地下水对隧道的影响以及应对

地下水对隧道的影响以及应对

摘要：隧道建设与地下水环境有着密切联系，隧道开挖过程中地下水将涌入隧道，大量隧道涌、突水将对隧道造成严重影响，隧道运营阶段地下水的渗漏则对结构稳定、洞内设施运转等造成影响，文章就地下水对围岩的作用机理做了深入浅出的分析探讨，对正确处理隧道中的地下水问题有一定的参考价值。

关键词：地下水、作用、腐蚀、隧道

1、引言：

隧道建设与地下水环境有着密切的联系。一方面由于地下水渗流影响，隧道开挖过程中地下水将涌人隧道。少量的涌水对隧道施工影响不大，但是大量的隧道涌、突水将对隧道建设造成严重影响，甚至掩埋施工人员和机具。隧道运营阶段，地下水的渗漏则对隧道结构稳定、洞内设施运转、行车安全等，产生诸多不良影响甚至威胁。另一方面地下水对隧道产生影响的同时，隧道建设及运营也会给地下水环境造成严重影响。隧道的长期排水将引起地下水疏干导致地下水位下降进而引起地面沉降、重要水源断流等，形成环境灾害。

2、研究现状

2.1、隧道建设阶段地下水影响研究现状

在隧道建设过程中涌水灾害的研究方面，主要集中在如

何准确的预测涌水量、涌水位置和关键的水文参数.渗透系数的研究方面。最早的涌突水预测是从定性开始的，随着技术水平和施工要求的提高，基于定性分析的隧道涌水量预测研究发展成为隧道涌水的定量计算。国外已有许多学者根据地下水动力学中以裘布依公式（1 875）为代表的稳定流理论和以泰斯公式（1 935）为代表的非稳定流理论，提出了许多隧道涌水量预测的经验量化公式，比较常见的有：日本的左藤邦明公式、落合敏朗公式；前苏联的科斯嘉可夫

（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、隧道运营阶段地下水影响研究现状

对运营隧道渗漏水防治这一领域，日本曾在1996年对隧道渗漏水情况做过统计，发现总长4870KM的隧道，隧道总数的58%出现渗漏，其中49%的隧道出现在拱部，23%的隧道出现在边墙，28%的施工缝及变形缝出现渗漏水，国外研究者还开发了相应的监测软件来共同维护隧道质量，如日本在对病害现象和造成病害原因进行分类的基础上，开发了专门的隧道管理软件（TMS），通过实际检测和软件来共同监控、维护隧道的质量状况，结合软件的理论推测和实际经验，可以更好的解释衬砌背后许多不可见的缺陷如空洞、土的坍塌、积水等的部位，在此基础上，还可以分析出其它缺陷产生的原因，如表面裂缝的产生、塌方后危险程度的评估

和应该采取的修补措施。

3、地下水对围岩的作用

山岭隧道施工中，地下水的问题是老大难问题，为了保证施工质量，处理好地下水就成了不可回避的问题。因此，十分有必要对地下水对岩石的作用机理有个清楚的认识。

3.1、地下水对隧道围岩的物理作用

地下水对隧道围岩的物理作用主要是软化、分割、润滑、泥化、崩解、冻融和热融等，一般表现为地下水对岩土的综合软化效应。

3.1.1、软化作用

当岩石受水浸湿后，水分子改变了岩石的物理状态，使岩石内部颗粒问的表面发生了变化，导致强度降低，加剧岩层移动过程。由试验得知，当水份增至4%时，砂岩强度可降低50%，本来支撑力不大的砂砾土可完全失去支撑力。特别对于一些粘土矿物，由于颗粒细、亲水性强，水会在粘土矿物之间形成极化的水分子层，而这些水分子层又可以不断地吸水扩层；同时水分予还可以进入矿物晶胞层间，形成矿物的内部层间水层。这两种水层中，前者导致粘土矿物外部膨胀，后者导致内部膨胀。这种膨胀就导致了岩石的强度降低，即软化作用。软化作用还与岩石胶结成分和胶结强度有密切关系。具有高强度的结晶岩，水对其的软化作用很小，而硅质胶结、泥质胶结、铁质胶结和有机质胶结的软岩受水

的软化作用很大。软化程度可以用软化系数α表示即：一般软岩的软化系数在0.6以下，有的甚至在0.3以下，如软弱糜棱岩的软化数为0.14。软化作用对一些软岩尤为重要，特别是某些特殊的软岩，在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水后短时间内迅速膨胀、崩解和软化，造成力学性质快速大幅度下降。

3.1.2、分割作用

水能分隔岩石的节理，而承压水又可减小岩石表面之间的有效法向应力，因而减小了由磨擦而可能产生的潜在抗剪力，导致最终减小岩体的抗压抗剪切力强度这一后果。所以节理极为发达岩层为水的浸入创造条件。

3.1.3、润滑作用

水对岩土体的润滑作用主要表现在两个方面：一是充满水的裂隙面上的摩阻力减小，二是水压力导致裂隙面上正应力降低，使岩石的抗剪强度降低。据报道，地下水的上浮力使岩石摩擦阻力的降低可以超过37%或更多。

3.2、围岩与地下水的力学作用

岩土体应力应由于渗流场的变化而产生了变化。首先，由于隧道大量疏干地下水，造成地下水位下降，饱和岩土层中孔隙水压力降低，不饱和区域负孔隙水压力区随之扩大。在总应力不变的情况下有效应力上升。其次，由于渗流场被隧道改变，地下水的渗流方向全部改变为新水力梯度下的向

隧道中心点流动，其方向是向下的。这样随着渗流方向的改变地下水渗流力亦随之改变，增大了竖直向下的应力，总应力上升。在孔隙水压力减小的情况下更增大了岩土体有效应力。随着有效应力上升土体发生新的沉降直至达到新的动态平衡。

水一岩的力学作用主要表现为地下水对岩土体骨架产

生的两种压力，即孔隙水压力和渗透压力。

3.2.1、孔隙水压力

当岩土孔隙被重力水饱和时，水对固体骨架产生一种正应力，其矢量指向孔隙壁面，这个力就是孔隙水压力。孔隙水压力的值由水头值决定，孔隙水压力pw为pw = ρw * g *h ，根据有效应力原理，孔隙水压力的增大会导致有效应力的减小角。因此可知，孔隙水压力增大，岩土体抗剪强度降低。通过做莫尔一库仑强度包线图，可以得到同样的结论。由于σl和σ3都减去Pw，所以莫尔圆的直径不变，但是会向左侧移动。当移动超过一定距离（即孔隙水压力Pw超过某一值）时，莫尔圆将会与强度包线相切甚至相交，即表示岩土体破坏。

3.2.2、渗透压力

渗透压力就是岩土体中的水在渗透过程作用在土粒骨

架上的力，其方向与渗流方向一致，大小取决于水力梯度的大小，其表达式为