辛韞瀟

（長安大學(xué)公路學(xué)院陜西西安710064）

關(guān)于地下水環(huán)境保護(hù)的隧道防排水理念

辛韞瀟

（長安大學(xué)公路學(xué)院陜西西安710064）

傳統(tǒng)的隧道防排水體系的理念是在施作防水層的基礎(chǔ)上，盡快將襯砌背后的積水排出。該種方式雖然可有效緩解襯砌所受的水壓力以及滲漏問題，但由于排水系統(tǒng)不斷地將地下水從洞內(nèi)排出，將會(huì)導(dǎo)致隧址處的水位線降低，可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境造成一定的破壞。因此，本文提出并介紹了隧道防水型系統(tǒng)的理念，旨在加強(qiáng)對(duì)地下水環(huán)境的保護(hù)。同時(shí)，對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)作特點(diǎn)進(jìn)行了分析，據(jù)此得出該系統(tǒng)實(shí)際修建的可行性。

隧道;防排水；地下水；環(huán)境工程

近年來，隨著國家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題的重視，隧道以其能縮短里程、改善線型和不破壞地表等獨(dú)特優(yōu)勢逐漸受人關(guān)注，尤其是其對(duì)地表層的破壞較小在環(huán)境工程領(lǐng)域有著重大意義。然而，相比于傳統(tǒng)的盤山公路與深挖路塹，相當(dāng)一部分隧道對(duì)于山體的地下水?dāng)_動(dòng)較大。這也使得對(duì)地下水的破壞成為隧道對(duì)環(huán)境影響的主要消極因素之一。因此，隧道防排水的設(shè)計(jì)理念也亟待改進(jìn)。

圖1　隧道防排水系統(tǒng)措施理念

如圖1所示，目前我國隧道防排水系統(tǒng)遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則?！胺馈笔侵敢r砌抗?jié)B和襯砌外圍防水，包括襯砌外圍防水層和壓漿；“排”，是指使襯砌背后空隙及圍巖不積水，減少襯砌背后的滲水壓力和滲水量；“截’，是指在地下采取導(dǎo)坑、泄水洞、井點(diǎn)降水等截水措施，將水從地面截走，減少地面水下滲，減少地下水流向襯砌周圍；“堵”，是指采用注漿、噴涂、嵌補(bǔ)抹面等方法堵住滲水裂縫、空隙、裂縫。從而保證隧道結(jié)構(gòu)物和運(yùn)營設(shè)備的正常使用和行車安全。以排水為主的傳統(tǒng)隧道防排水理念往往會(huì)導(dǎo)致巖土體中的地下水隨著隧道的排水系統(tǒng)流出洞外，導(dǎo)致地下水位下降，從而引發(fā)地面植被枯死及地表沉降等不良后果。故本文將提出防水型隧道理念并與傳統(tǒng)理念進(jìn)行比較。

1　理念體系介紹

由于洞內(nèi)的排水系統(tǒng)為一暢通的排水通道，因此為盡量少擾動(dòng)地下水、保持地下水原狀態(tài)，則需對(duì)原施工理念中的“排”加以改進(jìn)，應(yīng)盡量避免將襯砌后的積水通過洞內(nèi)排水系統(tǒng)排出洞外。因此，我們需將關(guān)注點(diǎn)放在“防、截、堵”等措施的改進(jìn)上。

首先是預(yù)防，在隧道開挖過程中可通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)鉆孔、地質(zhì)鉆探、超前導(dǎo)洞等方法預(yù)判掌子面前方的地下水分布情況，從而知道之后的施工開挖中采取進(jìn)一步措施來防止更多地下水流入襯砌施作部位。

其次是截流，對(duì)于流量較大的流水通道，可采用截流的方法將之引入其他地下排水通道中去，防止其流入洞室。

最后是堵水，對(duì)于流量較小的裂隙出水處，可采用噴射混凝土和施做防水層的辦法將之堵塞，防止地下水的流失。

2　與傳統(tǒng)理念的區(qū)別

通常情況下隧道排水只能靠消耗圍巖地下水系統(tǒng)中的儲(chǔ)存量來保證，因而隨著隧道排水過程的延續(xù)，隧道圍巖的地下水位降落漏斗將不斷擴(kuò)展。隧道長期排水不僅影響襯砌結(jié)構(gòu)和行車安全，而且對(duì)地表生態(tài)環(huán)境的破壞也是不容忽視的。

