關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

漫談礦山法隧道技術(shù)第十四講
——隧道涌水及其控制方法

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

分析制定隧道控制地下水對(duì)策的基本觀點(diǎn)： 既要考慮隧道施工對(duì)地下水的影響，也要考慮地下水對(duì)隧道施工的影響。指出控制地下水的對(duì)策必須符合3個(gè)條件： 1)確保施工作業(yè)安全、順利地開展； 2)不對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生有害的影響； 3)以合理的工費(fèi)和工期來實(shí)現(xiàn)。隧道涌水視其發(fā)生位置、涌水量、發(fā)生時(shí)期、涌水量的歷時(shí)變化等是各種各樣的，應(yīng)對(duì)隧道涌水進(jìn)行合理分類，以便有的放矢地采取相應(yīng)的對(duì)策。介紹了日本統(tǒng)計(jì)的地質(zhì)構(gòu)造和涌水現(xiàn)象的分類。涌水處理應(yīng)達(dá)到3個(gè)基本目標(biāo)： 1)確保隧道施工在無水的條件下進(jìn)行，或者是在可以接受的滲漏水條件下進(jìn)行，或者是在對(duì)周邊環(huán)境“可接受干擾”的條件下進(jìn)行； 2)二次襯砌原則上不承受水壓作用，不得已時(shí)把水壓控制在二次襯砌容許的范圍內(nèi)； 3)運(yùn)營中的隧道洞內(nèi)不能成為地下水流經(jīng)的通道，隧道襯砌背后必須形成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的、不易堵塞的、通暢的排水系統(tǒng)。達(dá)到上述目標(biāo)的基本方法是： 充分利用和提高圍巖的隔水性能，合理地處理好“排”與“堵”的關(guān)系。針對(duì)涌水處理的3個(gè)基本目標(biāo)，分別介紹了國內(nèi)外相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)和措施。1)一些國家的指南、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隧道的涌水量進(jìn)行了分級(jí)，認(rèn)為涌水量≤2.5 L/(min·m)時(shí)基本上可以認(rèn)為是在無水條件下施工； 一般的線狀流水、經(jīng)常涌水可以用自然排水法排水； 而針對(duì)突發(fā)大量涌水，則需要采取特殊的地下水對(duì)策予以解決。2)按照二次襯砌是否承受水壓，隧道可分為3種情況： ①襯砌不承受水壓，即所謂的完全排水型隧道； ②襯砌承受全部水壓，即所謂的非排水型(防水型)隧道； ③襯砌背后設(shè)置注漿域，分擔(dān)襯砌承受的水壓，襯砌只承受部分容許的水壓。從目前的隧道設(shè)計(jì)實(shí)際來看，在山嶺隧道中多數(shù)采用方案①，在城市隧道中多數(shù)采用方案②，在高水壓和突發(fā)大量涌水的極端情況下采用方案③。介紹了日本、美國的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。3)我國鐵路隧道采用把地下水引入隧道，再從洞內(nèi)兩側(cè)邊墻附近設(shè)置的排水溝排出地下水的做法是值得商榷的； 特別是在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，更不可取。在國外，日本、德國、法國等國家的鐵路、公路隧道基本上是把中央排水管設(shè)置在仰拱內(nèi)或仰拱下方，而在隧道兩側(cè)只留有用于排出流入隧道內(nèi)的雨水或隧道清洗水的排水溝； 因此，建議立項(xiàng)研究取消洞內(nèi)排水溝，設(shè)置中央或兩側(cè)腳部排水管的問題。最后指出，實(shí)現(xiàn)涌水處理的3個(gè)基本目標(biāo)我們尚需努力，特別是“目標(biāo)”的定位問題，尚需進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究才能解決。在隧道施工中，涌水是不可避免的、客觀存在的現(xiàn)象，我們積累的經(jīng)驗(yàn)非常豐富，但缺乏系統(tǒng)的、認(rèn)真的總結(jié)和歸納。

隧道； 礦山法； 涌水； 地下水； 水壓； 排水管

0 引言

不管哪個(gè)國家，在修建隧道及地下工程時(shí)，地下水問題都被認(rèn)為是困擾隧道設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵問題之一。在這方面，雖然各國的地質(zhì)條件、技術(shù)條件以及對(duì)環(huán)境影響的考慮有所不同，但認(rèn)識(shí)基本上是一致的。例如，都希望隧道施工環(huán)境基本上處于無水狀態(tài)，或處于施工可以接受的滲漏水(涌水)狀態(tài)，以確保施工的質(zhì)量和安全。隧道建成后，隧道內(nèi)的滲漏水應(yīng)在容許范圍內(nèi)，以確保結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期使用性能。因此，各國在地下水控制技術(shù)上也是大同小異，差異在各自的技術(shù)條件、對(duì)策方法以及地下水泄漏控制基準(zhǔn)上。

