益增长，如已建的鲁布革、东风、猫跳河、隔河岩、龙滩、天生桥、岩滩、乌江渡等水电工程，都是在岩溶较为发育的地区进行了不同程度的隧洞建设。目前我国的隧道建设项目较以前任何一段时间相比其复杂性、长度、数量都是无可比拟的。随着我国综合国力的不断增强，道路（公路、铁路）等基础设施建设将会迎来更迅速的发展时期，在地质复杂地区修建隧道也将面临更大的挑战，同时为我们对隧道建设技术的研究和发展提供了更好的平台。

溶洞的存在造成了隧道围岩应力场分布不均，终而导致隧道衬砌出现变形甚至失稳。除此以外还会导致隧道开挖过程中发生冒顶和或底板塌陷等突发事件；另一方面，丰富的水资源是发育性岩溶最主要的元素，这也就导致了隧道在修建过程中出现处置不当而引发的隧道涌水、突泥等地质事故，严重影响了隧道的正常施工以及人员、设备的安全。这些突发性事件的出现，主要是因为目前对溶洞在隧道施工前后的影响特性研究不够深入，从而导致岩溶段隧道设计和施工皆无针对性。此外，岩溶区的隧道施工至今还没有任何规范的文件。所以，借鉴同类工程的经验，对岩溶区隧道的施工特征进行深入的分析，把握其规律，是保证岩溶区隧道施工安全的关键；在此基础上，强化和规范岩溶区地质预报技术的使用，对预报的不良地质段提前制订施工方案和预防措施，避免突发性事件发生。从而逐步建立岩溶区防治体系，提高岩溶段施工效率和施工质量。

了解岩溶区隧道建设过程的潜在风险，深入研究溶洞和隧道在施工前后的相互影响规律和二者变形特点是岩溶段进行有效支护的关键。对岩溶区隧道施工风险因素的准确认识，才能进一步掌握其规律性，提出合理的建设方案及防治措施，进一步优化设计和施工。深入研究溶洞存在对隧道围岩和支护的相互作用规律，对完善隧道建设资料和健全岩溶区隧道处置方案和推动隧道工程向着更规范、更高效的方向发展具有一定促进作用。

3 岩溶区隧道建设中存在的工程问题

随着我国经济的迅速发展和社会的不断进步，未来会有更多的隧道工程需要穿越地质条件更复杂的岩溶地区。但现阶段岩溶段隧道施工还存在较大的盲目性，与非岩溶区隧道相比，岩溶段隧道支护措施和处置方案并无针对性和特殊性，这就使得隧道施工进度和质量在岩溶区难以保证。本节将对岩溶地区存在的工程问题和研究现状展开讨论。

由于复杂的岩溶地质，我国在水工、铁路、公路隧道的发展历程中经历了很多工程灾害。20 世纪中叶，在修建贵昆铁路和襄渝铁路时就遭受了大量的岩溶问题所引发的工程灾害。如贵昆线的梅花山、岩脚隧道由于超前预报技术不够完善，且主要依赖于地质勘探和工程经验预测，造成了施工过程中的溶洞底板塌陷。因岩溶段处置不当和后期对处置效果检测机制不完善而导致京广铁路大瑶山隧道、襄渝铁路大巴山隧道在运营过程中的长期危害和高昂的经济负担。我国可溶岩层地质主要分布在西南地区，因此在西南地区铁路、水工、公路隧道的建设过程中常面临岩溶问题的困扰。例如，由于对溶洞填充物或岩溶水等因素勘测不准确，从而导致了圆梁山隧道发生了特大岩溶涌水和华蓥山隧道在多处出现了岩溶洞穴坍塌事故，造成了巨大的经济损失。

在国外，阿尔卑斯山隧道等越岭隧道中也出现过同样的问题，这不仅导致了人员的伤亡和建筑设备的损坏，还严重影响了施工期限，大大增加了建设成本，并且这些隧道由于岩溶问题在运营期间也出现过交通中断等事故。

隧道开挖过程中的溶洞突水、突泥和隧道冒顶、底板塌陷等一系列问题是岩溶段隧道施工常见的工程问题。然而岩溶区隧道修建的复杂性不仅仅体现在施工过程中岩溶地质对隧道的影响，还包括溶洞填充物和水的长期作用对岩溶洞穴空间形态的改变而造成的隧道运营期间不利影响。可溶岩层和填充物是引发岩溶区隧道地质灾害的关键因素和岩溶问题处置的难点，而水的存在又使岩溶问题的处置更具有特殊性。

