徐明飛，張國珍，張洪偉，崔圣達(dá)

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，客流、物流的飛速增長，對我國交通運(yùn)輸事業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。在這樣的背景下，我國的鐵路、公路無論是在運(yùn)營里程，還是在建設(shè)總量上，都呈現(xiàn)著井噴式的增加。而在隧道建設(shè)、運(yùn)營和管理期間，隧道涌水突泥所造成的工程事故也是最為常見的。重慶市摩天嶺隧道，最大涌水量可達(dá)17 699 m3/d，從而引發(fā)河渠斷流，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境[1]。在日本新干線上長為7.804 km的舊丹那隧道，在建設(shè)期間就經(jīng)歷過幾次大的涌水事件，在此期間的涌水量最高可達(dá)到2 240 L/s，消耗了大量的人力物力財(cái)力，并導(dǎo)致工期長達(dá)16 a之久[2]。西班牙南部地區(qū)，一座特長的高鐵隧道瞬時(shí)涌水量高達(dá)133 L/min，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)臨時(shí)性的用水困難，給民眾生活帶來極大不便[3]。

由于隧道涌水具有巨大的突發(fā)性和危害性,通過了解隧道涌水的形成機(jī)理，得出隧道涌水的產(chǎn)生原因，為隧道涌水量的預(yù)測提供理論支撐。隧道涌水量的預(yù)測，在隧道建設(shè)前和隧道施工后具有較為嚴(yán)格的界限。通過預(yù)測隧道涌水量，對于隧道涌水的防治對策具有重要的指導(dǎo)意義，最終達(dá)到降低隧道涌水危害的目的。

1 隧道涌水的機(jī)理

隧道涌水的產(chǎn)生與地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)，特別是地應(yīng)力分布水平對裂隙閉合和導(dǎo)水具有控制作用，地質(zhì)體中巖層發(fā)育特征、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史和隧道穿越地區(qū)地表水補(bǔ)遷排也是控制隧道涌水重要因素。李利平[4]通過對國內(nèi)外大型隧道涌水事故資料進(jìn)行歸納總結(jié)，從不同涌水類別的普遍特征提出了巖溶地區(qū)涌水發(fā)生的條件與影響因素，其中水文地質(zhì)條件(地質(zhì)構(gòu)造、地下水分布特征、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件、地形地貌)是造成隧道涌水的主要因素，而隧道開挖、爆破、鉆孔等施工活動(dòng)的影響是導(dǎo)致隧道涌水的關(guān)鍵性因素。

隧道作為一種大規(guī)模化的地下建筑物，在建設(shè)過程中必然會(huì)對含水或潛在含水圍巖產(chǎn)生一定程度的破壞，甚至?xí)衣恫糠衷械叵聦?dǎo)水通道，主要是巖溶地層中原有巖石多重孔隙、裂隙或溶隙，改變了原有的圍巖力學(xué)平衡和地下水動(dòng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地下水及與之有水力關(guān)聯(lián)其它水體，特別是在伏流及巖溶作用所形成的空洞等分布情況下，一瞬間內(nèi)進(jìn)入隧體結(jié)構(gòu)，造成隧道涌滲水事故。涌水災(zāi)害的形成和發(fā)生的地下水源條件包含水質(zhì)特性、水壓、水量大小、地下徑流的補(bǔ)給方法和補(bǔ)給區(qū)間的變化等[5]。

孫臣生[6]通過對山西、河北兩省交界處的天河山隧道進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研分析，其隧道涌水量為8 640 m3/d，認(rèn)為隧道涌水是由地質(zhì)構(gòu)造(層理、斷層)因素、地層巖性因素、施工不當(dāng)因素及氣候因素共同作用而導(dǎo)致的。梁金寶[7]分析齊岳山隧道涌水的涌水災(zāi)害源、涌水通道，并揭示了齊岳山隧道涌水的機(jī)理為：隧道施工會(huì)造成其圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，由此引發(fā)隧道周圍巖體經(jīng)歷彈性變形，持續(xù)損傷，塑性變形及裂紋成核、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和不可逆損傷等過程，導(dǎo)致圍巖力學(xué)性能受到破壞，圍巖不足以承受來自地下水的荷載，導(dǎo)致地下水向隧體結(jié)構(gòu)排泄，最終造成涌水事故。降雨是影響喀斯特裸區(qū)隧道涌水的主要因素，在中國西南地區(qū)由于受喀斯特含水層系統(tǒng)發(fā)育的影響，降雨入滲補(bǔ)給地下水有明顯的滯后時(shí)間，因此隧道涌水量不僅與隧道涌水有關(guān)，而且與日內(nèi)降雨量、前期降雨有關(guān)[8]。