1 控制地下水技術(shù)的基本觀點(diǎn)

1.1 制定控制地下水的對(duì)策的基本觀點(diǎn)和條件

在修建處于地下水位以下的隧道(城市隧道或大多數(shù)的深埋山嶺隧道多處于此種條件下)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生涌水現(xiàn)象，為了工程安全而順利地開展，必須采取相應(yīng)的控制涌水的對(duì)策，也就是地下水控制對(duì)策。但要采取什么樣的對(duì)策，應(yīng)從多方面考慮。表1列出了研究控制地下水的對(duì)策時(shí)應(yīng)該考慮的基本觀點(diǎn)。

表1 研究控制地下水的對(duì)策時(shí)應(yīng)考慮的基本觀點(diǎn)

依上所述，控制地下水的對(duì)策必須符合以下3個(gè)條件(見圖1)： 1)確保施工作業(yè)安全、順利地開展； 2)不對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生有害的影響； 3)以合理的工費(fèi)和工期來實(shí)現(xiàn)。

圖1 控制地下水的對(duì)策應(yīng)符合的條件

具體地說，首先要認(rèn)識(shí)到地下水是重要的地下資源，作為地下資源既要保護(hù)也要利用，這是處理地下資源的基本方針，只要遇到與地下水有關(guān)的問題，都要考慮這一點(diǎn)。

其次，隧道及地下工程的施工發(fā)生涌水時(shí)，必然影響到地下水位的變動(dòng)(如地下水位下降或上升，或水的異常涌出等)，擾亂地下水原始的“水平衡”狀態(tài)，甚至對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響(如地層下沉、水質(zhì)劣化、水從隧道中大量涌出等)。

地下水以隧道涌水的形態(tài)出現(xiàn)時(shí)，對(duì)隧道施工也有重大的、不可忽視的影響，如大幅度降低作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量等。

因此，在決定地下水控制對(duì)策時(shí)，既要考慮隧道施工對(duì)地下水的影響，也要考慮地下水對(duì)隧道施工的影響。它決定了控制地下水技術(shù)的內(nèi)涵和發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 涌水對(duì)地下水、地層、結(jié)構(gòu)物及環(huán)境的影響

從工程實(shí)踐看，涌水對(duì)地下水、地層、結(jié)構(gòu)物及生態(tài)環(huán)境的影響可歸納為表2。

表2 涌水對(duì)地下水、地層、結(jié)構(gòu)物及生態(tài)環(huán)境的影響

由表2可知，地下水位的變動(dòng)(地下水位的上升或下降)都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。特別是在城市地區(qū)，由于地下水位下降會(huì)產(chǎn)生地層的壓密下沉，地下水位上升會(huì)使地下結(jié)構(gòu)物漏水的風(fēng)險(xiǎn)增加等。在山嶺隧道中，由于地下水位下降有時(shí)會(huì)產(chǎn)生井點(diǎn)枯竭，改變地下水的初始狀態(tài)。而不管水位是下降或是上升，對(duì)動(dòng)植物的生態(tài)環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生不良影響。因此，從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，“保持環(huán)境自然構(gòu)成的要素(地下水)處于良好狀態(tài)”和“確保生態(tài)系統(tǒng)多樣性的同時(shí)，保護(hù)自然環(huán)境(如地下水環(huán)境)適應(yīng)地域的自然社會(huì)條件”是非常重要的。

隧道開挖發(fā)生的涌水多成為困擾隧道開挖的主要因素。特別是突發(fā)涌水和高壓大量涌水，使隧道開挖變得極為困難，伴隨大量涌水、土砂流出等成為對(duì)隧道開挖影響極大的主要因素。此外，由于隧道開挖也會(huì)同時(shí)發(fā)生井水枯竭、地表面下沉等，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，農(nóng)作物的水源枯竭等對(duì)周邊居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響，而在隧道施工后也會(huì)發(fā)生補(bǔ)償?shù)葐栴}。但目前在隧道事前的勘察、設(shè)計(jì)中，精確預(yù)測(cè)開挖可能發(fā)生的涌水和枯水現(xiàn)象是很困難的。

