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1隧道岩溶灾害与治理内容概要一、概述二、岩溶发生机理三、隧道常见岩溶类型及其对施工影响四、隧道岩溶治理方法2中国1/3地区为可溶岩地层，裸露型及埋藏型可溶岩全国广泛分布，是世界上岩溶区分布最多的国家之一一概述3危害4¾随着西部交通网的构建和水电建设的发展，越来越多的长大隧道（洞）投入建设。在西南山区，由于岩溶的广泛分布，导致在施工过程中遭遇到溶洞、溶管等岩溶不良地质问题，由此而带来的塌方，涌水，涌泥等地质灾害造成了严重的安全事故以及重大经济损失。为什么要研究地下工程岩溶？5隧道及地下工程建设呈现多、长、深、快的局面：¾1987年大瑶山隧道14.295公里¾2000年秦岭隧道18.45公里¾2005年终南山隧道18.04公里¾2006年乌鞘岭隧道20.05公里¾2009年太行山隧道27.839公里¾2012年新关角隧道32.6公里其中很多复杂高风险岩溶隧道：¾宜万铁路全长377公里，隧道241公里，占线路总长的64％。高风险岩溶隧道8座，其中齐岳山隧道、马鹿箐隧道、野三关隧道非常著名；¾贵广铁路全长857公里，隧道216座，占线路总长的53.9%，高风险岩溶隧道8座，其中3座长度在10公里以上。贵阳至贺州段为岩溶极发育段；¾兰渝铁路、大瑞铁路。。。。。。6¾21世纪岩溶突水突泥灾害频频发生：•2002年9月10日渝怀铁路圆梁山隧道突泥，死亡9人；•2004年2月22日城黔公路通渝隧道突泥，死亡5人；•2006年1月21日宜万铁路马鹿箐隧道突水，死亡11人；•2007年8月5日宜万铁路野三关隧道突水，死亡10人，42人获救；•2008年4月11日宜万铁路马鹿箐隧道突水，死亡5人；·宜万铁路马鹿箐隧道于2006年1月发生特大岩溶涌水，最大涌水量高达30万立方米/小时，造成11人死亡。7充泥溶洞造成的塌方（YK329+630~570，主要是黄泥夹孤石）齐岳山隧道开挖中揭露的岩溶现象岩溶竖井地表照片（YK326+437，冒顶）齐岳山隧道开挖中揭露的岩溶现象8以上仅仅是西部部分岩溶隧道建设中的几个典型事例。可见，岩溶不良地质条件给隧道施工带来了极大的困难和安全问题，对岩溶发生规律进行相关研究，对隧道掌子面前方的岩溶进行准确及时的预报，并制定合理安全的治理措施，是岩溶地区隧道动态设计与信息化施工中亟待解决的重要问题。二、岩溶发生机理1.岩溶基本概念在可溶性岩石地区，凡是地下水为主、地表水为辅，以化学过程（溶解与沉积）为主、机械过程（流水侵蚀和沉积、重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用。这种作用所造成的地表和地下形态叫岩溶地貌。岩溶作用及其所产生的水文现象和地貌现象统称岩溶。919世纪末，南斯拉夫学者司威治研究了喀斯特高原的奇特地貌，并把这种地貌叫做喀斯特（karst）。以后，就借用喀斯特这个地名来称呼碳酸盐岩地区一系列特殊的地貌过程和水文现象。这样，喀斯特一词便一直成为世界各国所通用的专有术语。在我国的桂林地区该地貌发育最为典型，发育类型最为全面。发生在石灰岩、白云岩、石膏、岩盐(岩盐，又叫石盐，主要化学成分是氯化钠)等可溶性岩石中的岩溶叫真岩溶。另外，在碎屑岩（砾岩、角砾岩、砂岩等）、冻土和黄土地区，也存在着类似岩溶的现象，称为假岩溶。岩石可溶性渗透性水流动性侵蚀性2岩溶发育基本规律基本规律10¾岩溶化程度随深度逐渐减弱。¾强岩溶发育带下界一般位于枯季水面以下50～100m处，沿断裂带可延伸到200m或更深。3岩溶作用机理在岩石溶蚀过程中化学溶蚀起主导作用。而在化学作用中水对可溶岩的溶解和水解十分普遍，即使在纯水中，一部分水分子也常离解成H+离子和OH-离子，使水具有酸性或碱性反应，其化学活动性很强。OH-离子很容易夺取盐类矿物中的K+，Na+，Ca+和Mg+等阳离子，促使矿物结构破坏，分解为单个离子或分子扩散于水中。