2 隧道涌水量的預(yù)測

對于隧道涌水量大小的預(yù)測是隧道涌水研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，相關(guān)的研究探索一直在持續(xù)，從未間斷，其預(yù)測方法也在不斷改進(jìn)，更加趨于科學(xué)合理。當(dāng)前，結(jié)合已有的相關(guān)文獻(xiàn)與參考資料，一般認(rèn)為隧道涌水量的預(yù)測方法主要包括兩大類型：確定性的預(yù)測方法和非確定性的預(yù)測方法[9]。而在這兩大類型中又包括10余種預(yù)測方法。其中，確定性的預(yù)測方法主要包括：水均衡法、數(shù)值模擬法、解析法及物理模擬法等。非確定性預(yù)測方法主要包括：水文地質(zhì)模擬法、模糊數(shù)學(xué)模型、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間序列分析、灰色系統(tǒng)理論及回歸(相關(guān))分析[10]。根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場調(diào)研表明，采取正演(主要采用解析法、經(jīng)驗(yàn)類比法和數(shù)值計(jì)算法)和反演(主要采用時(shí)間序列分析、灰色理論或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))兩種方式對隧道在建設(shè)前的設(shè)計(jì)階段和動(dòng)工后的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行涌水量預(yù)測應(yīng)具有嚴(yán)格的界限。

2.1 隧道建設(shè)前涌水量的預(yù)測方法

地下水動(dòng)力學(xué)法[11]又稱之為解析法，用數(shù)學(xué)分解剖析的方法，根據(jù)地下水運(yùn)動(dòng)的規(guī)律與特征，建立計(jì)算模型，給定假設(shè)條件與邊界條件，進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，最終得到隧道涌水量的計(jì)算公式。地下水動(dòng)力學(xué)中有兩大代表理論:以裘布衣公式為代表的穩(wěn)定流理論，另一理論則是指非穩(wěn)定流理論，其以泰斯公式作為代表。 根據(jù)這兩大代表理論，后人結(jié)合了大量的工程實(shí)踐，對于隧道涌水量的預(yù)測形成了一系列半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，將其歸納與表1。

表1 解析法隧道涌水量預(yù)測公式

在國外，Kyung-Ho Park等[12]采用不同的地下水動(dòng)力學(xué)公式對涌水量的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，同時(shí)利用了保角變換理論對在水頭恒定、變化兩種情況下的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行修正，認(rèn)為隧道涌水量需要根據(jù)不同場景選用不用公式來進(jìn)行預(yù)測。

水文地質(zhì)數(shù)值法[13]通過將龐雜的地下水系統(tǒng)劃分成若干個(gè)小單元，根據(jù)地下水運(yùn)動(dòng)基本方程，創(chuàng)建各個(gè)單元的連續(xù)性方程，然后將各單元形成的水平衡方程聯(lián)立形成一個(gè)方程組，最后運(yùn)用相關(guān)計(jì)算軟件求解該方程組，得到各個(gè)單元地下水運(yùn)動(dòng)的影響元素，如地下水流速、地下水位深度等。王芃[14]根據(jù)調(diào)查研究的工程和水文地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的水文地質(zhì)概念模型，合理確定了水力傳導(dǎo)系數(shù)、影響半徑等計(jì)算參數(shù)及其定解條件。同時(shí)，根據(jù)石太客運(yùn)專線南梁隧道工程實(shí)例，采用該方法對該隧道的涌水量進(jìn)行了預(yù)測，從工程的角度提出隧道涌水的防治措施，并對該預(yù)防處置隧道涌水工程技術(shù)方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的評價(jià)。

2.2 隧道施工后涌水量的預(yù)測方法

隧道施工后涌水量的預(yù)測方法主要有時(shí)間序列分析法、灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[15]。隧道涌水量預(yù)測受很多非確定性因素(大氣降水大小、地下水徑流狀況、地球表面匯流特性、水文地質(zhì)邊界特點(diǎn))的干擾，而且這些因素之間互相干擾，錯(cuò)綜復(fù)雜，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，所以如果采用確定性模型的預(yù)測結(jié)果往往是不準(zhǔn)確的[16]。

劉建[17]采用“黑箱”模型，用以類比存在水量、水質(zhì)輸入、遷移和輸出的地下水基本單元及其組合，通過研究隧道涌水量歷史觀測結(jié)果的潛在發(fā)展趨勢、發(fā)生時(shí)間和隨機(jī)變化基本規(guī)律，從而構(gòu)建了隧道涌水的時(shí)間序列預(yù)測模型。通過在銅鑼山隧道這一工程實(shí)例應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，預(yù)測序列的平均絕對誤差為14.34%，反演系列的平均絕對誤差為14.67%，其結(jié)果表明基于該模型的隧道涌水量預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確。雷波等[18]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列所建立的隧道涌水量模型，能夠避免相關(guān)因素的影響，是將隧道涌水量的時(shí)間序列進(jìn)行無量綱化處理，形成標(biāo)量，作為該模型的輸入輸出值，并結(jié)合隧道歷史觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)測。以長大山嶺隧道隧道一年的涌水量數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證實(shí)例，通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列模型，其預(yù)測誤差約僅為5.74%，對于工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

