题目：岩溶隧道国内外研究现状及技术新进展
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岩溶隧道国内外研究现状及技术新进展
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层（碳酸盐类、硫酸盐类、卤盐类等）进行化学侵蚀、崩解、机械破坏、搬运和沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。岩溶的形态类型很多，有石林、溶沟、漏斗、溶蚀洼地、落水洞、竖井、溶洞、暗河、天生桥、岩溶湖、岩溶泉、土洞等等，其中落水洞、竖井、溶洞、暗河、天生桥和土洞对隧道工程的影响极大。岩溶产生主要有三个条件：第一，可溶性岩石是岩溶产生的物质基础。例如，隧道穿越石灰岩、白云岩、泥灰岩、石膏、芒硝、岩盐等地层时，受地下水作用而产生的溶蚀现象。第二，地质构造与地层结构千差万别造成了岩溶类型的多样性。一般情况下，向斜构造比背斜构造岩溶发育强烈，向斜构造的核部岩溶发育比两翼强烈，背斜构造的两翼比核部岩溶发育强烈。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。当地下水中游离或侵蚀性的CO2、SO42-等的含量较大时，岩溶的发育增强。
岩溶是山区隧道建设中常见的不良地质现象，国外岩溶分布甚广，据已有资料报道，西班牙、美国、加拿大、法国、比利时、南斯拉夫、波兰、南非、希腊、俄罗斯、英国、土耳其、以色列、德国、捷克、保加利亚及多米尼加等国家每年都因不同程度的隧道岩溶危害而造成巨大的经济损失。据有关资料统计，美国的隧道岩溶危害数量最多，至少有20个州，尤以东部的几个州较为普遍。此外，南非受害最大，每年仅隧道岩溶危害死亡达几十人，造成巨大的生命和财产损失。我国作为世界上岩溶发育最为广泛的国家之一，以碳酸盐岩岩溶为主，岩溶分布之广、面积之大，类型之多为世界其他国家所不及，热带岩溶、亚热带岩溶和温带岩溶在我国都有分布，覆盖、掩埋及出露的碳酸盐总面积约占我们领土面积的三分之一。主要分布在南方的云南、贵州、广西、四川、湖南、湖北和广东一带，以及北方的山西、山东、河南、河北一带。其中，仅就贵州、广西和云南三地而言，岩溶出露的面积就占我国岩溶总面积的一半左右。
由于地面水和地下水的溶蚀作用，致使各种类型的岩溶地貌和岩溶形态非常发育，给隧道与地下工程建设带来了相当的难度。长期以来，人们对于岩溶成因及岩溶灾害特点，岩溶隧道超前探测技术及突涌水预测方法，隧道岩溶突、涌水的处治方法，隧道岩溶综合治理措施，隧道工程风险辨识等方面已经进行了较为深入的研究。
大量文献调研显示，有关岩溶区溶洞对隧道工程影响的研究，当前主要集中在以下几个方面，一是有关岩溶区隧道影响范围内岩溶的探测问题；二是研究岩溶隧道灾害的超前预报、灾害的处理措施和岩溶隧道的施工方法等；三是研究不同形态和尺度溶洞引起的隧道稳定性问题，主要研究不同规模、位置的溶洞对隧道位移场、应力场和隧道支护结构内力变化的影响及对隧道施工动态的影响。对于岩溶区隧道工程面临的地下水问题，则主要集中于施工过程中遭遇的诸如突水、涌泥等各种问题的处治，本文主要从这三个方面介绍开始展开。
