深析隧道工程與水環境的相互作用

潘宇 任蘭波

摘要：我國幅員遼闊，各類地質地形眾多，隨著我國社會經濟發展的全面快速發展，鐵路、公路越嶺隧道工程也隨之在我國得到大力的發展，在隧道工程中，地下水與隧道間有著復雜的關系。它們互相影響、互相作用，對建設好隧道工程有著至關重要的作用。本文通過隧道工程與水環境的相互作用鏈分析、結合部分實例對隧道工程與水環境之間的互相影響作用作闡述。

中圖分類號：TU248文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）04（a）-0000-00

我國基礎設施在交通行業的建設投入逐年增加，大量鐵路與公路建設向著地質地理條件非常復雜的中西部山區逐步延伸，進而帶來大量隧道工程建設。根據有關部門的統計數據表明，截至2006年年底，我國鐵路隧道共5924條，374萬延長米，其中超萬米長度的隧道7條；公路隧道共2889條，152萬延長米，其中特長的隧道43條。

1 隧道工程與水環境相互作用鏈

隧道工程與水環境間的相互作用鏈，包括水環境對于隧道工程作用以及隧道工程對于水環境反作用兩方面。其中水環境對其作用主要是隧洞涌、漏水與承受水壓力。在含水層開挖隧道，因其洞頂有著一定程度的地下水，導致隧道洞中產生突水及涌水現象，而后進行的隧道襯砌承受水的靜水壓力。而隧道工程對于水環境反作用則導致隧道洞頂環境災害。隧道的涌排水則使得地下水逐步排干，水文地質條件不斷惡化，地下水位持續下降，地下漏斗不斷擴展，導致洞頂的地表水資源枯竭，水環境平衡被破壞，最終引發生態環境惡化甚至地面塌陷等自然災害。

2 地下水影響作用

地下水在隧道工程運營階段造成的影響作用主要表現為襯砌滲漏水。滲漏水對于隧道的穩定、隧道設施、行車的安全、地面建筑等產生許多負面影響甚至危害。滲漏水促使襯砌風化、腐蝕、襯砌結構破壞，對內部設施如通訊、鋼軌、照明等加速腐蝕，影響設備正常的使用，縮短其使用壽命，增加了相應成本。危害是將引發路基沉降，基底損壞，翻漿冒泥等現象，導致軌距變形超過承受極限，影響了行車安全。造成滲漏水的原因很多，結合京廣鐵路段南嶺隧道的滲漏水現象分析如下：

該隧道地處京廣鐵路衡陽至韶關段，位于湖南南部五蓋山和騎田嶺的夾持地帶，屬剝蝕低山丘陵地區，地形起伏較小，地面高程為320米至500米。在隧道范圍之內，巖溶洼地、巖溶漏斗發育，隧道經五處溶蝕的洼地。隧道全長為6061.8米，建設于1979年至1987年，于1988年11月正式運營。隧道使用復合式襯砌與聚乙烯板制防水層，軌道床使用混凝土制寬枕板，內設人字坡，除了進出口段外，其他地段安置雙邊水溝、雙側電纜槽與中心水溝。自投入運營以來，發生多次斷軌事故，其主要問題有拱頂掉塊、襯砌的滲漏水現象嚴重、軌下基礎被破壞致使翻漿冒泥現象甚至涌水涌泥，每年的雨季浸軌道床2至5次。其主要因素有：

2.1 排水不暢

隧道的設計施工按照新奧法原理理論，設計將隧道周邊巖體滲水經襯砌后的導水設備引到集水溝，最后排出隧道。如果相關排水設備系統不能正常工作，將水排出隧道，則在襯砌后將形成集水。當該位置的水充滿空隙時，襯砌將受到與地下水位高度相等靜水的壓力，而非設計中的無水壓或者折減水壓。加上滲流的動水壓力，此時襯砌所承受的壓力遠超于當時設計標準，進而產生襯砌涌水開裂的破損情況。隧道鋪底基面由于長期被積水所浸泡，在列車動力作用之下形成底部吊空，列車經過時產生的呼吸作用，排空了碎石和砂子，導致行車限速甚至斷軌。排水系統不暢直接造成雨季時積水情況。

