岩溶隧道施工技术探讨.

岩溶隧道施工技术探讨李治国中铁隧道集团有限公司技术中心2013年4月11日洛阳主要内容•一、概述•二、岩溶发育的主要形式•三、岩溶发育的主要特征•四、岩溶隧道施工中面临的主要难题•五、岩溶隧道的预测预报•六、岩溶隧道安全施工技术措施•七、岩溶处理工程实例•八、岩溶隧道施工容易出现的问题及对策•九、认识和体会•十、练习题一概述岩溶（karst)是地表水和地下水对可溶性岩层（碳酸岩类、硫酸岩类、卤盐类等）进行化学侵蚀、崩解作用和机械破坏、搬运、沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。喀斯特（Krast）一词源自前南斯拉夫西北部伊斯特拉半岛碳酸盐岩高原的名称，当地称为，意为岩石裸露的地方，“喀斯特地貌”因近代喀斯特研究发源于该地而得名。在铁路、公路、水电、市政等工程中遇到最多是碳酸岩类的岩溶。•岩溶隧道就是在岩溶区修建、可能受到岩溶影响的隧道。•我国可溶岩分布面积广大，裸露于地表的碳酸盐岩面积有91万平方公里，加上覆盖与埋藏于地下的碳酸盐岩，可溶岩分布面积达340万平方公里，约占国土陆地面积的三分之一。南方黔、滇、桂、川、湘、鄂、粤诸省区为最重要的岩溶区，碳酸盐岩沉积总厚度在一万米以上，几乎分布于各个地质时代，分布面积广大的碳酸盐岩，加上适宜的多种多样的气候条件形成了岩溶洞穴。56岩溶形成的原因•1、可溶性岩石•(1)可溶性岩石种类•可溶性岩石是岩溶形成的基本条件，可溶性岩石主要有：碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、泥质灰岩)，硫酸盐类岩石(石膏、芒硝)，卤盐类岩石(石盐和钾盐)。•(2)溶蚀作用•溶蚀作用取决于溶解度与溶解速度。•溶解度：在一定温度和压力下，某固态物质在100g溶剂中达到饱和状态时所溶解的质量。•溶解速度：在一定温度和压力下，在某种溶剂中单位时间溶解某一物质的量。•8•通常把在室温(20度)下，溶解度在10g/100g水以上的物质叫易溶物质，溶解度在1～10g/100g水叫可溶物质，溶解度在0.01g～1g/100g水的物质叫微溶物质，溶解度小于0.01g/100g水的物质叫难溶物质.可见溶解是绝对的，不溶解是相对。•举例：如20℃时，食盐的溶解度是36克，氯化钾的溶解度是34克。这些数据可以说明20℃时，食盐和氯化钾在100克水里最大的溶解量分别为36克和34克；也说明在此温度下，食盐在水中比氯化钾的溶解能力强。9•溶解度大小依次为：卤盐硫酸盐碳酸盐。卤化盐类及硫酸盐类岩石在地表分布有限，碳酸盐类岩石分布很广，且岩体规模大，所以发育在碳酸盐类岩石中岩溶最为常见。•从溶解度上看，卤化盐岩硫酸盐岩碳酸盐岩。•碳酸盐类岩石溶解度，从大一小依次为，石灰岩白云岩泥灰岩。大量的碳酸盐岩、硫酸盐岩和卤化盐岩在流水的不断溶蚀作用下，在地表和地下形成了各种奇特的溶蚀现象。10•(3)岩石结构对溶解速度的影响•①结晶岩石的晶粒•结晶质岩石晶粒愈细溶解度愈大；隐晶结构一般具有较高的溶蚀率。•②岩石的结构类型•不等粒结构石灰岩比等粒结构石灰岩的相对溶解度要大•③岩石的原生孔隙度•孔隙度越高，愈有利于岩溶的发育11(4)温度对溶解速度的影响一般情况下，温度越高，溶解速度越快，白云岩溶解速度最大值一般出现在40～60℃，而灰岩石和大理岩溶解速度最大值一般为４０℃。40～60℃是碳酸岩类岩溶发育最有利的温度。1213(5)矿物成分对比溶解度的影响碳酸岩类岩石的比溶解度随着岩石中方解石含量的增加而增加，随着白云石含量的增加而减少。14ＣaＯ／MgＯ的比值越大，岩石越容易溶解。•2、岩石透水性•岩石具有一定的孔隙和裂隙，它们是流动水下渗的主要渠道。岩石裂隙越大，岩石的透水性越强，岩溶作用越显著。在断层、褶皱、节理裂隙发育的岩体中，岩溶作用强烈，地下溶洞和岩溶管道越多，岩溶发育越复杂，连通性越强；在复杂岩溶区容易形成一个串珠状的岩溶网络。