2 隧道涌水及其分類

多數(shù)地下水起源于大氣降水。地表的降水一部分滲透到地層中，另一部分蒸發(fā)到大氣中。滲透到地層中的降水成為地下水。由于開挖，周邊圍巖中的地下水涌入隧道，稱為隧道涌水。

2.1 隧道涌水按發(fā)生位置和測(cè)定位置分類

隧道涌水視其發(fā)生位置、涌水量、發(fā)生時(shí)期、涌水量的歷時(shí)變化等是各種各樣的。隧道開挖中的涌水，根據(jù)其發(fā)生位置和測(cè)定位置，可分為掌子面涌水、區(qū)間涌水和洞口涌水3類(見圖2)。

圖2 隧道涌水的分類

2.2 日本統(tǒng)計(jì)的地質(zhì)構(gòu)造和涌水現(xiàn)象的分類

在工程實(shí)踐中，不管涌水現(xiàn)象如何變化，總是與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。日本根據(jù)到目前為止的工程實(shí)踐，把地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生的涌水現(xiàn)象歸納為如表3所示，作為采取控制地下水對(duì)策的基本依據(jù)。

從涌水現(xiàn)象的分類看，可能出現(xiàn)的涌水現(xiàn)象大體上分為局部的集中涌水、局部的突發(fā)涌水、正常涌水、伴隨涌水的崩塌及土砂流出等。其中，伴隨開挖的集中涌水、異常涌水和隨掌子面崩塌的突發(fā)涌水、開挖初期階段的大量涌水、伴隨涌水的土砂流出等對(duì)施工安全、環(huán)境影響極大，應(yīng)是關(guān)注的重點(diǎn)。

在裂隙圍巖中，隧道周邊的地下水分布和涌水發(fā)生狀況的模式見圖3。

可見，隧道涌水的形態(tài)與地質(zhì)情況和地下水的存在形態(tài)關(guān)系密切； 特別是突發(fā)的異常涌水，分布極不均勻，可能是突然的、不可預(yù)計(jì)的，也會(huì)形成水荷載狀態(tài)異常。因此，在規(guī)劃時(shí)準(zhǔn)確掌握隧道周邊的地下水存在形態(tài)、水文地質(zhì)構(gòu)造等，對(duì)于應(yīng)對(duì)隧道開挖中可能出現(xiàn)的問題是非常重要的。

因此，盡管對(duì)地下水有這樣或那樣的分類，但重要的是如何對(duì)隧道涌水進(jìn)行分類，以便有的放矢地采取相應(yīng)的對(duì)策。

3 涌水(地下水)處理的基本目標(biāo)

從施工角度出發(fā)，涌水處理應(yīng)達(dá)到以下2個(gè)目標(biāo)。目標(biāo)1： 確保隧道施工在無水的條件下進(jìn)行，或者是在可以接受的滲漏水條件下進(jìn)行，或者是在對(duì)周邊環(huán)境“可接受干擾”的條件下進(jìn)行。目標(biāo)2： 二次襯砌原則上不承受水壓作用，不得已時(shí)把水壓控制在二次襯砌容許的范圍內(nèi)。從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，涌水處理應(yīng)達(dá)到目標(biāo)3： 運(yùn)營中的隧道洞內(nèi)不能成為地下水流經(jīng)的通道，隧道襯砌背后必須形成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的、不易堵塞的、通暢的排水系統(tǒng)。

達(dá)到上述目標(biāo)的基本方法是： 充分利用和提高圍巖的隔水性能，合理地處理“排”與“堵”的關(guān)系。

表3 地質(zhì)構(gòu)造與涌水現(xiàn)象的分類

3.1 目標(biāo)1： 確保隧道施工在無水的條件下進(jìn)行，或者是在可以接受的滲漏水條件下進(jìn)行，或者是在對(duì)周邊環(huán)境“可接受干擾”的條件下進(jìn)行

隧道施工原則上應(yīng)在無水的條件下進(jìn)行，也就是說應(yīng)該在掌子面穩(wěn)定的條件下施工。實(shí)際上，所謂的無水條件是理想化的條件，不管是山嶺隧道還是城市隧道，在存在地下水的條件下要保持無水施工，是較為困難的，而且也是不經(jīng)濟(jì)的。因此，多數(shù)隧道，特別是圍巖條件較好的隧道，地下水對(duì)掌子面穩(wěn)定性影響比較小的情況下，完全可以在排水的條件下順利施工，這已被許多工程實(shí)踐所證實(shí)； 在圍巖條件比較差的隧道，只要能夠保持隧道的滲漏水在施工可接受的范圍內(nèi)，采取排水措施也是可以施工的。所以，提出了一個(gè)問題： 施工可接受的滲漏水條件，或者說周邊環(huán)境“可接受干擾”的條件如何確定？這才是問題的關(guān)鍵。

