隧道施工中的地質災害預警與溶洞治理

何綿超

（貴州黔貴路橋工程有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

隧道是重要的基礎設施工程，廣泛應用于道路、鐵路、地鐵和水利工程中，對社會和經濟的發展起重要作用。然而，在隧道施工過程中，地質災害（包括地滑、地震、巖爆等）和溶洞問題會影響工程質量，可能導致工程進度延誤，甚至引發安全事故。地質災害的不可預測性和突發性使其成為隧道施工中的主要挑戰之一。為確保隧道施工的安全性和可行性，應采取有效的地質災害預警系統，以及溶洞治理策略。

1 地質災害的威脅

1.1 不同類型的地質災害對隧道施工的潛在影響

地質災害是指在自然或者人為因素的作用下形成的對人類生命財產、環境造成破壞和損失的地質現象，會對隧道施工構成重要威脅[1]。地質災害包括地滑、地震和巖爆等，每種類型的災害都具有獨特的特點，會對隧道施工產生不同的潛在影響。

首先，地滑是一種常見的地質災害，通常由降水、地質構造和地下水位等因素引發?？赡軐е碌乇硐禄?，損壞施工現場和工程結構，甚至引發人員傷亡。在隧道施工過程中，地滑還可能導致隧道墻壁不穩定，增加大量修復工作，阻礙施工順利開展。

其次，地震的影響難以預測，且具有高度破壞性。隧道地震可能導致土壤液化、巖石坍塌和隧道結構破壞，不僅會對施工人員的生命安全構成威脅，還可能導致工程延誤、產生巨大的經濟損失。因此，在地震多發地區進行隧道施工時，地震預警系統和地震安全性設計至關重要。

最后，巖爆是指巖石或巖層在高應力下瞬間破裂或爆炸的現象。巖爆可能導致巖石飛濺、塊狀物體高速移動，使隧道壁面受損，會對隧道施工造成嚴重影響。此外，在沒有適當預警和防護措施的情況下，巖爆還可能危及施工人員安全，破壞工程結構，導致工程停滯。

1.2 地質災害的不可預測性和危險性

地質災害具有不可預測性，盡管可以使用現代技術來監測地質活動，但很難精確地預測何時、何地將發生何種規模的地質災害。這種不確定性使施工團隊難以提前采取必要的預防措施，從而增加施工風險。

地質災害的危險性是另一個需要重點考慮的因素。這些災害可能對隧道施工造成巨大的破壞，不僅威脅施工人員的生命安全，還可能對施工進度、施工成本產生不利影響，甚至影響原施工方案的可行性。

2 地質災害預警系統

2.1 現代地質災害預警系統的重要性

現代地質災害預警系統不僅有助于保護施工人員的生命安全，還有助于減少工程損失、避免工期延誤（見表1）?，F代地質災害預警系統能夠迅速檢測各種地質災害的跡象，如地震、地滑、巖爆等，并及時發出警報，便于施工團隊提前采取措施降低潛在風險，避免可能出現的災害[2]。

表1 地質災害項目表

2.2 用于地質災害預警的先進技術和工具

借助先進的技術和工具，現代地質災害預警系統能夠在隧道施工過程中實時監測并及時警示潛在的地質災害。用于地質災害預警的先進技術和工具主要如下。

遙感技術：衛星遙感和航空遙感技術主要用于監測地表變化。其中包括監測地表下降、地表裂縫、土地滑坡等跡象，這些都可能是地質災害的先兆[3]。系統及時獲取和分析遙感數據，可提供預警和警示，便于施工團隊采取措施降低風險。

地震傳感器：用于監測地震活動，包括地震的震級、震源位置和地震波的傳播速度等，地震預警系統可提前幾秒到幾分鐘提示可能到來的地震，為施工團隊提供一定的時間安全撤離或采取安全防護措施。

監測網絡：地下水位監測、巖石應力監測、地表位移監測等監測網絡可以提供地下和地表條件的實時信息[4]。這些數據可用于分析地質異常，如地下水位升高、地質應力變化、地表沉陷或抬升等，施工團隊能夠及時采取措施應對潛在風險。

地理信息系統（GIS）：可用于整合地質、地形、氣象等多種數據，以建立地質信息系統，提供地理信息的空間分析和模擬，及時識別潛在地質災害風險區域，并生成地質風險地圖，便于決策者采取合理的應對措施[5]。

3 溶洞挑戰

溶洞是石灰巖被含有二氧化碳的流水所溶解、腐蝕而形成的天然洞穴，隨著時間的推移，這些洞穴會不斷擴大，甚至可能相互連接，形成復雜的溶洞系統。溶洞的發展通常受到多種因素的影響，包括地下水位的變化、溶質濃度、巖層的厚度和巖石的組成等[6]。

3.1 溶洞對隧道工程的影響

溶洞對隧道工程的影響主要如下：

第一，溶洞可能導致地面塌陷，對施工現場和工程結構造成損害。地表下的溶洞通常無法被裸眼識別，因此可能出現防護措施不到位的情況，影響安全施工。

第二，溶洞可能導致地基不穩定。由于溶洞可能存在于工程地下，會影響地基的強度和穩定性，導致隧道沉降、開裂和結構受損，會對工程的安全性和連續性開展產生嚴重影響。

因此，在隧道施工中識別和處理潛在的溶洞威脅至關重要。需要采取填充、加固或避讓等預防措施和治理策略，以減少溶洞對隧道工程造成的風險，確保隧道工程順利、安全進行（見圖1）。

