特長隧道涌水對環(huán)境的影響分析

侯建偉

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州貴陽 550001）

0 引言

隧道在國內(nèi)工程建設(shè)中具有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這主要得益于其天然的優(yōu)勢，能縮減里程，受外界的影響較少，且不易破壞外部環(huán)境。隧道建設(shè)在21 世紀(jì)后漸漸往更多區(qū)域發(fā)展，尤其是在復(fù)雜多變、自然災(zāi)害頻發(fā)的地質(zhì)環(huán)境中也開始建設(shè)隧道。在全球隧道特大事故中，發(fā)生率和傷亡人數(shù)居于前列的當(dāng)屬突涌水災(zāi)害。比如，日本東海道干線丹那鐵路隧道工程曾經(jīng)頻繁出現(xiàn)嚴(yán)重的涌水事故，經(jīng)歷16 年時(shí)間才完工；丹麥斯多貝爾海峽隧道長共計(jì)7.9km，隧道承受泥灰?guī)r裂隙中水壓為0.8MPa，施工期涌水量為4m3/s，結(jié)果淹沒了掌子面，帶來嚴(yán)重后果。在隧道施工中，突涌水災(zāi)害對工程建設(shè)安全及環(huán)境都有巨大影響。比如，西班牙南部高速鐵路隧道施工時(shí)涌水量為0.8m3/s，造成飲用水及農(nóng)業(yè)灌溉用水枯竭；武廣客運(yùn)專線隧道施工期對地下水進(jìn)行大量抽排，造成金沙洲地區(qū)地下水失衡，區(qū)內(nèi)塌陷事故發(fā)生19 處，地面13 處發(fā)生沉降變形，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失慘重[1]。

1 特長隧道涌水排放控制分析

某特長隧道項(xiàng)目地處蓮花山，直接橫穿該區(qū)域斷裂帶，屬于分離式雙向四車道公路隧道，所經(jīng)地段褶皺劇烈，斷層發(fā)育。此外，飛泉電站、飛泉水庫和黃棉湖水庫與該隧道緊密相鄰，部分?jǐn)鄬舆B接大型水體。為對隧道周圍地下水資源形成保護(hù)，由于該區(qū)域地表環(huán)境較為特殊，可通過對允許涌水量進(jìn)行計(jì)算，得出隧道涌水與地表環(huán)境之間的影響機(jī)制[2]。

1.1 基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)背景下的特長隧道涌水排放控制分析

做好特長隧道的涌水排放控制，不但可以緩解圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，還可以有效保障特長隧道周邊區(qū)域的地下水平衡狀態(tài)[3]。因此，通過建立特長隧道涌水排放的相關(guān)模型，計(jì)算出合理取值，并根據(jù)地下水力學(xué)理論及達(dá)西定律列出相關(guān)滲流平衡微分方程，以此來計(jì)算確定特長隧道的涌水量允許值，從而指導(dǎo)現(xiàn)場涌水排放控制。

1.1.1 基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)背景下的特長隧道涌水簡化計(jì)算基本假定

結(jié)合現(xiàn)實(shí)再對計(jì)算進(jìn)行簡化，基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，假定特長隧道涌水排放控制研究問題有以下條件：第一，特長隧道是在均質(zhì)各向具有相同屬性平層中，且潛水含水層為相對水平處建設(shè)；第二，涌水是從含水層上部均勻滲入；第三，涌水的滲入按照達(dá)西定律；第四，對于特長隧道的平行兩線，二者具有相同的涌水量允許值[4]。

1.1.2 基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)背景下的特長隧道滲流試驗(yàn)段探討

飛泉水庫作為該區(qū)域幾座水電站以及風(fēng)景區(qū)瀑布的水源，距該特長隧道不遠(yuǎn)。水庫的庫壩頂部黃海高程為720m，庫壩高34m，最大存水量約為25 萬m3。而該特長隧道鄰該水庫的區(qū)段設(shè)計(jì)高程約為275m，隧道在建期間該水庫的蓄水最深達(dá)到20m。

該特長隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系中采用了超前帷幕注漿，帷幕長度為80m，帷幕設(shè)計(jì)采用了雙循環(huán)。通過計(jì)算得出隧道施工期間的穩(wěn)定涌水量為每天168.3m3，滲流穩(wěn)定時(shí)涌水量總共將達(dá)到10.8 萬m3。考慮超前帷幕注漿區(qū)段的隧道施工工期為8 個(gè)多月，現(xiàn)場通過施工排水系統(tǒng)來進(jìn)行涌水量的實(shí)測，實(shí)測發(fā)現(xiàn)在施工270d 后，隧道的涌水量基本穩(wěn)定在平均每天150m3，與理論計(jì)算值相差10.87%；滲流穩(wěn)定時(shí)的涌水量總共約為12 萬m3，與理論計(jì)算值相差10.18%。