3.1.1 形成涌水的條件

隧道的涌水量狀態(tài)，特別是涌水量的大小及其形態(tài)，基本上取決于圍巖的構(gòu)造及其滲透性能。因此，研究和掌握圍巖的滲透性及其與涌水量的關(guān)系是十分必要的。

圍巖的滲透性可以用滲透系數(shù)(k)或呂容值(Lu)來表示(1 Lu相當(dāng)于滲透系數(shù)1.3×10-5cm/s)。一般來說，呂容值大于10～20時(shí)，即滲透系數(shù)大于(13～26)×10-5cm/s時(shí)，達(dá)西定律是不適用的。也就是說，在集中涌水和高壓大量涌水的條件下，達(dá)西定律是不適用的。具體地說，在這種情況下，一些滲流場(chǎng)解析方法也是不適用的。也可以說，基本上無理論解。

應(yīng)該認(rèn)識(shí)到： 圍巖是一個(gè)不連續(xù)的介質(zhì)，從能夠抗?jié)B的堅(jiān)硬巖石到高滲透性的圍巖，其水力特性有很大的不同。這說明圍巖本身往往是一個(gè)很好的抗?jié)B屏障，具有顯著的氣密性，也具有良好的隔水性，但由于其是天然的、非勻質(zhì)的，性質(zhì)相差很大。理論上，解決此問題難度很大。

圖3 隧道周邊圍巖的力學(xué)狀況和裂隙及地下水的分布和涌水

Fig. 3 Mechanical conditions of surrounding rock and distributions of fissures, groundwater and water inrush points

在挪威的工程實(shí)踐中，認(rèn)為圍巖是一個(gè)典型的節(jié)理含水層，水活動(dòng)在透水的不連續(xù)面或沿其通道流動(dòng)。這樣的圍巖的滲透性主要取決于主導(dǎo)的巖石和節(jié)理狀態(tài)。其中巖石的滲透性很低； 而節(jié)理的滲透性差異極大，是決定涌水量的基本因素，也是形成適當(dāng)涌水的基本因素。

隧道的涌水量取決于很多因素，如隧道的開挖斷面面積、隧道的深度、巖石的初始滲透系數(shù)、水流的初始梯度、降水量的補(bǔ)充值等。

工程實(shí)踐證實(shí)： 隧道的涌水量與地下水賦存狀態(tài)和圍巖的滲透系數(shù)有直接關(guān)系。即： 隧道的涌水量q與圍巖綜合滲透系數(shù)k、水頭h均成比例關(guān)系。滲透系數(shù)越大或水頭越大，涌水量也越大。因此，了解圍巖的綜合滲透系數(shù)是必要的。

我國水利水電工程對(duì)巖體(圍巖)滲透性的分級(jí)見表4。

從表4的滲透系數(shù)分級(jí)來看，如果圍巖的滲透系數(shù)k小于1×10-6cm/s，可以認(rèn)為圍巖是不透水的； 即使在k小于1×10-5cm/s的條件下，基本上也能夠在不采取排水對(duì)策的條件下進(jìn)行施工。因此，在事前的調(diào)查和施工中，能夠正確地掌握圍巖綜合滲透系數(shù)或?qū)B透到圍巖中的涌水量進(jìn)行分級(jí)，對(duì)制定控制涌水的對(duì)策是很重要的。

表4 巖體(圍巖)滲透性分級(jí)(水利水電工程)

Table 4 Grades of permeability coefficient (water resources and hydropower projects)

圍巖滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)k/(cm/s)透水率q/Lu巖體特征極微透水 k<10-6 q<0．1 完整巖石，含等價(jià)開度小于0．025mm裂隙的巖體微透水10-6≤k<10-50．1≤q<1 含等價(jià)開度為0．025～0．05mm裂隙的巖體弱透水10-5≤k<10-4 1≤q<10 含等價(jià)開度為0．05～0．10mm裂隙的巖體中等透水10-4≤k<10-210≤q<100 含等價(jià)開度為0．10～0．50mm裂隙的巖體強(qiáng)透水10-2≤k<10極強(qiáng)透水 k>10 q≥100 含等價(jià)開度為0．50～2．5mm裂隙的巖體 含連通孔洞或等價(jià)開度大于2．5mm裂隙的巖體