圖1 隧道大型溶洞

3.2 溶洞的特殊性和不同類型溶洞對工程造成的威脅

由于溶洞通常隱藏在地下，不易被察覺，這一特殊性使其對隧道工程構成了獨特挑戰。此外，不同類型的溶洞可能對隧道工程造成不同的威脅。例如，一些溶洞是孤立的、小型的，對工程的影響較??；而有些溶洞可能是復雜的、大型的，對隧道的安全性和穩定性會產生嚴重影響。

在石灰巖地區，溶洞問題更加突出，溶洞系統可能更加復雜。因此，進行隧道施工時，施工團隊需要采用先進的地質勘測技術，如地下雷達和巖芯取樣等，做好地質勘測和監測工作，以有效識別溶洞存在并采取必要的預防和治理措施，降低溶洞對工程造成的威脅[7]。

4 溶洞治理策略

4.1 不同類型溶洞治理策略

面對不同類型的溶洞問題時，需要采取不同的治理策略，常見的溶洞治理策略如下：

第一，填充策略。將混凝土、巖屑、砂土等材料填充到溶洞內部，以填補空洞，同時加固地下結構，提高地基的穩定性，增強地面的承載能力。填充策略通常適用于小型或較淺的溶洞，對于大型、復雜的溶洞可能達不到預期的治理效果。

第二，加固策略。該治理策略主要是利用混凝土、鋼筋或其他支撐結構，加固洞穴結構，防止地下溶洞擴大，降低地面沉降風險。該策略適用于較大或較深的溶洞治理。

第三，避讓策略。主要是避開或繞過存在溶洞的區域，以減少與溶洞的直接接觸，可以通過調整隧道設計和路徑來實現。雖然避讓可能增加工程的復雜性和成本，但可以降低與溶洞治理相關的風險[8]。

在實際施工過程中，需要結合溶洞的類型、規模、深度等情況，以及工程項目的預算、時間要求等，合理選擇上述治理策略，以確保工程的安全性和可行性。

例如，在貴陽經金沙至古藺（黔川界）高速公路工程中，偏坡寨隧道現場開挖至ZK83+278 掌子面揭露出2 處溶洞，第1 處溶腔口位于掌子面左側拱腰位置，溶腔豎直向掌子面左上發育，沿隧道環向寬度11.6m，沿隧道縱向寬度9m，可見深度約為13m，溶腔內無填充，內壁局部掛有黏土，整體為基巖，頂板為土層，腔內潮濕，周壁欠穩定。第2 處溶腔口位于掌子面右側右上拱頂，豎直向上發育，沿隧道環向寬度10.7m，沿隧道縱向長度8.7m，向上可見深度超過10m，溶腔無填充，內壁懸石，局部掛有黏土，腔內圍巖面潮濕，裂隙較為發育，周壁欠穩定。兩溶腔開挖過程均發生較大坍塌。

ZK83+283—291 段，開挖揭示隧道拱頂下0～3m范圍為砂性土、黏土層，0～3m 以下為巖溶發育的硬質灰巖，開挖支護過程穩定。ZK83+291—305 段整個掌子面均為砂性土、黏土層，特別是該段左半部黏土層沉積性明顯，濕潤、半黏稠狀，自穩性極差，支護完成后，初支突然性收斂變形達到43cm 以上。

施工過程中采取以下措施：偏坡寨隧道ZK83+465—ZK83+475 段襯砌類型由S-IVa 調整為S-Va。初支施工完成后，從起拱線開始拱部發生嚴重沉降變形，為防止初支變形過大失穩坍塌，對該段初支外增設了臨時腹拱進行加固。

4.2 治理策略選擇要點

選擇溶洞治理策略時，需要綜合考慮多個關鍵因素，具體如下：

第一，了解溶洞的結構、尺寸和地質特性對于確定治理方法至關重要。不同類型的溶洞和地質條件下，可能需要采用不同的治理策略，其中地質調查和研究是合理選擇治理策略的關鍵。例如，對于小型或較淺的溶洞，可采用填充策略，而對于較大或深的溶洞，可能需要采用加固策略。

第二，由于治理溶洞的施工成本相對較高，因此需要進行經濟可行性評估。選擇治理策略時不僅應考慮安全性，還應考慮成本等因素，如綜合考慮項目預算和可用資源等，以確保治理策略的經濟可行性。如果填充或加固范圍大，可能會帶來更高的施工成本，避讓策略有時可能是最經濟的選擇[9]。

第三，進行溶洞治理時還必須考慮環境保護因素，以降低對自然生態系統的不利影響。特別是在自然保護區或生態敏感地區，必須謹慎考慮環境保護問題，采取環保措施，如使用可降解或環保型材料等，并采取生態系統恢復措施，從而有效降低治理過程對環境造成的負面影響。

4.3 溶洞治理成功案例

目前，國內外已有諸多溶洞治理成功案例，其中較為著名的是我國的武漢—廣州高鐵項目。在該項目中，在面對大型溶洞和地下河流的挑戰時，工程師采用了填充和加固策略，防止溶洞擴大，同時加固地下結構，確保了高鐵線路的安全、穩定開展[10]。

5 結語

綜上所述，地質災害和溶洞會給隧道施工帶來一定的威脅。其中地質災害具有不可預測性和危險性，需要采取預警措施，如借助遙感技術、地震傳感器和監測網絡等構建地質災害預警系統，以便及時識別和應對地質災害；溶洞具有一定的特殊性，需要根據實際情況選擇合適的治理策略，包括填充、加固和避讓等，以確保隧道工程的安全、順利開展。未來，隨著相關科技的不斷發展，地質災害預警系統的精確性和實時性將持續提升，新的傳感技術和數據分析方法也將提高地質災害預測能力。同時，環保型溶洞治理策略將成為研究重點，進而減少對生態環境的不利影響。