地下水對(duì)隧道的影響以及應(yīng)對(duì)措施

苗春霖

（重慶單軌交通工程有限責(zé)任公司,重慶市大渡口 400084）

地下水對(duì)隧道的影響以及應(yīng)對(duì)措施

苗春霖

（重慶單軌交通工程有限責(zé)任公司,重慶市大渡口 400084）

隧道建設(shè)與地下水環(huán)境有著密切聯(lián)系，隧道開(kāi)挖過(guò)程中地下水將涌入隧道，大量隧道涌、突水將對(duì)隧道造成嚴(yán)重影響，隧道運(yùn)營(yíng)階段地下水的滲漏則對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、洞內(nèi)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)等造成影響，文章就地下水對(duì)圍巖的作用機(jī)理做了深入淺出的分析探討，對(duì)正確處理隧道中的地下水問(wèn)題有一定的參考價(jià)值。

地下水 作用 腐蝕 隧道

1、引言：

隧道建設(shè)與地下水環(huán)境有著密切的聯(lián)系。一方面由于地下水滲流影響，隧道開(kāi)挖過(guò)程中地下水將涌人隧道。少量的涌水對(duì)隧道施工影響不大，但是大量的隧道涌、突水將對(duì)隧道建設(shè)造成嚴(yán)重影響，甚至掩埋施工人員和機(jī)具。隧道運(yùn)營(yíng)階段，地下水的滲漏則對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、洞內(nèi)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)、行車(chē)安全等，產(chǎn)生諸多不良影響甚至威脅。另一方面地下水對(duì)隧道產(chǎn)生影響的同時(shí)，隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)也會(huì)給地下水環(huán)境造成嚴(yán)重影響。隧道的長(zhǎng)期排水將引起地下水疏干導(dǎo)致地下水位下降進(jìn)而引起地面沉降、重要水源斷流等，形成環(huán)境災(zāi)害。

2、研究現(xiàn)狀

2.1 、隧道建設(shè)階段地下水影響研究現(xiàn)狀

在隧道建設(shè)過(guò)程中涌水災(zāi)害的研究方面，主要集中在如何準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)涌水量、涌水位置和關(guān)鍵的水文參數(shù)．滲透系數(shù)的研究方面。最早的涌突水預(yù)測(cè)是從定性開(kāi)始的，隨著技術(shù)水平和施工要求的提高，基于定性分析的隧道涌水量預(yù)測(cè)研究發(fā)展成為隧道涌水的定量計(jì)算。國(guó)外已有許多學(xué)者根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)中以裘布依公式(1 875)為代表的穩(wěn)定流理論和以泰斯公式(1 935)為代表的非穩(wěn)定流理論，提出了許多隧道涌水量預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)量化公式，比較常見(jiàn)的有：日本的左藤邦明公式、落合敏朗公式；前蘇聯(lián)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(yùn)營(yíng)階段地下水影響研究現(xiàn)狀

對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水防治這一領(lǐng)域，日本曾在1996年對(duì)隧道滲漏水情況做過(guò)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)總長(zhǎng)4870KM的隧道，隧道總數(shù)的58%出現(xiàn)滲漏，其中49%的隧道出現(xiàn)在拱部，23%的隧道出現(xiàn)在邊墻，28%的施工縫及變形縫出現(xiàn)滲漏水，國(guó)外研究者還開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)軟件來(lái)共同維護(hù)隧道質(zhì)量，如日本在對(duì)病害現(xiàn)象和造成病害原因進(jìn)行分類(lèi)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)的隧道管理軟件(TMS)，通過(guò)實(shí)際檢測(cè)和軟件來(lái)共同監(jiān)控、維護(hù)隧道的質(zhì)量狀況，結(jié)合軟件的理論推測(cè)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以更好的解釋襯砌背后許多不可見(jiàn)的缺陷如空洞、土的坍塌、積水等的部位，在此基礎(chǔ)上，還可以分析出其它缺陷產(chǎn)生的原因，如表面裂縫的產(chǎn)生、塌方后危險(xiǎn)程度的評(píng)估和應(yīng)該采取的修補(bǔ)措施。

3、地下水對(duì)圍巖的作用

山嶺隧道施工中，地下水的問(wèn)題是老大難問(wèn)題，為了保證施工質(zhì)量，處理好地下水就成了不可回避的問(wèn)題。因此，十分有必要對(duì)地下水對(duì)巖石的作用機(jī)理有個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。

3.1 、地下水對(duì)隧道圍巖的物理作用

地下水對(duì)隧道圍巖的物理作用主要是軟化、分割、潤(rùn)滑、泥化、崩解、凍融和熱融等，一般表現(xiàn)為地下水對(duì)巖土的綜合軟化效應(yīng)。

