[摘要]在修建隧道工程過程中，由于隧道施工周期長，隨著水文地質(zhì)條件的變化，隧道施工的環(huán)境亦隨之變化。反之隧道建成后亦改變?cè)瓉淼乃淼拦こ谭秶鷥?nèi)水文地質(zhì)環(huán)境，很容易造成各類的地質(zhì)災(zāi)害，破壞周邊的生態(tài)環(huán)境。為克服水文地質(zhì)環(huán)境給隧道施工帶來困難，降低隧道施工成本，避免或減少因修建隧道而導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，加強(qiáng)隧道工程水文地質(zhì)環(huán)境勘察是必要的。本文初步分析了水文地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道工程施工的影響和隧道建成后對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境的影響，提出加強(qiáng)隧道水文地質(zhì)勘察，隧道勘探深度應(yīng)能查明地下水位，或進(jìn)入相對(duì)隔水層3～5m為宜的建議。
[關(guān)鍵詞]水文地質(zhì) 地面沉降 砂土承載力 隧道淺埋段浸沒
[中圖分類號(hào)] P64 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2013）-11-12-2
0前言
地下水水位隨氣候、人類活動(dòng)等因素影響發(fā)生變化，其變化幅度是沒有規(guī)律的。地下水位頻繁活動(dòng)的部位對(duì)巖土層、對(duì)建筑工程是不利的。在巖溶地帶，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈可加強(qiáng)巖溶發(fā)展；在建筑工程基礎(chǔ)壓縮層內(nèi)活動(dòng)時(shí)，水位下降后新增加的自重應(yīng)力引起土體本身產(chǎn)生壓縮變形，上升則軟化巖土、降低地基土強(qiáng)度，壓縮性增大，若上升過程遇濕陷性黃土、膨脹巖土、鹽漬土?xí)r，而更為嚴(yán)重，能導(dǎo)致建筑物嚴(yán)重變形甚至失穩(wěn)。地下室修建過程的上浮、游泳池空池時(shí)上浮，水庫坍岸，地面沉降與塌陷，均與地下水位變化密切相關(guān)。
隧道工程相對(duì)其它工程而言，具有隱蔽性強(qiáng)，施工工期長，穿越地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)。尤其是長隧道，從勘察到施工完畢，往往歷時(shí)四、五年，而水文地質(zhì)環(huán)境不是一成不變的。工程地質(zhì)勘察時(shí)揭露的水文地質(zhì)條件往往和施工時(shí)的水文地質(zhì)環(huán)境不同，尤其是受大氣降水補(bǔ)給的含水層水位變化大，隧址區(qū)一般難于獲得當(dāng)?shù)厮蛔兓臏?zhǔn)確資料�？辈靾�(bào)告中一般都是引用當(dāng)?shù)貐^(qū)域水文資料，而區(qū)域水文資料大都是80年代做的工作。大多隧道勘察過程都是強(qiáng)調(diào)隧道涌水量，用多種方法計(jì)算涌水量，并注重隧道疏排地下水后對(duì)地表環(huán)境的影響，但就地下水變化對(duì)隧道自身影響、隧道建筑后對(duì)周邊環(huán)境的影響缺少重視。致使某些隧道在施工過程中往往出現(xiàn)底鼓，路基沉降的事故，隧道建成后引發(fā)新的工程地質(zhì)問題。
1水文地質(zhì)環(huán)境變化對(duì)隧道工程的影響
1.1地下水位變化對(duì)地基承載力的影響
地下水位變化對(duì)地基承載力的影響主要表現(xiàn)在砂類土上，尤其是細(xì)砂、粉砂。鐵路、公路系統(tǒng)研究表明，細(xì)砂飽和狀態(tài)比潮濕狀態(tài)承載力降低14%～22%，粉砂在飽和狀態(tài)下比潮濕狀態(tài)下降低33%～53%，見下表。
從上表分析可得出，粉砂由稍濕變?yōu)轱柡蜁r(shí)承載力雖然降低了，剛好是100kPa，相當(dāng)于10m水柱的壓強(qiáng)。但對(duì)上部構(gòu)筑物而言，亦受到的地下水的浮托力，浮托力的大小與水位上升高度、構(gòu)筑物體積是相關(guān)的。對(duì)于奠基于粉砂、細(xì)砂中的構(gòu)筑物而言，其受到地下水的浮托力可以大于砂土降低的承載力，但是也可能小于砂土降低的承載力。當(dāng)?shù)叵滤仙揭欢ǜ叨龋ㄟh(yuǎn)大于砂土降低的承載力）而構(gòu)筑物缺少足夠自重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)筑物上��；反之地下水上升的高底僅達(dá)到構(gòu)筑物基底時(shí)，由于粉砂承載力降低會(huì)致使構(gòu)筑物下沉，若構(gòu)筑物建成后長期受振動(dòng)荷載，下沉?xí)屑觿〉内厔荨?nbsp;