如今，修建岩溶区隧道主要存在下列问题。

首先，针对岩溶区隧道的修建，不同部门制定了各自的施工指南和规定，但与非岩溶区隧道相比在很多方面并未体现其特殊性和针对性，因此，岩溶区隧道施工至今尚无明确的规范要求，在很大程度上还是处于盲目性施工的阶段。主要表现为：

1）尚无针对岩溶区隧道的施工技术。岩溶区隧道施工工法及处置措施与非岩溶段在很大程度上相似，并未体现其针对性和特殊性。而对于溶洞的处置，没有明确的处置效果鉴定标准，导致处置成本过高或处置效果不佳等现象发生，给后期的运维留下安全隐患。

2）目前岩溶段隧道施工的主要特点是被动性。主要体现在特殊地质段隧道在施工过程中对前方地质状况的监测和评价体系尚未建立和隐伏溶洞的处置标准及防治措施尚未明确，这就导致不能及时有效地对突发性地质灾害进行防治，影响隧道施工和运营安全。

3）虽然我国有着许多有关岩溶区隧道建设的经验和教训，但是因由于技术资料积累体制以及管理方法还不够完善，对岩溶区隧道施工问题研究的不足，使得其并未形成系统性的理论方法和技术方案的本质改善，导致重复出现同类错误，造成巨大经济损失。

其次，不同形态和空间位置的溶洞对隧道位移、围岩-支护体系的应变、应力分布和支护结构内力的影响研究不足，岩溶隧道施工方案、支护措施无针对性。主要表现为以下4 点。

1）对于施工过程中遇到的出露溶洞，一般采取回填、跨越的处治措施；对于围岩范围内对隧道施工影响不明显的隐伏溶洞，一般不进行处理，易引起隧道失稳，影响施工安全和运营期内的安全事故。

2）根据经验采取补强措施是目前对岩溶区出露溶洞常用的隧道支护手段。就处置措施而言，对于出露溶洞的支护并无针对性和特殊性。这就导致可能出现支护设计的强度不足或支护设计的刚度过大等问题，缺乏对支护设计的安全性和经济性的系统性研究，进而导致安全事故或材料浪费过多。

3）对隐伏溶洞和隧道的相互影响特点缺乏研究，这就使得在岩溶洞段的支护设计时，不能根据围岩应力分布规律和塑性区的特点有针对性地进行。

4）存在岩溶的隧道与无溶洞状态隧道的围岩变形特征不同。但目前为止，对隧道已有支护和围岩稳定性在不同形态和空间位置的溶洞的影响规律还无统一定论，并且对于岩溶影响的预处理方案及合理的溶洞处治措施体系也尚未形成，溶洞的处置仍存在很大的盲目性。

最后，岩溶区隧道动态施工过程常常会因溶洞及其填充物的不同而面临复杂多变的施工难题，利用地质雷达、TSP 等技术手段配合地质素描对掌子面前方地质状况提前做出预判是穿越复杂岩溶地质的应有工序。但目前针对岩溶区隧道，无论是超前预报、预测还是后期处置效果检测等都尚未完善，并且缺乏对处置措施和效果的综合性评价体系，这就意味着岩溶区隧道施工尚无规范化的地质预报要求，导致其施工面对被动风险事件的增加。因此，对于岩溶区隧道施工，还需强化和规范地质预报技术内容和处置效果鉴定标准，减少岩溶区隧道施工和运营风险。

4 结语

作为土建工程特殊的构筑物，隧道满足了国民经济和社会发展的需要；我国作为岩溶大国，攻克岩溶隧道建设难题又是隧道工程发展之必要。针对岩溶区隧道建设难题，首先应根据现有资料了解岩溶特点和在岩溶区隧道施工的潜在风险，逐步明确和完善岩溶区风险评价体系。其次，通过研究分析不同空间位置和形状溶洞对隧道围岩和支护的影响特点，根据实际情况提出具有针对性的支护方案和防治措施，以保证岩溶区隧道安全高效地施工。在此基础上，应逐步健全岩溶区隧道防治体系和规范岩溶区地质预报技术内容，减少岩溶区隧道施工的盲目性，确保岩溶区隧道的施工和运营安全。