实际上自然界中的各种水体如雨水、河、湖或地下水都不是纯水，而是含有酸类如碳酸、硫酸、硝酸等的水溶液，它们都会加速岩石的破坏，特别是碳酸对石灰岩的碳酸化作用就更为普遍。原因是大气中的CO2与水化合后即成为碳酸：11化学方程式如下：碳酸电离后产生H+和HCO3-离子即：当H+与石灰岩（CaCO3）作用时，H+从CaCO3中离解出CO32-，从而分解出Ca2+，CaCO3也就溶解于水即：•综合反应式是：此外，由硫化铁氧化时产生的硫酸，闪电时产生的二氧化氮溶入水后形成的硝酸等强酸类，对石灰岩都会产生强烈的溶蚀。124影响岩溶发育的因素•溶蚀作用能否进行及其溶蚀速度的快慢主要取决于水的溶蚀性和流动性、岩石的可溶性和透水性等影响因素，另外，地质结构和构造也是影响岩溶发育的重要因素。•⑴水的溶蚀力•纯水的溶蚀力很微弱，只有当水中含有CO2时，才有较强的溶蚀作用，将CaCO3溶解，把不能溶解的残余物质留下，或呈悬浮状态被水流带走。前面提到了石灰岩碳酸化作用的方程式，该化学反应是可逆的，正反应的速度取决于CO2的浓度，逆反应的速度取决于Ca2+的浓度。也就是说，水中CO2的浓度越大，水的溶蚀力越强；水中Ca2+的浓度越大，水的溶蚀力越弱。而水中CO2浓度受水的温度和空气中CO2含量的影响，具体如下表。水中CO2含量及CaCO3的溶解度可见，在大气压相同条件下，温度越高，CaCO3在水中的溶解度就越小。但是有一点需要指出，在高温地区，虽然气温高，CO2和CaCO3在水中的溶解度小，但化学作用快。据检测，气温每增加10℃，化学反应速度约增加一倍，所以高温地区岩溶发育快。13⑵水的流动性•经常流动的水体，能较大地提高水的溶蚀力，原因：•①流动的水处于开放系统，从降水（补给）——地表水及地下水（流动）——排泄过程中，水经常与空气保持接触，能不断地补充因溶蚀岩石所消耗的CO2，使水体不易达到饱和。•②处于流动状态的水，有时虽然达到饱和，但当几种不同浓度的饱和溶液混合后，可变为不饱和而重新获得溶蚀能力。⑶岩石的可溶性•岩石的可溶性主要取决于岩石成分和岩石结构。岩石成分指岩石的矿物成分和化学成分。岩石结构是指组成岩石的颗粒大小、形状和排列、岩石的胶结物性质等。•可溶性岩石分为三类：•碳酸盐类岩石——石灰岩、白云岩〔CaMg(CO3)2〕、硅质灰岩、泥灰岩等•硫酸盐类岩石——石膏(CaSO4·2H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)•卤盐类岩石——石盐、钾盐•溶解度大小：卤盐＞硫酸盐＞碳酸盐14⑷岩石的透水性•岩石的透水性对岩石的溶蚀速度和地下岩溶的发育有着重大影响。透水性不良的岩石，溶蚀作用只限于岩石表面，很难深入岩石内部。透水性好的岩石，地表和地下溶蚀都很强，地貌发育也好。透水性强弱取决于岩石的孔隙和裂隙大小和多少。按孔隙及裂隙的生成先后，可分出原生透水性与次生透水性二种，其透水性能差别较大。•原生透水性指在成岩时生成的孔隙及裂隙与其所产生的透水性能。次生透水性指岩石生成后，由于构造运动、风化和侵蚀作用而成的裂隙所产生的透水性能。其中由构造运动形成的张裂隙、断层裂隙和减荷裂隙等对透水性影响最大，它们明显地控制着岩石的透水性。•此外，溶蚀作用本身也不断地改变着次生透水性，例如由溶蚀所成的管道、洞穴和溶隙等地貌，它们极大地扩大了透水空间，增加了透水性，从而加强了岩石的溶蚀。这是地貌结果对地貌作用的一种正反馈。相反，如果堆积作用加强，透水空间缩小，透水性则受到削弱，造成了一种负反馈。15⑸地质结构的影响•岩体结构、构造以及岩层产状、接触关系、层厚、断裂、褶皱、节理、裂隙、软弱夹层、风化程度等地质特征决定了岩溶发育程度和规模的不同。•①碳酸盐岩与非碳酸盐岩在空间位置的组合关系对岩溶发育的影响。一般来说，产状平缓的灰岩，上覆页岩时．因受页岩的阻隔，灰岩不能从垂直方向得到降水的直接补给，因此岩溶一般不发育。而产状平缓的灰岩，下伏页岩，当二者的接触面高于临近的河水时，由于岩溶水受页岩的阻隔．灰岩与页岩的接触面上．常有岩溶泉以悬挂的形式，出露在河谷斜坡之上。当灰岩与页岩的接触面低于临近的河水面时．