地下水對隧道的影響以及應(yīng)對

1、地下水對隧道的影響以及應(yīng)對摘要：隧道建設(shè)與地下水環(huán)境有著密切聯(lián)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(yán)重影響，隧道運(yùn)營階段地下水的滲漏則對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、洞 內(nèi)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)等造成影響，文章就地下水對圍巖的作用機(jī)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(jià)值。關(guān)鍵詞：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(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 階段，地下水的滲漏則對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、洞

2、內(nèi)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)、行 車安全等，產(chǎn)生諸多不良影響甚至威脅。另一方面地下水對 隧道產(chǎn)生影響的同時(shí)，隧道建設(shè)及運(yùn)營也會給地下水環(huán)境造 成嚴(yán)重影響。隧道的長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)測是從定性開始的，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)測研 究發(fā)展成為隧道涌水的定量計(jì)算。國外已有許多學(xué)者根據(jù)地 下水動力學(xué)中以裘布依公式 （ 1 875

3、）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)測的經(jīng)驗(yàn)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(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)營階段地下水影響研究現(xiàn)狀 對運(yùn)營隧道滲漏水防治這一領(lǐng)域，日本曾在1996 年對隧道滲漏水情況做過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)總長 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

4、外 研究者還開發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測軟件來共同維護(hù)隧道質(zhì)量，如日 本在對病害現(xiàn)象和造成病害原因進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，開發(fā)了 專門的隧道管理軟件（ TMS ），通過實(shí)際檢測和軟件來共同 監(jiān)控、維護(hù)隧道的質(zhì)量狀況，結(jié)合軟件的理論推測和實(shí)際經(jīng) 驗(yàn)，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(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)程度的評估和應(yīng)該采取的修補(bǔ)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(zhì)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(jī)理有個(gè)清楚的認(rèn)識。3.1、地下水

5、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(xiàn)為地下水對巖土的綜 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)部顆粒問的表面發(fā)生了變化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，加劇巖 層移動過程。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(xì)、親水性強(qiáng)，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?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

6、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)a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

7、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、潤滑作用 水對巖土體的潤滑作用主要表現(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 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

8、流場被 隧道改變，地下水的滲流方向全部改變?yōu)樾滤μ荻认碌南?隧道中心點(diǎn)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(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)到新的動態(tài) 平衡。水一巖的力學(xué)作用主要表現(xiàn)為地下水對巖土體骨架產(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?？紫?水壓力的值由水頭值決定，孔隙水壓力pw為pw = p w * g*h ， 根據(jù)有效應(yīng)力原理，孔隙水壓力

9、的增大會導(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。通過做莫爾一庫侖強(qiáng)度包線圖， 可以得到同樣的結(jié)論。 由于c l和a 3都減去Pw，所以莫爾圓的直徑不變，但是會 向左側(cè)移動。當(dāng)移動超過一定距離（即孔隙水壓力 Pw 超過 某一值）時(shí)，莫爾圓將會與強(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；Y W 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、結(jié)論 隧道建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在建設(shè)施工和運(yùn)營過程中會 受到諸多自然環(huán)境影響，地質(zhì)條件、氣象因素是隧道突水、 突泥的主要影響因素。同時(shí)自然生態(tài)環(huán)境也會因?yàn)樗淼澜ㄔO(shè) 而發(fā)生一定的惡化， 引起水資源流失、 地層破壞等環(huán)境災(zāi)害。 處理好隧道建設(shè)與地下水環(huán)境的關(guān)系是可持續(xù)發(fā)展的要求 也是工程建設(shè)服務(wù)社會的需要。參考文獻(xiàn)：（1）黃界潁 . 地下水中硫及其對土壤和作物硫效應(yīng)的