•3、水流的溶蚀作用•水的溶蚀能力来源于二氧化碳（CO2）与水结合形成的碳酸（H2CO3）,二氧化碳是喀斯特地貌形成的主要原因，水中的二氧化碳主要来自大气、有机物在水中的腐蚀和矿物风化。下面几个化学方程式反映了岩溶作用的进行：•CaCO3在CO2的水溶液中溶解的反应式如下：•CaCO3+CO2+H2O↔Ca22++2HCO3－•••CaCO3在不含CO2的纯水中的溶解度水温8.7℃16℃20℃25℃75℃100℃CaCO3溶解度mg／L1013.11414.31818.1618•理论研究表明：当PH6.36时，水对碳酸岩具有强烈的侵蚀性，PH=8.33时，水对碳酸岩的侵蚀性明显变弱，当PH≥10时，水逐渐失去对碳酸岩的侵蚀能力。•4、流水的流动作用•流动的水溶蚀性更强烈一些，这是因为水中的二氧化碳需要得到及时的补充，水的溶蚀作用才能顺利进行，水的溶蚀能力才得以巩固加强。同时，流动的水带动河底砂砾对岩石进行机械侵蚀，这样更有利于岩溶作用的深入。•5、气候的影响•如我国西南地区气候湿润，降水量大，地表径流相对稳定，流水下渗作用连续，并且降水使流水得以更新和有效补充。因此岩溶作用得以持续进行。岩溶形成的主要影响因素第一，可溶性岩石是岩溶产生的物质基础。第二，地质构造与地层结构的千差万别确定了岩溶类型的多样性。•第三，地表水和地下水补给、径流、渗透和循环是岩溶形成和发育的必要条件。•第四，环境、气候、生产、生活对岩溶形成都有一定的影响。•第五：考虑岩溶一般发育规律时，应注重CO2，而研究岩溶发育的局部规律时，还应注意H+离子来源。二、岩溶发育的主要形式•1、地表岩溶表现的主要形式•（1）溶蚀性岩石•（2）岩溶洼地和谷地•（3）溶泉•（4）落水洞•（5）溶沟和石芽•溶沟是指地表水沿岩石表面和裂隙流动过程中不断对岩石溶蚀和侵蚀，从而形成的石质沟槽；石芽指突出于溶沟之间的石脊，其实它是溶沟形成过程中的残余物。云南地区的石林就是发育比较好的形态高大的石芽群，它的形成条件是厚层、质纯、产状平缓、垂直节理稀疏和湿热的气候环境。•（5）峰林、峰丛、孤峰、天生桥等•2、隧道和地下工程岩溶主要表现形式：•（1）溶隙：直径一般应小于5cm（2）溶孔：直径一般小于20cm（3）溶管：直径一般小于2.0m（4）溶洞:直径一般应大于2.0m•（5）暗河•（6）其他形式如：•二、岩溶发育的主要特征•1、岩溶水动力分带：•（1）垂直渗流带或包气带•（2）季节变动带•（3）水平渗流带•（4）深部缓流带•垂直渗流带或包气带、季节变动带、水平渗流带中岩溶比较发育。垂直渗流带（包气带）季节变动带(交替带)水平径流带(浅包水带)深部缓流带(深包水带)常水位最低潜水位乌江仙女山隧道βββ•２、岩溶水的运动规律（邹成杰认为：）•（1）溶隙型：•各种构造裂隙经过溶蚀形成，宽度一般在5cm以下，平面延续性较好，在溶隙中，地下水为渗流，达西定律可以近似应用。•（2）脉管型：•溶隙经过溶蚀进一步扩大、延长、呈脉管状，其宽度5～20cm，平面连续性好，地下水运动已经不符合大西定律。•（3）管道型•脉管经溶蚀进一步扩大，管道宽度大于20cm，连同性好，地下水的运动呈管道汇流，而不是渗流，不符合达西定律。•３、岩溶水基本特征(1)空间分布的不均匀性这主要归因于含水介质的结构、构造在三维空间上的非均质性和渗透的各向异性，也就是岩溶水循环系统特征的空间差异性。由于可溶岩岩体内构造断裂、节理裂隙密度不均匀及强度差异，再加之岩性可溶性差异及水动力条件的不同，从而产生差异溶蚀作用。不均匀性还表现为岩层富水程度的差异。岩溶空间分布的不均匀性往往造成预测预报困难和处理的难度。容易引发次生灾害。•（２）流态多变性•岩溶水渗流可能是层流、紊流、混合流。在岩溶区，循环系统特征空间不均一，水流通道和过水断面变化大，过水通道粗糙程度不同，水力坡度变化大，不同季节、不同时段的流量和流态经常变化，导致流态是多变的，呈稳定流或非稳定流。•发生管道流时，流动物动能大，容易产生较高的水头压力，较大的流量，破坏作用强。29地下水运动的基本定律渗流运动状态运动定律表达式符合意义层流Q=KIωV=KIQ:流量K：层流渗透系数I：水力坡度ω：过水断面面积m:介于1～2之间的流态指数。