灰色系統(tǒng)理論來預(yù)測涌水量，首先要利用灰色關(guān)聯(lián)度理論確定影響隧道涌水量大小的主要因素，從而規(guī)定隧址區(qū)影響涌水量大小的相關(guān)核心內(nèi)容和關(guān)鍵任務(wù)；隨后依靠研究調(diào)查結(jié)論對照由數(shù)量化判別方式計(jì)算出來的評判等級進(jìn)行評價(jià)，即可對隧道涌水產(chǎn)生的危險(xiǎn)等級進(jìn)行劃分；最后，對于危險(xiǎn)級別較高的隧道，其涌水量大小的預(yù)測可以依靠由灰色虛擬變量多元回歸方法計(jì)算出來的評判標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測來進(jìn)行評判。王東[19]采取灰色系統(tǒng)理論，通過對隧址區(qū)某一固定時(shí)間段的隧道現(xiàn)場真實(shí)監(jiān)測涌水量進(jìn)行擬合，構(gòu)建隧道涌水量計(jì)算方程。J. Xa[20]認(rèn)為對于喀斯特隧道涌水量預(yù)測，由于其地質(zhì)環(huán)境特殊、水文地質(zhì)條件復(fù)雜、深度勘探技術(shù)落后，用傳統(tǒng)方法預(yù)測涌水量(如水文地質(zhì)、類比法)存在較大誤差，而隨機(jī)數(shù)學(xué)灰色關(guān)聯(lián)分析和多元回歸等模型可以取得較好的結(jié)果。

3 隧道涌水的防治對策

3.1 隧道涌水防治的必要性

隧道涌水一旦發(fā)生，后果往往非常嚴(yán)重，一方面會(huì)造成土體軟化和泥化， 引發(fā)基礎(chǔ)以下承受基礎(chǔ)傳遞下來的荷載的土類變形加大和地基的強(qiáng)度對建筑物負(fù)重的能力減弱，對隧體結(jié)構(gòu)帶來潛在威脅，另一方面隧道施工后，地面以下巖石空隙中的水的排放將造成地下水疏干，地下水徑流環(huán)境及模式會(huì)發(fā)生改變，將會(huì)對地下水平衡造成嚴(yán)重破壞。因此必須對隧道涌水制定科學(xué)合理的防治對策，減少隧道涌水事故的發(fā)生。

3.2 隧道涌水的防治原則

隧道涌水的防治原則的制定必須結(jié)合水文地質(zhì)條件，根據(jù)不同的涌水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，采取不同的應(yīng)對措施，以達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)，安全施工的目的。

郭佳奇[21]通過對于涌水機(jī)理的深入研究，結(jié)合隧道涌水災(zāi)害防治的工程實(shí)踐及相關(guān)研究結(jié)論總結(jié)，總結(jié)概括了隧道涌水災(zāi)害治理的基本原則：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原則、隧道分類管理原則、二襯緊跟原則、信息化施工原則。劉招偉[22]結(jié)合圓梁山巖溶隧道施工過程，提出了巖溶隧道涌水的防治原則：臨界距離原則、下位交義施工原則、關(guān)鍵部位原則及信息化施工原則。王博煊[23]等具有針對性地提出了四種隧道涌水的防治原則：地質(zhì)先行，先探后堵原則、以堵為主，可控引排原則、上游布孔，深部引排原則、實(shí)時(shí)監(jiān)控，信息化施原則。在對于富水的高水壓隧道，應(yīng)遵循“上游布孔，深部引排”的原則，不僅可以降低治理區(qū)域的水壓，同時(shí)防止了堵水后圍巖應(yīng)力異常集中的現(xiàn)象。

3.3 隧道涌水的治理措施

以隧道涌水防治原則作為指導(dǎo)，來制定隧道涌水的治理對策，可以達(dá)到事半功倍的效果。目前，針對于隧道涌水，主要的治理措施有：引排方案、泄水導(dǎo)洞方案、堆積體加固堵水方案、繞避方案、注槳堵水方案和釋能降壓方案[24]。