注： 1 Lu=1.3×10-5cm/s=1.3×10-7m/s。

3.1.2 一些指南、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涌水量的部分分級(jí)結(jié)果

為了便于制定控制地下水的對(duì)策，一些國家的指南和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隧道的涌水量進(jìn)行了分級(jí)。下面是部分分級(jí)結(jié)果。

TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)滲水量分級(jí)的規(guī)定見表5。

表5 滲水量分級(jí)[1]

GB 50218—94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)地下水出水狀態(tài)分級(jí)的規(guī)定見表6。

表6 地下水出水狀態(tài)分級(jí)[2]

GB 50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》規(guī)定的地下水活動(dòng)狀態(tài)的分級(jí)見表7，規(guī)定的滲水量和壓力水頭的分級(jí)見表8。

表7 地下水活動(dòng)狀態(tài)的分級(jí)[3]

表8 滲水量和壓力水頭的分級(jí)[3]

Rock Structure Rating(RSR)中對(duì)滲水量分級(jí)的規(guī)定見表9。

表9 RSR滲水量分級(jí)

Rockmass Rating(RMR)中對(duì)水壓和滲水量分級(jí)的規(guī)定見表10。

表10 水壓和滲水量的分級(jí)

N Barton提出的涌水量和水壓建議值見表11。

表10和表11都把水的狀態(tài)與概略的水壓值聯(lián)系在一起。在涌水的狀態(tài)下，水壓值有可能超過1 MPa。

這些規(guī)定基本上把隧道涌水狀態(tài)分為5級(jí)，即： 干燥潮濕、滲水滴水、線狀流水、經(jīng)常涌水、突發(fā)大量涌水。一般來說，在干燥潮濕、滴水滲水的狀態(tài)下，基本上可以不采取排水對(duì)策進(jìn)行施工； 而在其他場(chǎng)合，均需采取不同的排堵水對(duì)策進(jìn)行施工。也就是說，在涌水量q≤2.5 L/(min·m)時(shí)，基本上可以認(rèn)為是在無水條件下施工； 在一般情況下，線狀流水、經(jīng)常涌水可以采用通常的自然排水方式排水； 而突發(fā)大量涌水則需要采取特殊的地下水對(duì)策予以解決。對(duì)地下水控制技術(shù)來說，突發(fā)大量涌水是大家最為關(guān)注的問題，也是當(dāng)前地下水控制技術(shù)發(fā)展的主流。

表11 水壓概略分級(jí)

注： C項(xiàng)和D項(xiàng)的數(shù)值是大致推斷的，如果進(jìn)行排水，節(jié)理水折減系數(shù)JW值可以增大。

與上述基準(zhǔn)、規(guī)定相比較，我們的基準(zhǔn)相對(duì)來說對(duì)滲水量的規(guī)定還是比較嚴(yán)格的。

3.2 目標(biāo)2： 二次襯砌原則上不承受水壓作用，不得已時(shí)，把水壓控制在二次襯砌容許的范圍內(nèi)

對(duì)水壓(水荷載)的處理各國的觀點(diǎn)基本上是一致的，都是按照二次襯砌是否承受水壓來劃分的。可分為3種情況，即： 1)襯砌不承受水壓，即所謂的完全排水型隧道； 2)襯砌承受全部水壓，即所謂的非排水型隧道； 3)襯砌背后設(shè)置注漿域，分擔(dān)襯砌承受的水壓，襯砌只承受部分容許的水壓。

從目前的隧道設(shè)計(jì)實(shí)際來看，在山嶺隧道中多采用方案1)，在城市隧道中多采用方案2)，在高水壓和突發(fā)大量涌水的極端情況下采用方案3)。

理論上，各種情況下作用在襯砌或注漿域的水壓(水荷載)分布示于圖4。

圖4的荷載分布是理論的簡(jiǎn)化，實(shí)際上，水荷載的分布與圍巖構(gòu)造密切相關(guān)，是很難概括的。

3.2.1 排水型隧道

在以自然排水為前提的山嶺隧道，襯砌周圍處于流水狀態(tài)，此時(shí)隧道襯砌只承受動(dòng)水壓力的作用(見圖4(a))，水荷載量值都不大，設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略。也就是說，排水型隧道也會(huì)有可以接受的水荷載。