1.2 特長隧道涌水與周邊水庫水位相互影響探討

1.2.1 特長隧道涌水與周邊水庫水位相互影響監(jiān)測方案

為了了解該特長隧道施工階段和運(yùn)營階段的涌水量與周邊水庫水位相互影響的相關(guān)規(guī)律，從而研究特長隧道涌水風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制、指導(dǎo)特長隧道涌水排放控制，在該特長隧道模擬試驗(yàn)中根據(jù)方案布設(shè)了5 個(gè)監(jiān)測斷面，全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄隧道的模擬涌水情況。

1.2.2 特長隧道涌水與周邊水庫水位相互影響試驗(yàn)流程

首先，建立滲流模型箱，并將事先調(diào)配好的模擬圍巖分層鋪設(shè)到滲流模型箱中，并通過環(huán)刀取樣法檢測滲透系數(shù)等相關(guān)參數(shù)[5]；其次，往滲流模型箱中逐漸倒水，讓模擬圍巖土體達(dá)到飽和；再次，模擬開展隧道開挖，模擬開挖長度為1.2m，采用全斷面法分6 步進(jìn)行開挖施工，每一步模擬開挖施工完成后停滯1h，并進(jìn)行模擬隧道涌水量、模擬水庫水位以及模擬圍巖滲水壓力等數(shù)據(jù)的監(jiān)測；然后，在完成整個(gè)模擬開挖施工后，沿著模擬開挖的內(nèi)側(cè)邊線進(jìn)行土工布和PVC 管道的模擬施工作業(yè)；最后，通過加水來進(jìn)行模擬降雨，值得注意的是，需要貼近模擬地表慢慢倒水，從而盡量降低加水時(shí)對模擬圍巖的破壞[6]，加水完成后停滯24h，再進(jìn)行模擬隧道總涌水量、模擬水庫水位以及模擬圍巖滲水壓力等數(shù)據(jù)的測算。

1.2.3 特長隧道涌水與周邊水庫水位相互影響試驗(yàn)結(jié)果及探討

（1）特長隧道施工階段試驗(yàn)結(jié)果及探討

在特長隧道施工階段試驗(yàn)之前先逐漸往模擬水庫中倒水，使模擬水庫的水位深度達(dá)到0.5m，并通過單層土工布來扮作淤泥，然后按照上述全斷面法分6步開展模擬開挖施工，以此來進(jìn)行模擬隧道涌水量、模擬水庫水位以及模擬圍巖滲水壓力等數(shù)據(jù)測算及其相關(guān)規(guī)律探討，其試驗(yàn)結(jié)果詳見圖1。

圖1 特長隧道施工階段涌水與周邊水庫水位相互影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖1 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在未進(jìn)行模擬注漿加固的前提下進(jìn)行第1 步模擬開挖完成后，模擬水庫水位下降了2cm，模擬隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其掌子面上部有一點(diǎn)水滴；在第2 步模擬開挖完成后，模擬水庫水位下降了7cm，模擬隧道掌子面和已開挖段開始有涌水現(xiàn)象；在第3 步模擬開挖完成后，模擬水庫水位下降了18cm，已開挖段整體涌水已經(jīng)比較嚴(yán)重，而且此時(shí)模擬隧道開挖對于模擬水庫水位的影響明顯較大；在第4 步模擬開挖完成后，模擬水庫水位下降了35cm，此時(shí)模擬隧道開挖對模擬水庫水位影響非常大；在第5 步模擬開挖完成后，模擬水庫水位下降了2cm。由此可見在特長隧道施工階段如果不做好科學(xué)可靠的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，那么在隧道開挖過程中會(huì)對周邊水庫和環(huán)境產(chǎn)生極為不利的影響。

同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也反映出模擬隧道施工階段的涌水量實(shí)際測量值比理論值略微偏低，說明在模擬隧道的開挖施工前，其模擬圍巖土體的含水并未完全飽和。在每一步模擬開挖完成后，不同監(jiān)測點(diǎn)測出的滲水壓力數(shù)據(jù)存在差異，說明施工階段模擬隧道掌子面和已開挖段周邊會(huì)有動(dòng)水壓的現(xiàn)象。而隨著模擬開挖施工的深入開展，不同監(jiān)測點(diǎn)測出的滲水壓力數(shù)據(jù)不斷趨于接近，反映出模擬水庫的水量不斷降低，模擬隧道的涌水量增長速度不斷減小，從而導(dǎo)致滲流速度和動(dòng)水壓的減小。

總之，特長隧道施工階段試驗(yàn)結(jié)果反映出特長隧道的涌水災(zāi)害現(xiàn)象演化比較復(fù)雜，它是特長隧道開挖施工打破周邊水庫及環(huán)境水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡和打破隧道圍巖相關(guān)力學(xué)平衡等多種狀態(tài)的破壞過程[7]。