针对岩溶区隧道影响范围内岩溶的探测问题，目前，岩溶探测采用的方法包括地质调查、测绘、钻探和物探方法。随着物探新技术的快速发展，越来越多的新技术、新方法运用于水电工程地质勘察测试中，较成熟的方法有电法、电磁法、探地雷达、地震勘探、地学层析成像技术( CT) 、综合测井、地温法、放射性测量等[1-3]。工程地球物理勘探的基础是被探测体的物性差异，常表现为岩体的电、磁、弹性波速等物性参数。岩溶是原来的围岩经过漫长的地质过程形成的空洞或被其他物质充填，与完整围岩相比，存在较大物性差异( 如电阻率、介电常数、地震波速、电磁波吸收系数等)[4]。地表浅部的岩溶往往采用高密度电法、地震反射法、探地雷达探等; 大地电磁法( EH4) 受场源及方法的，浅表异常可能会在探测盲区内而被忽视，常用于中深部岩溶探测，勘探精度受地面及空中电磁干扰影响较大; 电磁波CT和弹性波 CT 常用于孔间剖面的探测，可避开地面及空中人为电磁的干扰，对岩溶的空间探测有较高的准确性[5]。由于岩溶的隐蔽性、复杂性，应根据工区的地质条件、岩溶发育的特点和类型，选择合适的物探方法，提高探测的有效性及准确性。从工作效率和方法的有效性上考虑，选择电磁波 CT较为合理。电磁波CT有2种成像方法: 一种为绝对衰减层析成像，另一种为相对衰减层析成像。当电磁波穿越不同的地下介质，如不同的岩石、岩体及溶洞、破碎带等时，由于不同介质对电磁波的吸收存在差异，在高吸收介质背后接收到的电磁波场强小得多，呈现负异常，就像阴影一样。利用这一差异，可推断目标地质体的结构和形状。岩溶在发育过程中，受到不同自然条件不确定性的影响，岩溶表面会出现石芽或溶沟，呈现出各种各样的形态，很大程度上增加了地质勘察的难度，在某种情况下可能导致较为严重的地质灾害，直接影响到水利水电、铁路公路、桥梁及建筑工程的正常施工。对以岩溶堵漏成库为目的的岩溶系统探测，应根据岩溶水文地质调查分析，勘察对象主要为可疑渗漏段的隐伏岩溶洞穴和暗河系统，针对特殊的岩溶问题需进行专题研究[6-7]。
针对岩溶隧道灾害的超前预报、灾害的处理措施和岩溶隧道的施工方法等，超前地质预报技术的方法原理各不相同，多解性是地球物理探测的固有难题，受各种条件的，常用超前预报手段都有各自的缺点和局限性，单一预测方法难以取得令人满意的结果。学者们提出了综合超前预报思想体系，并在许多隧道施工过程中得到成功应用，积累了大量宝贵经验，其中包括曲海峰[8]、王锦山[9]、李术才[10]等人研究成果。隧道综合超前地质预报包括广义上的综合和狭义上的综合两个方面。在广义综合超前地质预报方面，人们已逐渐提出了能融合多方面信息的隧道地质灾害风险评价模型，如：葛颜慧[11]等建立了基于风险评价的岩溶隧道综合超前地质预报技术体系，以风险评价为基础，针对隧道不同风险等级区段，制定了不同预报方案，以提高预报精度；原小帅[12]等人将影响预报手段的指标量化，采用层次分析法建立综合预报体系，并将该体系应用于紫荆山隧道F2断层预报中；石少帅[13]等人通过逾百例工程实例总结，从孕险环境和影响因子两个方面遴选突涌水典型影响因素，采用频数统计和层次分析等方法建立了岩溶隧道突水突泥全过程渐进式风险动态评估模型，并在湖北三峡翻坝高速公路三条特长隧道中成功应用；舒森[14]等人基于层次分析法建立了包括地质因素、综合预报方法及预报解译因素在内的岩溶隧道突水突泥预报综合评估模型，可灵活系统地根据各项解译因素综合评估岩溶段突水突泥发生的可能性；徐善初等[15]建立了基于模糊层次评价法的隧道地质灾害评估模型；周宗青[16]通过构建各评价指标的属性测度函数建立了岩溶隧道突涌水危险性评价的属性识别模型；杨艳娜[17]建立了岩溶隧道涌突水灾害危险性评价系统。总的来说，综合超前地质预报技术在经历了“简单组合、经验性判断”的初期发展阶段后，己经进入了 “多种预报方法优化组合、综合定量化解译”的新阶段，但要想实现业界普遍期望的效果仍需要进一步展开大量研究。
针对溶洞引起的隧道稳定性问题，岩溶发育区往往会导致隧道崩塌、突水突泥等灾害，分析研究溶洞对隧道围岩稳定性研究很有必要性。溶洞洞径大小、含水情况、隧道填充及溶洞位置是影响隧道的主要因素。岩溶隧道溶洞的存在对隧道围岩主要有以下几个方面的影响：