故考慮到隧道排水結(jié)構(gòu)對(duì)地下水系統(tǒng)所造成的影響，我們對(duì)隧道防排水系統(tǒng)進(jìn)行改變，控制其排水量，避免隧道成為地下水主要的排水通道，從而讓復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)阻斷地下水流并承受更多水壓。地下水流狀態(tài)的改變勢必導(dǎo)致隧道的整體情況與以往有更多不同，以下兩點(diǎn)為防水型隧道與排水型隧道最為顯著的區(qū)別部分。

2.1排水路徑的區(qū)別

傳統(tǒng)隧道的防排水系統(tǒng)分界面是路面，防水型隧道防排水系統(tǒng)的分界面是襯砌。這使得襯砌內(nèi)部的排水系統(tǒng)大大簡化，從而將重心轉(zhuǎn)向襯砌外部的排水情況。另外，以現(xiàn)有技術(shù)條件來看，將地下水完全隔離于襯砌之外既難做到，也不現(xiàn)實(shí)。因此防水的理念只是相對(duì)的，只要能做到截流限排，便能達(dá)到對(duì)地下水系統(tǒng)保護(hù)的目的。

2.2襯砌受力的區(qū)別

傳統(tǒng)排水理念中由于對(duì)地下水進(jìn)行了及時(shí)地疏導(dǎo)，使得襯砌結(jié)構(gòu)所受的水壓力和浮力較小。而改進(jìn)后的措施由于將地下水截堵于襯砌之外，使得隧道整體結(jié)構(gòu)受水壓力、浮力影響較大。同時(shí)，寒區(qū)隧道有時(shí)還可能受到襯砌背后滯水的凍脹力的影響。如何有效處理這些力所造成的影響，是防水型隧道今后所要面對(duì)的主要難點(diǎn)，以下對(duì)這些主要不利因素進(jìn)行分析。

3　施工維護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)

3.1水壓力的影響

由于隧道不再經(jīng)由洞內(nèi)排放地下水，故襯砌或多或少地會(huì)受到地下水壓力的影響，這使得襯砌的受力性能需要一定程度的提高。另外，與水下隧道不同，山嶺隧道由于地勢的起伏以及巖土體內(nèi)存在不飽和水地段，使得水壓力分布不均勻，難以單通過理論計(jì)算來確定其具體的壓力分布，需采用現(xiàn)場勘查等手段結(jié)合才能得知水壓力的具體情況，故防水型襯砌更應(yīng)該做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工以滿足復(fù)雜的水壓條件。

通常情況下我們采取注漿法來達(dá)到堵水的目的，為研究采用注漿來堵水限排情況下襯砌的水壓力，我們采用簡化計(jì)算模型，假定圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，隧道斷面設(shè)為圓形，地下水頭設(shè)為H，水流為穩(wěn)定流，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律服從達(dá)西定理，水在水頭下降的瞬間就釋放出來，并假定隧道的排水是通過襯砌均勻滲水實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)根據(jù)無限含水層中井的理論，可推導(dǎo)出隧道中無內(nèi)水壓時(shí)地下水排放量Q和襯砌外水壓力P以及注漿圈外的滲透水壓Pg的計(jì)算公式。

式中：r0為襯砌內(nèi)徑；r1為襯砌外徑；rg為注漿圈半徑；r2為遠(yuǎn)場距離，等于H；kl為襯砌滲透系數(shù)；kg為注漿體滲透系數(shù)；kr為圍巖滲透系數(shù)；hl、hg為襯砌和注漿加固圈外的水頭。

故注漿加固圈的堵水效果越好即滲透性越差，當(dāng)達(dá)到同樣的襯砌外水壓力時(shí)，其隧道排水量越小，即注漿加固圈有助于減少地下水排放流量。當(dāng)襯砌透水即考慮排水措施時(shí)，注漿圈越厚，注漿效果越好，注漿圈承受的水壓越高，相應(yīng)襯砌承受的水壓就越小，但在同樣的注漿水平下，注漿圈厚度增至一定程度后，減小襯砌承受水壓的效果已不明顯。

3.2浮力的影響

由于地下水在襯砌外部周圍淤積難以排出，隧道內(nèi)部又作為一個(gè)空腔體使得隧道整體結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到浮力的作用。浮力的大小與隧道洞室的斷面大小以及襯砌外部地下水分布密切相關(guān)，與水底隧道不同，由于山體內(nèi)不飽和水帶的存在，使得山嶺隧道所受浮力分布不均。因此，抵消不均勻浮力的作用也需要在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中予以考慮。