紊流Q=KI1/2ωV=KI1/2混合流Q=KI1/mωV=KI1/m•（３）地下水和地表水相互转化的敏捷性•①季节转化型。洪水期时，地下岩溶通道过水断面不能满足调洪量的负载而溢流，以地表河形式排向临近更低地表河；枯水期时，地下水一般从某一个或几个排泄面排出；•②伏流转化型(渗漏型)。地表水进入溶蚀岩体内成为暗流，在岩体另一端又重现为明流，也可能由于下伏管道发育而发生渗漏，使地表河流量的一部分转为地下水。•③阻隔转化型。在岩溶地下水流动过程中，遇到隔水岩层时，被顶托溢流成为地表河。•容易疏干地表水，暴雨季节隧道水量增大，甚至发生涌水突泥。•３、岩溶发育的主要规律•(1)岩溶发育受岩性影响•在可溶岩与非可溶岩接触带部位附近，特别当非可溶岩为相对隔水层时，由于地下水的汇聚、运移，溶腐易沿接触带部位发育岩溶。•(2)岩溶发育受地形、地貌影响•在沟、谷、洼地、河床下岩溶一般比较发育。向斜轴部岩溶比较发育。背斜两翼岩溶比较发育。••(3)岩溶发育受岩体结构、构造影响•①灰质的沉积岩中容易发育岩溶（石灰岩、白云岩、泥灰岩等）。•②岩溶沿断层破碎带发育，断层与裂隙对岩溶发育起控制作用。可溶岩层的断层破碎带，特别是张性断层破碎带，利于地下水的运移，地下岩溶特别发育，常发育有地下暗河等大型岩溶，在两条或多条断层交叉部位常形成大型溶洞、地下暗河及地下湖、池等。•③岩溶在褶皱轴部发育比较强烈。在褶曲构造轴部，纵张裂隙(断层)较多，有利于地下水活动，地下水易沿着张裂隙溶蚀扩展，形成溶蚀裂隙和溶洞，进一步发展成为大型岩溶或暗河。•④岩溶容易沿着层面构造裂隙发育。在原状水平岩层褶皱过程中，岩层往往发生层间错动或滑动，在层间可产生层面张裂隙或层面扭裂隙，为地下水活动提供运移通道，易发育顺层岩溶。•⑤在含有容易腐蚀矿物和腐蚀性气体的地层中，岩溶可能比较发育。由于ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２等气体溶于水可产生酸性侵蚀。•343435四、岩溶隧道施工中面临的主要难题１、突水、涌泥２、隧道大变形、坍塌３、地面塌陷４、地表水疏干或河流断流５、植被及农作物破坏６、隧道支护结构开裂破坏3737岩溶隧道涌水突泥38383939隧道注浆加固后4040（1）2001年7月14日某隧道出口正洞DK361+764处发生涌水、突泥，最大涌水量为63m3/s，涌水高度达到3.0m，14～16日内突泥、涌砂量达到15000m3，洪水冲出洞口，导致施工机械梭矿、喷浆机、钢轨等机械设备和材料被冲进洞口的河水中。4242（2）2002年9月10日某隧道进口正洞下导坑DK354+879处发生巨响，产生爆裂和冲击波，并突出硬塑状粘土，瞬间突泥量达4200m3，并伴随有地下水流出，掩没下导坑道244m，造成挖掘机、电瓶车和梭矿等机械设备被淹埋。（3）岩溶突水、涌泥造成隧道变形、侵限、开裂某隧道平导PDK354+430～470溶洞段，全断面超前注浆后上半断面开挖至PDK354+461，中台阶开挖至PDK354+457，但在下半断面施工工程中，由于暴雨影响，水压和水量增大，发生涌管突水、涌砂，最大涌水量达到10000m3/h，大量的涌水、突泥导造成上半断面初期支护钢拱架变形侵限，被迫用混凝土将上半断面回填，重新进行下半断面超前注浆加固和开挖。4545（4）岩溶突水、涌泥容易造成地下水大量流失、水位下降、地面沉陷、房屋倒塌。衡广浮现大瑶山隧道全长14.295km，F9断层以灰岩和砂岩为主，施工过程中，平导和正洞遇到了十多处充填饱和砂粘土的溶孔、溶洞，并发生了多次岩溶水引起的涌水、突泥事故，而且地表出现了多处陷坑，给环境带了了不利影响。•（5）衡广复线南岭隧道全长6.1km，灰岩占总长的92%，是典型的岩溶隧道，1984年6月11日，平导施工至DK1935+745.4时，在线路右侧的炮眼中突水、涌泥，喷射距离为15m，涌水量为3600m3/d，当继续放炮掘进时，突然涌泥2500m3,平导淹没1