2.2 防水設施不良

防水層是將隧道與外部水環境分隔開的關鍵部件，在隧道工程中有柔性與剛性兩種防水層。柔性的防水層效果與其材質、施工的質量緊密相關，如果防水材料差，耐久性不良時，很容易在運營一段時間后就失去防水功能。剛性防水層功能與混凝土性能相關，如防水混凝土的襯砌施工質量差、收縮太大而形成了孔隙、裂縫等，其相應的防水能力降低。

滲漏水的問題是在復雜的水文地質條件之下，隧道工程防水設計的施工方案并沒有對隧道建址區地質的條件進行全面考慮，對地下水環境作用認識不足，導致隧道工程并沒有對防滲漏技術進行完善，使地下水滲流對隧道襯砌構成影響，滲入隧道中的地下水使隧道使用壽命大幅度縮短。

3 隧道工程影響作用

隧道工程的建設也給水環境造成著嚴重的影響作用。隧道工程破壞了地下水滲流原有的平衡，長時期疏干作用使滲流場產生變化，對地下水正常循環造成嚴重影響，進而導致自然生態環境的惡化。結合京廣鐵路段大瑤山隧道為例，分析如下：

該隧道工程位于坪石至樂昌之間，穿越廣東樂昌縣瑤山的主峰。隧道工程中線基本與大瑤山垂直，全長14.295公里，洞頂埋深為100至910米，洞中部為斑古坳地區，地表面植被茂密，年平均氣溫為20攝氏度，年均降雨量為1500毫米。該隧道于1987年建成運營后滲漏水情況嚴重，經多次整治仍達不到理想效果。長期排水使地下水位下降，井水干涸，正常的農業灌溉受到了嚴重的影響，同時地面沉降致使房屋變形、開裂。最后因自然環境破壞嚴重、水資源流失使隧道建址區域的農業、生活不能正常開展，而只能將該區域居民外遷，造成重大經濟損失。該隧道工程對地下水環境的主要影響作用有：

3.1 疏干地下水

造成大瑤山自然環境災害的主因是隧道長期排水，其隧道挖掘后破壞了一系列水循環系統，最主要是地下水資源大量流失。基于隧道集水與匯水的作用，引發地下水運動的方向產生明顯改變。在長期排水情況下，隧道的地下水系統開始將地下水大量排出。根據相關理論，地下水的補給量不能滿足其排出水量，其水位就會持續的下降。隨著地下水位不斷下降，地下水和地表水徑流間產生相應的變化，直接導致巖溶泉出水量少甚至消失，地表的取水井水位的下降甚至水井干涸等現象，造成生活用水緊缺。同時地下水位下降使原農田土壤的含水量減少，特別是水稻區域的影響更嚴重，無法繼續種植，給正常的農業造成了危害。

3.2 滲流場變化使巖土應力變化

巖土應力因滲流場變化而變化。首先，因為隧道疏干了大量地下水，造水位下降，飽和巖土層里孔隙的水壓力降低，不飽和區域負水壓力區擴大，在總應力未變情況下有效的應力上升。其次，由于滲流場被改變，地下水滲流的方向全變為在新水力梯度下，向隧道中心流動，共方向向下。由于滲流方向改變，地下水的滲流力也相應改變，增加豎直向下應力，使總應力上升。隨著有效應力的上升，巖土發生新沉降直至其達到新動態的平衡。土體沉陷會使隧址區的房屋普遍產生開裂與傾斜，導致無法使用，土體沉陷毀壞了農田，繼續耕種的難度增加。此外灌溉受影響，基本喪失了其耕作功能。

4 結 語

隧道與地下水環境間的互相作用是非常復雜的，不但影響隧道施工的正常與運營安全，又關系到隧址區生態環境與社會環境，是隧道工程中應大力研究的問題。