3.2.2 非排水型(防水型)隧道

隧道襯砌理論上承受全水頭作用的水壓，即如圖4(b)所示的水荷載，這種情況多發(fā)生在城市隧道中或埋深較小的山嶺隧道中。

(a) 排水型隧道

(b) 非排水型隧道

(c) 注漿域情況的荷載分配

日本在《鐵道結(jié)構(gòu)物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(城市礦山法隧道篇)(2002年)中，對(duì)此種情況做了如下的規(guī)定。

1)在地下水位以下的防水型隧道的二次襯砌及仰拱設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮水壓。

2)設(shè)計(jì)考慮的水壓特性值原則上取孔隙水壓?？紤]到準(zhǔn)確地掌握孔隙水壓有困難，可按實(shí)測(cè)中的地下水位計(jì)算水壓。

3)一般來說，在考慮水壓時(shí)，水位最好采用高水位(豐水期的水位)或者低水位(枯水期的水位)。但在以下地形、地下水條件下，使用期間水位可能出現(xiàn)顯著變化的場(chǎng)合，應(yīng)考慮異常水位，研究襯砌的承載狀態(tài)。

①谷形地，地表水和地下水易于集中的場(chǎng)合；

②扇形地存在豐富的地下水脈，隧道兩側(cè)水壓產(chǎn)生顯著不均衡的場(chǎng)合；

③在水位經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合，要考慮水壓變動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4)在設(shè)定水壓時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。

①地下水位不僅隨季節(jié)的降雨量而變，近接施工也會(huì)引起地下水位的變化；

②由于地下水的抽水限制，地下水位年年上升的情況也會(huì)發(fā)生；

③因近接施工產(chǎn)生垂直荷載作用在襯砌上時(shí)，設(shè)定高水位不一定是安全的，要分別按高水位和低水位進(jìn)行研究；

④谷形地和扇形地等截?cái)嗟叵滤}的場(chǎng)合，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏水壓，此時(shí)即使水位低，也會(huì)使襯砌出現(xiàn)很大的彎矩，要按偏水壓設(shè)計(jì)。

日本在城市防水型隧道襯砌設(shè)計(jì)中不考慮土壓，水壓按水位在拱頂±0 m、拱頂上5 m、拱頂上10 m、拱頂上50 m 4種情況考慮，并進(jìn)行設(shè)計(jì)。

例如日本大萬木公路隧道，長(zhǎng)4 878 m，其中位于廣島側(cè)處于小埋深，并通過斷層破碎帶和河流，如采用排水型隧道有可能造成河水流量降低，從而影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)用水。為此，該隧道以恢復(fù)河流流量為目的，采用了鋼筋混凝土襯砌的防水型隧道構(gòu)造。

該地區(qū)年降水量變化很大，預(yù)計(jì)地下水位的波動(dòng)也大。為此，作用在襯砌上的水壓研究了通常發(fā)生的和異常發(fā)生的5種組合(見表12)。

水壓按隨深度變化的靜水壓考慮。

表12 地下水位的組合

上述事例說明，城市隧道或埋深淺的山嶺隧道，在考慮水壓值時(shí)，不能不考慮地下水位變化的影響，而應(yīng)按最不利的地下水位進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，從水壓的處理上看，多數(shù)國家都認(rèn)為二次襯砌承受水壓的限值，應(yīng)在考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性的基礎(chǔ)上予以限定。日本城市隧道大致限定在0.3 MPa，山嶺隧道大致限定在0.6 MPa，超過此值應(yīng)采用注漿方法降低水壓值，這也是各國普遍采用的方法。

目前，各國在處理水荷載上大都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定的。例如，表8和表10的建議就是一例。美國的《公路隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)手冊(cè)》(2010版)根據(jù)使用條件和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將建議的經(jīng)驗(yàn)水荷載示于圖5，在隧道拱頂附近靜水壓力值最大(水頭H)，在仰拱處水壓力降低到靜水壓力的10%左右(0.1HW)。

圖5 結(jié)構(gòu)上的經(jīng)驗(yàn)水荷載

圖5所示的經(jīng)驗(yàn)荷載是建立在排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的。該排水系統(tǒng)由邊墻排水層(濾布)、設(shè)置在墻后面和仰拱下面的集水管和排水墊層以及覆蓋整個(gè)仰拱的礫石層等構(gòu)成。 仰拱上的水荷載降低到靜水壓力的10%，該位置設(shè)計(jì)了良好的礫石層和排水管(S)。在其他情況下，建議仰拱水平的荷載為靜水壓力的25%。經(jīng)驗(yàn)荷載一般是保守的，因?yàn)榻?jīng)過一段時(shí)間地下水滲漏可能會(huì)堵塞襯砌背后的排水設(shè)施，使地下水壓力超過假設(shè)的荷載，造成仰拱墊層和集水管不能繼續(xù)發(fā)揮作用。