1）溶洞对隧道底部岩体的影响。隧道底部的溶洞、地下暗河等可能会引起开挖隧道底部坍塌或隧道基础悬空；如果溶洞为充填松散碎石等堆积物时，隧道容易发现底板上鼓；如果隧道底部溶洞发育较大或水流较强时，则需要考虑溶洞处置方法。
2）溶洞对拱顶岩体的影响。由于溶洞的充水，岩土体裂隙的发育和地下水的渗流作用，如果较大溶洞处于隧道顶部时，隧道顶部极易产生坍塌，如果与地面成漏斗或与落水洞相连，隧道拱顶极易形成垮落，隧道上覆岩体产生漏斗状空洞贯通直至地表，易发生涌水、涌泥等。
3）隧道大量涌水。当隧道在地下富水带开挖时，溶洞往往含有大量水，这是隧道开挖就极易产生突水，并且会伴随突泥等灾害事故的发生，造成施工停止，大大耽误工期。
4）靠近隧道处的水的循环或者腐蚀作用。水循环或者腐蚀性水容易侵蚀隧道支护结构，造成结构破坏，增加维护成本。
5）对周围生态造成破坏。浅埋岩溶隧道的开挖容易产生地表大变形，甚至垮塌，破坏隧道上部植被。在隧道未开挖前，溶洞在自重力的作用下，绝大多数溶洞处于一个稳定的状态，隧开挖后，隧道岩体应力发生改变，引发隧道围岩的二次应力分布，与隧道距离较近的隧道就会受到波及，应力发生改变反过来影响隧道围岩的稳定，要对溶洞做出相应的处治措施。
针对隧道围岩稳定性问题，众多学者做出了大量的研究。于学馥[18]教授等人提出了“轴变论”理论，该理论认为隧道的坍塌问题可以运用弹性理论分析，二维应力场中，具有一定轴比的椭圆洞最有利于隧道围岩稳定，当应力超过岩体强度极限时，隧道围岩产生大变形直至破坏，产生坍塌，导致应力的重分布，其改变了隧道轴比，应力区发生改变，直到隧道围岩变形达到稳定。近年来他们又提出了隧道开挖系统控制理论，该理论认为岩体开挖导致岩体平衡破坏，但这个系统具有自组织能力。董方庭[19]教授提出了围岩松动圈理论，认为围岩坚硬的隧道围岩松动圈接近于零，虽然隧道围岩存在变形，但是隧道不需要采取任何支护措施；围岩越破碎，自稳能力越差，产生位移越大，围岩的松动圈越大就需要越强的支护结构，因此在隧道施工过程中要防止围岩的松动圈的增大，以防治坍塌事故的发生。
国内外众多学者针对溶洞对围岩稳定性的影响做了大量研究后发现当溶洞与隧道的间距小于等于临界安全厚度时，隧道围岩会发生失稳，产生较大弯曲变形甚至产生坍塌或突泥突水等灾害事故。W.Z. Chen[20]等通过研究数值模拟及实地测量数据研究，提出了一个可以运用于大型地下洞室开挖稳定性的蠕变—损伤耦合模型。J.S. Yang[21]等对岩溶地区由于溶洞存在引起的隧道周边地表沉降进行了研究。Jun Liu[22]等对开挖过程关键块体的稳定性进行了研究，此研究基于块体理论。宋战平[23]基于简化溶洞为梁板模型，运用弹性理论方法，推导了隧道底板、顶板的最小安全厚度数值解。臧守杰[24]研究了岩溶隧道底板的安全厚度，并建立了最小安全厚度的理式。赵国祝[25]通过隧道位移变形量来评定和预测岩溶隧道的机构稳定性。主要技术进展方法如下：
①采用理论分析，探讨隧道围岩稳定性的主要因素，引入围岩应力及位移计算公式，研究隧道围岩的应力及位移。
②利用现场监测，运用 TSP 法和地质雷达作法超前预报，分析隧道掌子面前方围岩情况，并对分析结果进行验证，研究两种方法的优缺点，为隧道的超前预报提出合理的建议。
③利用数值模拟，研究不同溶洞工况下的隧道围岩应力、位移规律。对实际工程进行三维仿真模拟，研究围岩及洞口段边坡的位移规律，并用现场监控量测对其进行验证。
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