则该接触面多为岩溶水向深部运动的下限，因而往往控制着当地岩溶发育的深度。陡倾或直立产状的灰岩与砂页岩相间排列时，两者的接触带是岩溶水动力现象最活跃的场所．岩溶作用强烈，常在这些接触带附近形成一系列的落水洞、漏斗及岩溶泉现象。16•②不同性质的断裂对岩溶发育的影响也各不相同•张性断裂带有利于岩溶水通过，所以岩溶化程度通常很强烈，常见较大的溶洞；压性断裂带的压碎岩石、糜棱岩和断层泥在压力的作用下较为致密，不易透水，所以岩溶一般不发育；扭性断裂面延伸较远，利于岩溶水向纵深方向活动，导致岩溶的作用深度较大。•③褶皱不同部位的岩溶发育具有不同的特征•背斜轴部是产生张应力的地方，节理发育，在地形上往往处于山区分水岭地段，雨水或地表水沿这些节理裂隙作垂直运动-然后再向两翼或沿地质构造线方向运动．故岩溶多以落水洞、漏斗、洼地等为主，并具有与构造轴线一致的带状分布特征。•向斜轴部在岩溶水运动系统中属聚水区或排泄区，岩溶水往往富集于轴部或循构造轴向流动，或向地表河流排泄，给向斜轴部岩溶水的水平运动刨造了十分有利的条件。因此，一般在向斜谷中．常发育有暗河，同时由于轴部发育的垂直裂隙的岩溶化，形成了一系列与暗河相连通的漏斗、落水洞、竖井等垂直形态。•褶皱翼部在岩溶水运动系统中居于径流部位，流速大，水动力作用活跃．因此岩溶化程度最强烈。另外，褶皱构造的转折端也是岩溶发育的集中部位。17④岩层产状对岩溶发育也有较大影响一般来说，近水平的产状易产生规模较大的溶洞，近竖直的产状易产生狭长的溶洞或者溶隙。¾水平产出的岩层入渗条件差¾直立产出的岩层，因地表汇水面积小¾最利于岩溶发育的岩层产状是倾角20～60度的单斜，一组全层厚50～100米的中厚层灰岩185常见的岩溶形态在可溶性岩石分布地区，溶蚀作用在地表和地下形成了一系列溶蚀现象，称之为岩溶的形态特征。这些形态既是岩溶地区所特有的，使该地区地貌形态奇特，景致优美别致，常被开发为旅游景点，同时，这些形态，尤其是地下洞穴，暗河，也是造成工程地质问题的根源。常见的岩溶形态有以下几种：①溶沟、石芽与石林地表水沿可溶性岩石的节理裂隙和层面流动，不断进行溶蚀和侵蚀，使岩石表面形成沟槽形态。凹槽称为溶沟。沟槽间的突起称为石芽。而石林则是是热带石芽的一种特殊形态。形体高大的石芽，石芽之间的溶沟很深，沟坡垂直，坡壁上刻有平行垂直的凹槽。以云南的路南石林最为典型，相对高度一般20米左右，大者可达50米左右。19溶沟石林20②漏斗、竖井与落水洞•漏斗：地表水沿着可溶性岩石的竖直裂缝下渗，最先产生溶隙。待顶部岩石溶蚀破碎及竖直溶隙扩大，岩层顶部塌落形成近乎圆形坑。圆形坑多具向下逐渐缩小的凹底，形成近似漏斗成为溶蚀漏斗。在漏斗底部常堆积岩石碎屑或者其它残积物。漏斗可分为溶蚀漏斗和塌陷漏斗两种类型。•落水洞：是指开口于地面而通往地下深处裂隙、地下河或溶洞的洞穴。是地表水流入地下的进口，落水洞大小不一，形态各异，有垂直的，有倾斜的，也有弯曲的。落水洞的形态主要有两种：一是裂隙状落水洞，形态狭长，作一定倾斜和曲折向地下延伸，这种落水洞分布最广。二是井状落水洞，它的深度和宽度都很大。落水洞的形成主要是侵蚀作用和重力作用。世界最大的岩溶漏斗——小寨天坑21③溶蚀洼地及溶蚀谷地•溶蚀洼地：是一种面积比较大的圆形或椭圆形的封闭形洼地。它的四周多被峰林围绕，其形成一般认为是由多个漏斗融合而成。•溶蚀谷地：是指宽阔而平坦的谷地，也叫溶蚀盆地。在南斯拉夫称为坡立谷（polje）。谷地两侧多被峰林夹峙，谷坡急陡，但谷地平坦，横剖面如槽形。谷地内常有过境河流出。溶蚀谷地大多是沿断裂带或构造带溶蚀发育而成。如广西都安的溶蚀谷地宽1公里，长达10公里以上。在许多溶蚀谷地中，还耸立着一些残丘和孤峰，如桂林山水。溶蚀洼地22溶蚀洼地④干谷、盲谷和地下河•干谷：岩溶地区的干涸河谷。因为地壳上升，侵蚀基准面下降或河流袭夺等原因，地面河转为地下河，在地面留下干涸的河道，谷地较平坦，并有漏斗、落水洞分布，常覆盖有松散堆积物。•盲谷：是岩溶地区一种死胡同式的没有出口的地表河谷。