3.1 .1 、軟化作用

當(dāng)巖石受水浸濕后，水分子改變了巖石的物理狀態(tài)，使巖石內(nèi)部顆粒問(wèn)的表面發(fā)生了變化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，加劇巖層移動(dòng)過(guò)程。由試驗(yàn)得知，當(dāng)水份增至4 %時(shí)，砂巖強(qiáng)度可降低 50%，本來(lái)支撐力不大的砂礫土可完全失去支撐力。特別對(duì)于一些粘土礦物，由于顆粒細(xì)、親水性強(qiáng)，水會(huì)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?dāng)U層；同時(shí)水分予還可以進(jìn)入礦物晶胞層間，形成礦物的內(nèi)部層間水層。這兩種水層中，前者導(dǎo)致粘土礦物外部膨脹，后者導(dǎo)致內(nèi)部膨脹。這種膨脹就導(dǎo)致了巖石的強(qiáng)度降低，即軟化作用。軟化作用還與巖石膠結(jié)成分和膠結(jié)強(qiáng)度有密切關(guān)系。具有高強(qiáng)度的結(jié)晶巖，水對(duì)其的軟化作用很小，而硅質(zhì)膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)和有機(jī)質(zhì)膠結(jié)的軟巖受水的軟化作用很大。軟化程度可以用軟化系數(shù)α表示即：

一般軟巖的軟化系數(shù)在0．6以下，有的甚至在0．3以下，如軟弱糜棱巖的軟化數(shù)為0．14。軟化作用對(duì)一些軟巖尤為重要，特別是某些特殊的軟巖，在天然狀態(tài)下較為完整、堅(jiān)硬，力學(xué)性能良好，遇水后短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹、崩解和軟化，造成力學(xué)性質(zhì)快速大幅度下降。

3.1 .2 、分割作用

水能分隔巖石的節(jié)理，而承壓水又可減小巖石表面之間的有效法向應(yīng)力，因而減小了由磨擦而可能產(chǎn)生的潛在抗剪力，導(dǎo)致最終減小巖體的抗壓抗剪切力強(qiáng)度這一后果。所以節(jié)理極為發(fā)達(dá)巖層為水的浸入創(chuàng)造條件。

3.1 .3 、潤(rùn)滑作用

水對(duì)巖土體的潤(rùn)滑作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是充滿水的裂隙面上的摩阻力減小，二是水壓力導(dǎo)致裂隙面上正應(yīng)力降低，使巖石的抗剪強(qiáng)度降低。據(jù)報(bào)道，地下水的上浮力使巖石摩擦阻力的降低可以超過(guò)37%或更多。

3.2 、圍巖與地下水的力學(xué)作用

巖土體應(yīng)力應(yīng)由于滲流場(chǎng)的變化而產(chǎn)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(qū)域負(fù)孔隙水壓力區(qū)隨之?dāng)U大。在總應(yīng)力不變的情況下有效應(yīng)力上升。其次，由于滲流場(chǎng)被隧道改變，地下水的滲流方向全部改變?yōu)樾滤μ荻认碌南蛩淼乐行狞c(diǎn)流動(dòng)，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(yīng)力，總應(yīng)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(yīng)力。隨著有效應(yīng)力上升土體發(fā)生新的沉降直至達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。

水一巖的力學(xué)作用主要表現(xiàn)為地下水對(duì)巖土體骨架產(chǎn)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(dāng)巖土孔隙被重力水飽和時(shí)，水對(duì)固體骨架產(chǎn)生一種正應(yīng)力，其矢量指向孔隙壁面，這個(gè)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(jù)有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力的增大會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力的減小角。因此可知，孔隙水壓力增大，巖土體抗剪強(qiáng)度降低。通過(guò)做莫爾一庫(kù)侖強(qiáng)度包線圖，可以得到同樣的結(jié)論。由于σl和σ3都減去Pw，所以莫爾圓的直徑不變，但是會(huì)向左側(cè)移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)超過(guò)一定距離(即孔隙水壓力Pw超過(guò)某一值)時(shí)，莫爾圓將會(huì)與強(qiáng)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(guò)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(dá)式為

f-滲透壓力；J-水力梯度；γw一水的重度。

因?yàn)闈B透壓力是滲流所遇到的阻力的反力，所以它對(duì)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(chǎn)生管涌或流土的滲透破壞。當(dāng)巖土體內(nèi)出現(xiàn)管涌或流土?xí)r，土體中的小顆粒隨著水流不斷地排到土體外，在土體內(nèi)形成“空腔”。當(dāng)“空腔”達(dá)到一定程度時(shí)，“空腔”上部巖土在重力作用下發(fā)生垮塌。

4、通過(guò)研究地下水與隧道圍災(zāi)害的研究，可以得到以下結(jié)論：

地下水與隧道圍巖的相互作用主要有三個(gè)方面：即水巖物理作用，水巖的力學(xué)作用，水巖的化學(xué)作用，地下水與隧道圍巖的物理作用主要是軟化、分割、潤(rùn)滑、泥化、崩解、凍融和熱融等，一般表現(xiàn)為水對(duì)巖土的綜合軟化效應(yīng)；地下水與隧道圍巖的力學(xué)作用主要表現(xiàn)為地下水對(duì)巖土體骨架產(chǎn)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(xué)作用對(duì)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。

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1007–6344（2015）01–0306–02

苗春霖（1983.11-），男，山東省菏澤市，本科，中級(jí)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。