3.2.3 襯砌背后設(shè)置注漿域，分擔(dān)襯砌承受的水壓，襯砌只承受部分容許的水壓

日本根據(jù)城市隧道的施工實(shí)際，將土砂—軟巖隧道中涌水量(整個(gè)隧道的排水量)和地下水頭的關(guān)系統(tǒng)計(jì)于圖6。幾乎所有涌水量在100 L/min以上、地下水頭在5～10 m以上的隧道，都采取了控制涌水的對(duì)策進(jìn)行施工。

圖6把涌水量與地下水頭聯(lián)系起來，說明涌水量與地下水頭有一定關(guān)系。一般來說，涌水量大，地下水頭也高。因此，根據(jù)涌水量的大小，大致可以確定水頭的大小。

日本的水壓和圍巖固結(jié)度及涌水對(duì)策的事例見圖7。

圖6 隧道內(nèi)涌水量和地下水頭的關(guān)系

Fig. 6 Relationship between water inrush volume and groundwater head

圖7 最大水壓及對(duì)策的關(guān)系

Fig. 7 Relationship between maximum water pressures and countermeasures

圖7進(jìn)一步說明日本在地下水頭壓力大于0.6 MPa時(shí)，都采取了圍巖注漿補(bǔ)強(qiáng)的措施。

在大量涌水或承壓水的條件下，即水壓值比較大的場(chǎng)合，讓襯砌來承擔(dān)水壓，從經(jīng)濟(jì)上、安全上都是不現(xiàn)實(shí)的。例如，在類似青函海底隧道那樣埋深很大的隧道中，讓襯砌抵抗水壓幾乎是不可能的。因此，用注漿方法提高圍巖的抗?jié)B性，讓圍巖也承擔(dān)一部分水壓是唯一可能的選擇(見圖4(c))。青函隧道就是這樣處理的，挪威海底隧道也是這樣處理的，包括一些城市隧道都是這樣處理的。實(shí)際上我國在很多隧道中為了減輕水壓的作用，也是這樣處理的。

3.3 目標(biāo)3： 運(yùn)營中的隧道洞內(nèi)不能成為地下水流經(jīng)的通道，隧道襯砌背后必須形成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的、不易堵塞的、通暢的排水系統(tǒng)

隧道的防排水構(gòu)造各國基本上是大同小異，大家的認(rèn)識(shí)也比較一致。不管是排水型隧道還是非排水型隧道，都需要在襯砌背后形成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的、不易堵塞的、通暢的排水系統(tǒng)。絕大多數(shù)國家都不容許地下水流入隧道內(nèi)，而是通過襯砌背后的排水系統(tǒng)將地下水排出隧道。我國鐵路隧道長(zhǎng)期以來采用把地下水引入隧道，再從洞內(nèi)兩側(cè)邊墻附近設(shè)置的排水溝將地下水排出隧道的做法是值得商榷的； 特別是在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，采用深埋的排水溝更不可取。

大多數(shù)國家基本上是把排水管(溝)移設(shè)到仰拱的填充層中或仰拱的下面，也有把排水管(溝)設(shè)置在襯砌拱腳外側(cè)的。例如日本鐵路、公路隧道的排水管，基本上是把中央排水管設(shè)置在仰拱內(nèi)或仰拱下方(見圖8和圖9)，而在隧道兩側(cè)只留有用于排出流入隧道內(nèi)的雨水或隧道清洗水的排水溝。

日本新干線隧道的排水管(溝)設(shè)置見圖9。

(a) 新干線隧道中央集水管設(shè)置在仰拱下面的場(chǎng)合

(b) 高速公路隧道集水管設(shè)置在仰拱上面的情況

圖8 日本隧道的排水管設(shè)置

Fig. 8 Setting of drainage pipe of tunnel in Japan

(a) 上越新干線

(b) 北陸新干線(高崎—長(zhǎng)野)

圖9 日本新干線隧道的排水管(溝)設(shè)置(單位： m)

Fig. 9 Setting of drainage ditch of Shinkansen. in Japan (m)

日本隧道中央排水溝(管)的設(shè)置原則如下： 通常設(shè)在圍巖下部； 土砂圍巖、仰拱半徑大的場(chǎng)合設(shè)在上部； 作為防止土砂吸出的對(duì)策，小斷面的中央排水溝設(shè)在仰拱上部，中央排水管(無孔管)設(shè)在仰拱下部。