（2）特長隧道運(yùn)營階段試驗(yàn)結(jié)果及探討

在特長隧道運(yùn)營階段試驗(yàn)中，根據(jù)對各相關(guān)因素的綜合考量，確定每米隧道每天的涌水量允許值為4m3，由此計(jì)算得出該模擬隧道涌水量每天的最大允許限值為0.98L，折算出模擬水庫每天的水位下降最大允許限值為6mm。根據(jù)最不利原則，按照模擬水庫一開始的存水量已達(dá)飽和狀態(tài)來開展試驗(yàn)[8]，通過土工布的設(shè)置層數(shù)來模擬隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的注漿厚度，以此來進(jìn)行模擬隧道涌水量、模擬水庫水位以及模擬圍巖滲水壓力等數(shù)據(jù)測算與模擬隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)注漿厚度的相關(guān)規(guī)律探討，從而得出模擬隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)注漿施工完成1d 后的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果詳見圖2。

圖2 特長隧道運(yùn)營階段涌水與周邊水庫水位相互影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖2 試驗(yàn)結(jié)果看出，在特長隧道運(yùn)營階段，隨著土工布設(shè)置層數(shù)（即模擬隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)注漿厚度）的逐漸增大，在模擬隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)注漿施工完成1d 后，模擬隧道的涌水量也逐漸降低，而模擬水庫的水位也相應(yīng)注漿升高，反映出隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)注漿施工是避免隧道出現(xiàn)涌水災(zāi)害、周邊水庫出現(xiàn)水位驟降的有力保障。

同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也表明隨著土工布設(shè)置層數(shù)的逐漸增大，模擬隧道的涌水量和模擬水庫的水位變化程度也在不斷減少，尤其是在土工布設(shè)置達(dá)到4 層以上時(shí)，模擬隧道運(yùn)營階段的涌水量以及模擬水庫的水位變化已趨于穩(wěn)定，反映出隨著隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)注漿厚度的逐漸增大，隧道運(yùn)營階段的涌水量以及周邊水庫的水位變化程度也會(huì)越來越小。說明隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的注漿厚度并非越大越好，而是有一個(gè)合理值，超出合理值的注漿基本屬于浪費(fèi)，因此在特長隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)帷幕注漿的設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等各方面因素進(jìn)行綜合探討[9]。

2 特長隧道涌水對環(huán)境的影響分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證特長隧道涌水對環(huán)境的影響分析，在該特長隧道采用了遙感監(jiān)測技術(shù)，并輔以人工現(xiàn)場踏勘，以此來探討該特長隧道在其防排水設(shè)計(jì)與施工中對于涌水排放控制的科學(xué)性，以及隧道涌水對于周邊環(huán)境的影響。具體方案措施為：

首先，將該特長隧道相關(guān)區(qū)域作為分析區(qū)域，并對分析區(qū)域的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，包括對其的觀察、識(shí)別、分類以及定位坐標(biāo)校核等。

其次，對分析區(qū)域進(jìn)行地物分類，并通過對其隧道施工準(zhǔn)備階段、施工階段、運(yùn)營階段的各植被相關(guān)數(shù)據(jù)的測算，反向推演出分析區(qū)域的植被覆蓋相關(guān)情況。

最后，就上述得出的植被相關(guān)結(jié)果，對該特長隧道的周邊環(huán)境植被動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行原因分析，并得出相關(guān)結(jié)論。

通過上述分析研究方案措施的實(shí)施，得出的結(jié)果表明，在該特長隧道的施工準(zhǔn)備階段、施工階段、運(yùn)營階段中，其周邊環(huán)境植被覆蓋和地表水體的面積都是呈現(xiàn)出先升高后降低的“倒V”字形趨勢，而白地面積則是呈不斷升高的趨勢。由此可以看出，該特長隧道在施工階段對于周邊環(huán)境的植被覆蓋和地表水體均無明顯的強(qiáng)烈影響，而結(jié)合氣象部門的相關(guān)數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)離隧道的相關(guān)區(qū)域現(xiàn)場實(shí)際情況分析得出，該特長隧道在運(yùn)營階段的周邊環(huán)境植被覆蓋和地表水體的面積下降主要是與當(dāng)時(shí)的降雨情況和氣候變化有關(guān)。由此可見，只要充分做好特長隧道的涌水排放控制措施，其對周邊環(huán)境的影響微乎其微，至少是在可控范圍內(nèi)的。但是仍需堅(jiān)持做好對該特長隧道涌水及周邊環(huán)境的長期監(jiān)測[10]。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著人們保護(hù)環(huán)境的意識(shí)越來越高，也逐漸認(rèn)識(shí)到隧道工程與周邊環(huán)境和諧共生的重要性。隧道周邊地表水與地下水受到各種因素的影響，經(jīng)過長時(shí)間才能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在隧道建設(shè)和運(yùn)營中，隧道內(nèi)部會(huì)集中大量地下水，經(jīng)過排水的疏通排干，圍繞隧道形成一個(gè)地下水降落漏斗，如果不能有效把控，則會(huì)嚴(yán)重影響周邊生態(tài)環(huán)境。因此對于特長隧道而言，無論是施工階段還是運(yùn)營階段，都必須嚴(yán)格采取有效措施控制涌水排放，從而避免涌水對環(huán)境的不利影響。