3.3滲漏的影響

隧道襯砌發(fā)生滲漏難以避免，作為隧道傳統(tǒng)的常見病害之一，滲漏問題一直伴隨著著整個(gè)隧道修建乃至后期運(yùn)營過程。滲漏問題的出現(xiàn)標(biāo)志著隧道防排水體系出現(xiàn)了部分甚至完全的失效。常規(guī)隧道排水系統(tǒng)尚且常常出現(xiàn)滲漏問題，防水型隧道系統(tǒng)則面臨著更大的挑戰(zhàn)。

地下水在巖土體的空隙中流動(dòng)，稱為滲透或滲流。地下水的滲流速度遠(yuǎn)較地表水慢，除在寬大裂隙或空洞中具有較大速度外，一般均以層流為主要運(yùn)動(dòng)形式。隧道工程選址時(shí)，要盡可以選擇含水介質(zhì)滲透性較弱的地段和方向，特別是避免小角度穿越斷裂帶、背斜軸部、以及彈脆性大的巖層，減少隧道大量出水的可能。

4　結(jié)語

由于采用防水型結(jié)構(gòu)的隧道將會(huì)面臨以上所介紹的水壓及滲漏等問題的挑戰(zhàn)，針對(duì)這些情況，隧道防排水設(shè)計(jì)更應(yīng)對(duì)地表水、地下水妥善處理，使洞內(nèi)外形成一個(gè)完善通暢的防水系統(tǒng)。為此，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)措施，可從以下幾點(diǎn)著手：

4.1注漿堵水

從地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析中可知，通過改變隧道周圍巖體的滲透系數(shù)，便可減少地下水流向隧道的水流量。從而達(dá)到限量排放的目的。一般圍巖注漿堵水是對(duì)隧道圍巖的富水區(qū)段的地層進(jìn)行灌注漿液，通過封堵地層中的滲水裂隙，減少圍巖流向隧道的滲水。隧道若想實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防水的目的，注漿是一種重要手段，既能提高圍巖整體的強(qiáng)度，同時(shí)又能對(duì)潛在的流水通道及時(shí)進(jìn)行封堵，避免隧道開挖后難以防治滲漏的被動(dòng)局面。

4.2噴射混凝土防水

一般噴射混凝土的密實(shí)度較差，強(qiáng)度低，在圍巖變形過程中容易產(chǎn)生大量裂縫，因而其抗?jié)B性能比較差，所以工程中通常不考慮噴射混凝土的抗?jié)B性。通過工藝的改進(jìn)，如將目前常用的干噴改進(jìn)為潮噴或者濕噴，可極大改善噴射混凝土強(qiáng)度，減少回彈量，進(jìn)而也可以起到部分防水的效果

4.3防水層防水

由于防水板在隧道施工期間和運(yùn)營期間均有可能受到損傷，一旦防水板出現(xiàn)缺陷，防水層外的有壓水就會(huì)穿過防水層滲流到二次襯砌混凝土。因此，防水層與二次襯砌間的排水也很重要。為了能夠更好地適應(yīng)工程環(huán)境，避免更多防水層破損的情況，推薦使用噴膜防水，通過在初期支護(hù)噴射混凝土上噴涂防水膜，既可以避免傳統(tǒng)防水板的接縫滲漏問題，同時(shí)也能避免出現(xiàn)更多破損，且在施工過程中易于修補(bǔ)，可以起到良好的防水效果。

4.4襯砌結(jié)構(gòu)自身防水

除以上的防排水措施外，襯砌自防水也是防排水體系中的重要一環(huán)，襯砌混凝土既是外力的承載結(jié)構(gòu)，也是防水層的最后一環(huán)，因此要求襯砌既要有足夠強(qiáng)度，同時(shí)還具有一定的抗?jié)B性。

由于防水型隧道的工程實(shí)例目前還并不常見，因此許多理念模型并不完善。相信我國今后在進(jìn)行工程建設(shè)對(duì)環(huán)境保護(hù)愈加重視的同時(shí)，防水型隧道亦將有更為廣闊的前景。

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辛韞瀟（1991—）男,陜西楊凌人,碩士研究生,專業(yè)方向：橋梁與隧道工程。