其他國家，如德國、法國等歐洲國家的高速鐵路隧道的排水管，也基本上設(shè)置在隧道的中央或兩側(cè)邊墻底部的外側(cè)(見圖10和圖11)。

圖10 德國高速鐵路隧道的排水管設(shè)置(單位： m)

Fig. 10 Setting of drainage pipe of high-speed railway tunnel in German (m)

圖11 法國高速鐵路隧道的排水管設(shè)置(單位： m)

Fig. 11 Setting of drainage pipe of high-speed railway tunnel in France (m)

美國雙車道公路隧道的排水構(gòu)造見圖12。

圖12 美國公路隧道排水構(gòu)造

我國的公路隧道基本上也將排水溝設(shè)置在隧道中央或兩側(cè)邊墻底部的外側(cè)，見圖13。

圖13 我國公路隧道的排水溝設(shè)置

因此，建議立項(xiàng)研究取消洞內(nèi)排水溝，設(shè)置中央或兩側(cè)腳部排水管的問題。

4 結(jié)語

本講重點(diǎn)談的是涌水處理的3個(gè)基本目標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)這3個(gè)目標(biāo)尚需努力，特別是“目標(biāo)”的定位問題，尚需進(jìn)行基礎(chǔ)性的研究才能解決。在隧道施工中，涌水是不可避免的、客觀存在的現(xiàn)象，我們積累的經(jīng)驗(yàn)非常豐富，但缺乏系統(tǒng)的、認(rèn)真的總結(jié)和歸納。

[1] 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范: TB 10003—2005[S].北京： 中國鐵道出版社，2005. (Code for design on tunnel of railway: TB 10003—2005[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2005. (in Chinese))

[2] 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)： GB 50218—94[S]. 北京： 中國計(jì)劃出版社，1994.(Standard for engineering classification of rock masses: GB 50218—94[S]. Beijing: China Planning Press, 1994. (in Chinese))

[3] 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范： GB 50287—99[S].北京： 中國計(jì)劃出版社，1999.(Code for water resources and hydropower engineering geological investigation: GB 50287—99[S]. Beijing: China Planning Press, 1999. (in Chinese))

Tunneling by Mining Method: Lecture ⅩⅣ：Tunnel Water Inrush and Its Countermeasures

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The basic viewpoint of determination of control technology for tunnel groundwater, interaction between groundwater and tunnel construction, is analyzed. The control technologies for tunnel groundwater should conform to safe construction, no harm to surrounding environment and rational cost and construction schedule. The place, volume, time and time-dependent variation of tunnel water inrush are various; as a result, tunnel water inrush should be classified so as to decide proper control technologies. The classification of geological structure and water inrush summarized by Japanese professionals is introduced. The water inrush treating effect should achieve 3 basic standards, i.e. tunnel construction under water-free conditions, acceptable water leakage conditions or acceptable surrounding environment disturbance conditions, secondary lining without water pressure or acceptable water pressure and rational drainage system behind tunnel lining. In order to achieve above-mentioned standards, we should use and improve the waterproof capacity of surrounding rock and pay attention to relationship between water stop and drainage. The control technologies used in China and abroad are introduced. 1) In some criterions, the water inrush volume grade is divided into 3 kinds, i.e. water-free condition of water inrush volume less than 2.5 L/(min·m), natural drainage when numerous water inrush occurs often and large volume of water burst. 2) Considering water pressure bearing of secondary lining, the tunnel can be divided into 3 cases, i.e. total drainage type tunnel with secondary lining bears no water pressure, non-drainage (waterproof) type tunnel with secondary lining bears total water pressure and tunnel lining bears acceptable water pressure when setting grouting area behind lining. The mountain-crossing tunnels are mainly total drainage type tunnels, tunnels in urban areas are mainly non-drainage tunnels and the tunnels in high groundwater pressure should set grouting areas behind secondary lining. 3) The drainage scheme of water diversion into tunnel and drainage from drainage ditches in China still needs to be discussed, especially in cold regions. The central drainage pipes are set in/under inverted arch and the rain inflow and cleaning water are drainage from tunnel sides in Japan, Germany and France, etc. It is worth studying the drainage scheme. In the end, the author points out that we still have to learn a lot.

tunnel; mining method; water inrush; groundwater; water pressure; drainage pipe

2015-08-10

關(guān)寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.001

U 455

A

1672-741X(2017)01-0001-10