地下水對隧道的影響以及應對措施

苗春霖

（重慶單軌交通工程有限責任公司,重慶市大渡口 400084）

地下水對隧道的影響以及應對措施

苗春霖

（重慶單軌交通工程有限責任公司,重慶市大渡口 400084）

隧道建設與地下水環境有著密切聯系，隧道開挖過程中地下水將涌入隧道，大量隧道涌、突水將對隧道造成嚴重影響，隧道運營階段地下水的滲漏則對結構穩定、洞內設施運轉等造成影響，文章就地下水對圍巖的作用機理做了深入淺出的分析探討，對正確處理隧道中的地下水問題有一定的參考價值。

地下水 作用 腐蝕 隧道

1、引言：

隧道建設與地下水環境有著密切的聯系。一方面由于地下水滲流影響，隧道開挖過程中地下水將涌人隧道。少量的涌水對隧道施工影響不大，但是大量的隧道涌、突水將對隧道建設造成嚴重影響，甚至掩埋施工人員和機具。隧道運營階段，地下水的滲漏則對隧道結構穩定、洞內設施運轉、行車安全等，產生諸多不良影響甚至威脅。另一方面地下水對隧道產生影響的同時，隧道建設及運營也會給地下水環境造成嚴重影響。隧道的長期排水將引起地下水疏干導致地下水位下降進而引起地面沉降、重要水源斷流等，形成環境災害。

2、研究現狀

2.1 、隧道建設階段地下水影響研究現狀

在隧道建設過程中涌水災害的研究方面，主要集中在如何準確的預測涌水量、涌水位置和關鍵的水文參數．滲透系數的研究方面。最早的涌突水預測是從定性開始的，隨著技術水平和施工要求的提高，基于定性分析的隧道涌水量預測研究發展成為隧道涌水的定量計算。國外已有許多學者根據地下水動力學中以裘布依公式(1 875)為代表的穩定流理論和以泰斯公式(1 935)為代表的非穩定流理論，提出了許多隧道涌水量預測的經驗量化公式，比較常見的有：日本的左藤邦明公式、落合敏朗公式；前蘇聯的科斯嘉可夫(A·H·KOCT，IKOB)公式、吉林斯基(H·K·FHpHHCKHfi)公式、福希海默(Forcheimer·F)公式等。

2.2 、隧道運營階段地下水影響研究現狀

對運營隧道滲漏水防治這一領域，日本曾在1996年對隧道滲漏水情況做過統計，發現總長4870KM的隧道，隧道總數的58%出現滲漏，其中49%的隧道出現在拱部，23%的隧道出現在邊墻，28%的施工縫及變形縫出現滲漏水，國外研究者還開發了相應的監測軟件來共同維護隧道質量，如日本在對病害現象和造成病害原因進行分類的基礎上，開發了專門的隧道管理軟件(TMS)，通過實際檢測和軟件來共同監控、維護隧道的質量狀況，結合軟件的理論推測和實際經驗，可以更好的解釋襯砌背后許多不可見的缺陷如空洞、土的坍塌、積水等的部位，在此基礎上，還可以分析出其它缺陷產生的原因，如表面裂縫的產生、塌方后危險程度的評估和應該采取的修補措施。

3、地下水對圍巖的作用

山嶺隧道施工中，地下水的問題是老大難問題，為了保證施工質量，處理好地下水就成了不可回避的問題。因此，十分有必要對地下水對巖石的作用機理有個清楚的認識。

3.1 、地下水對隧道圍巖的物理作用

地下水對隧道圍巖的物理作用主要是軟化、分割、潤滑、泥化、崩解、凍融和熱融等，一般表現為地下水對巖土的綜合軟化效應。

3.1 .1 、軟化作用

當巖石受水浸濕后，水分子改變了巖石的物理狀態，使巖石內部顆粒問的表面發生了變化，導致強度降低，加劇巖層移動過程。由試驗得知，當水份增至4 %時，砂巖強度可降低 50%，本來支撐力不大的砂礫土可完全失去支撐力。特別對于一些粘土礦物，由于顆粒細、親水性強，水會在粘土礦物之間形成極化的水分子層，而這些水分子層又可以不斷地吸水擴層；同時水分予還可以進入礦物晶胞層間，形成礦物的內部層間水層。這兩種水層中，前者導致粘土礦物外部膨脹，后者導致內部膨脹。這種膨脹就導致了巖石的強度降低，即軟化作用。軟化作用還與巖石膠結成分和膠結強度有密切關系。具有高強度的結晶巖，水對其的軟化作用很小，而硅質膠結、泥質膠結、鐵質膠結和有機質膠結的軟巖受水的軟化作用很大。軟化程度可以用軟化系數α表示即：