注漿堵水方案是隧道涌水災(zāi)害防治的一種常用方法，但是國內(nèi)許多采用的水泥基漿材注漿防滲效果欠理想，難以填充到細(xì)小裂隙及細(xì)砂層，且普通硅酸鹽水泥會(huì)析水收縮。而化學(xué)漿材注漿防滲效果較好，但價(jià)格昂貴，巖溶隧道注漿量大，難以普遍采用。因此對添加納米外加劑的硅酸鹽水泥性能、配比、注漿效果進(jìn)行研究對巖溶隧道注漿防治具有非常重要的意義。趙慧鋼[25]使用水泥、水玻璃、緩凝劑組成新型液體漿材，通過水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣與水玻璃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成凝膠體水化硅酸鈣，不但能夠提高注漿的結(jié)石率，同時(shí)也加快了水泥漿液的凝結(jié)速度，因此在隧道涌水治理中，采用水泥水玻璃雙液漿灌漿技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

同時(shí)，注漿堵水方法也在不斷改進(jìn)和發(fā)展，并形成引流泄壓、帷幕截流、高壓固結(jié)等技術(shù)。在針對于大支坪隧道涌水采用注漿堵水方法中，通過對注漿加固機(jī)理與注漿參數(shù)、注漿孔位置的確定、注漿配合比等進(jìn)行相關(guān)探討，得出科學(xué)合理的注漿方案。劉欽等[26]對龍?zhí)端淼繤2斷層處的涌水機(jī)理進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為豐富的地下水、巖溶洞穴堆積物松散是涌水災(zāi)害形成的主要原因，鑒于此，通過采用超前小導(dǎo)管擠壓劈裂注漿、負(fù)壓排水、長管棚注漿堵水、前進(jìn)式分段高壓注漿等措施，從而保證了隧道的順利貫通。

而在實(shí)施埋藏型或深埋型巖溶區(qū)的富水量高水壓隱伏加添、半充實(shí)溶洞隧道時(shí)，傳統(tǒng)的注漿堵水方案與釋能降壓法與相比，一般沒有優(yōu)勢。2008年，成功對宜萬鐵路大支坪隧道“990高壓富水充填溶腔”實(shí)施釋能降壓，成功處理了隧道的涌水災(zāi)害[27]。

張旭輝[28]在對湖南蒼稼嶺隧道進(jìn)行涌水防治的過程中，根據(jù)綜合治理的原則，結(jié)合泄水導(dǎo)洞、注槳堵水、地表截水等方法，提出了長距離反坡排水方案，從工程實(shí)際來看，具有較好的處理效果。白國權(quán)[29]以花椒箐隧道為工程背景，結(jié)合涌水突泥成因，提出治理的綜合措施：全斷面超前帷幕注漿堵水、結(jié)構(gòu)加固及換拱、坍體前方圍巖開挖，從而避免了隧道涌水的再次發(fā)生。

同時(shí)，利用較為先進(jìn)的預(yù)報(bào)監(jiān)測體系，對于隧道涌水治理也會(huì)產(chǎn)生較為理想的效果。李術(shù)才等[30]人以三峽地區(qū)某一巖溶隧道作為工程背景，基于水文地質(zhì)調(diào)查、隧址區(qū)補(bǔ)徑排特征，通過研究涌水災(zāi)害產(chǎn)生環(huán)境和致險(xiǎn)因素，創(chuàng)造性地提出了一種基于隧道施工危險(xiǎn)評價(jià)的超前預(yù)報(bào)體系，從而對隧道涌水治理方案進(jìn)行優(yōu)化，并在隧道建設(shè)期間進(jìn)行全程質(zhì)量控制，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，具有較好的工程應(yīng)用潛力。S .C .L等[31]建立了四種預(yù)警監(jiān)測體系，同時(shí)利用Fluent軟件，對涌水災(zāi)害發(fā)生后水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了模擬，用來確定人員撤離路線，保證施工安全。

4 結(jié)語

隧道建設(shè)過程中，若涌水災(zāi)害處理不當(dāng)，一方面會(huì)造成人員傷亡，影響工程進(jìn)度，另一方面會(huì)對隧道結(jié)構(gòu)造成損害，對后期隧道運(yùn)營帶來潛在威脅。 本論文論述了隧道涌水產(chǎn)生的機(jī)理主要是由于隧道在建設(shè)階段必然會(huì)穿過不同水文地質(zhì)條件的裂隙巖體的含水段，使得山體地下水的滲流條件發(fā)生變化，導(dǎo)致地下水排入隧道內(nèi)，引發(fā)隧道涌水；對于隧道涌水量大小的預(yù)測需要根據(jù)隧道建設(shè)的不同階段，進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分，并結(jié)合氣象、水文地質(zhì)和工程經(jīng)驗(yàn)提高預(yù)測的準(zhǔn)確性；隧道涌水防治對策通過以防治原則來指導(dǎo)防治措施，根據(jù)工程實(shí)況，采用單一方案或者多方案結(jié)合，從而達(dá)到防治的最優(yōu)效果。

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