一般軟巖的軟化系數在0．6以下，有的甚至在0．3以下，如軟弱糜棱巖的軟化數為0．14。軟化作用對一些軟巖尤為重要，特別是某些特殊的軟巖，在天然狀態下較為完整、堅硬，力學性能良好，遇水后短時間內迅速膨脹、崩解和軟化，造成力學性質快速大幅度下降。

3.1 .2 、分割作用

水能分隔巖石的節理，而承壓水又可減小巖石表面之間的有效法向應力，因而減小了由磨擦而可能產生的潛在抗剪力，導致最終減小巖體的抗壓抗剪切力強度這一后果。所以節理極為發達巖層為水的浸入創造條件。

3.1 .3 、潤滑作用

水對巖土體的潤滑作用主要表現在兩個方面：一是充滿水的裂隙面上的摩阻力減小，二是水壓力導致裂隙面上正應力降低，使巖石的抗剪強度降低。據報道，地下水的上浮力使巖石摩擦阻力的降低可以超過37%或更多。

3.2 、圍巖與地下水的力學作用

巖土體應力應由于滲流場的變化而產生了變化。首先，由于隧道大量疏干地下水，造成地下水位下降，飽和巖土層中孔隙水壓力降低，不飽和區域負孔隙水壓力區隨之擴大。在總應力不變的情況下有效應力上升。其次，由于滲流場被隧道改變，地下水的滲流方向全部改變為新水力梯度下的向隧道中心點流動，其方向是向下的。這樣隨著滲流方向的改變地下水滲流力亦隨之改變，增大了豎直向下的應力，總應力上升。在孔隙水壓力減小的情況下更增大了巖土體有效應力。隨著有效應力上升土體發生新的沉降直至達到新的動態平衡。

水一巖的力學作用主要表現為地下水對巖土體骨架產生的兩種壓力，即孔隙水壓力和滲透壓力。

3.2 .1 、孔隙水壓力

當巖土孔隙被重力水飽和時，水對固體骨架產生一種正應力，其矢量指向孔隙壁面，這個力就是孔隙水壓力。孔隙水壓力的值由水頭值決定，孔隙水壓力pw為 pw = ρw * g *h , 根據有效應力原理，孔隙水壓力的增大會導致有效應力的減小角。因此可知，孔隙水壓力增大，巖土體抗剪強度降低。通過做莫爾一庫侖強度包線圖，可以得到同樣的結論。由于σl和σ3都減去Pw，所以莫爾圓的直徑不變，但是會向左側移動。當移動超過一定距離(即孔隙水壓力Pw超過某一值)時，莫爾圓將會與強度包線相切甚至相交，即表示巖土體破壞。

3.2 .2 、滲透壓力

滲透壓力就是巖土體中的水在滲透過程作用在土粒骨架上的力，其方向與滲流方向一致，大小取決于水力梯度的大小，其表達式為

f-滲透壓力；J-水力梯度；γw一水的重度。

因為滲透壓力是滲流所遇到的阻力的反力，所以它對巖土體有一種拉曳作用。由于這種作用，在土體滲流出口附近容易產生管涌或流土的滲透破壞。當巖土體內出現管涌或流土時，土體中的小顆粒隨著水流不斷地排到土體外，在土體內形成“空腔”。當“空腔”達到一定程度時，“空腔”上部巖土在重力作用下發生垮塌。

4、通過研究地下水與隧道圍災害的研究，可以得到以下結論：

地下水與隧道圍巖的相互作用主要有三個方面：即水巖物理作用，水巖的力學作用，水巖的化學作用，地下水與隧道圍巖的物理作用主要是軟化、分割、潤滑、泥化、崩解、凍融和熱融等，一般表現為水對巖土的綜合軟化效應；地下水與隧道圍巖的力學作用主要表現為地下水對巖土體骨架產生的兩種壓力即孔隙水壓力和滲透壓力；地下水與隧道圍巖化學作用對于隧道等地下工程的影響很大，主要的影響有溶解與溶蝕作用、水解、離子交換等。

[1]黃界潁. 地下水中硫及其對土壤和作物硫效應的研究[D]. 安徽農業大學, 2003

[2]杜煒平. 隧道開挖地質災害規律與防治對策研究[D]中南大學, 2001 .

[3]柴軍瑞,仵彥卿.作用在裂隙中的滲透力分析[J]工程地質學報, 2001 .

TE

B

1007–6344（2015）01–0306–02

苗春霖（1983.11-），男，山東省菏澤市，本科，中級工程師，從事城市道路、橋梁、隧道、鐵路、公路、城市軌道交通工程等施工。