粉砂、細(xì)砂由飽和變?yōu)槌睗�，看起來承載力是增加了，其實(shí)不然。眾所周知，地面沉降、地面塌陷的主要影響因素是由于地下水下降引起。位于飽和砂土中的構(gòu)筑物在地下水大幅度下降時(shí)不但會(huì)失去浮托力，還增加了自重應(yīng)力，沉降更加顯著。按地下水中土的自重應(yīng)力計(jì)算公式：
σcz=γ’×z，
σcz――指土的自重應(yīng)力（單位kPa）
γ’指土的浮容重（單位kN/m3），等于飽和容重減去水的容重，水的容重取10kN/m3
z――土層厚度（單位m）。
由該式可計(jì)算出，水位每下降1m，土的自重應(yīng)力增加10kPa。
如在建滬昆客運(yùn)專線湖南段某隧道，該隧道進(jìn)口明洞奠基于花崗巖殘積黏質(zhì)砂土中，黏質(zhì)砂土工程性質(zhì)與細(xì)砂相似。勘察期間鉆孔未揭露地下水，但明洞施工時(shí)發(fā)現(xiàn)有水。該問題未引起足夠重視，結(jié)果明洞基礎(chǔ)施工過程中經(jīng)歷了先下沉、后上升的過程，雖然變化幅度不大，但不能滿足零沉降的要求。后來對(duì)地基進(jìn)行了灌漿處理。經(jīng)調(diào)查，勘察工作完成于2009年，該隧道明洞施工始于2012年，2009年恰是南方普遍大旱，尤以廣西、貴州旱情最重，湖南旱情稍緩，隧址花崗巖殘積土中地下水受大氣補(bǔ)給，水位變化幅度超出常規(guī)，致使勘察中提出的承載力偏大。2013年明洞施工期間，訪地區(qū)雨季連續(xù)60天無干旱，但由于隧道建成后壅水，地下水緩慢回升，受地下水浮托力的影響，隧道明洞部位稍有抬升，約1～2mm。一般而言，該區(qū)域地下水位變化幅度為2～3m，但實(shí)際施工過程中水位變幅多達(dá)5.0m，從勘察時(shí)無水，到注漿施工進(jìn)水位高出隧道底板充分說明地下水變化幅度之大。
1.2地下水位變化對(duì)材料的腐蝕性影響
《巖土工程勘察規(guī)范 （GB50021-2009）》表12.2.1、《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范 （JGJ C20-2011）》附錄K.0.2指出，Ⅰ、Ⅱ類環(huán)境無干濕交替作用時(shí)，按環(huán)境類型水和土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)腐蝕介質(zhì)硫酸鹽含量數(shù)值（界限指標(biāo)）應(yīng)乘以1.3，從而可以得出，地下水位變化使建筑物受到干濕交替作用，降低了混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)硫酸鹽腐蝕的抵抗能力。
《鐵路凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10005-2010）》中指出，處于水位變化區(qū)和處于干濕交替區(qū)，碳化環(huán)境作用等級(jí)為T3（見規(guī)范4.3.1）；水和土中的氯鹽的對(duì)混凝土腐蝕性需在有干濕交替作用下才能發(fā)生（見規(guī)范4.3.2）；地下水變動(dòng)是劃分破壞環(huán)境作用等級(jí)的重要依據(jù)，（見該規(guī)范4.3.5），該表中“頻繁接觸水”與“處于水變動(dòng)區(qū)”均與地下水位變化頻率相關(guān)。
《鐵路凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10005-2010）》（表4.3.1） 《鐵路凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10005-2010）》（表4.3.2）
《鐵路凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10005-2010）》（表4.3. 5）
此外，水文地質(zhì)環(huán)境變化（地下水位變化）對(duì)隧道涌水量、邊坡的穩(wěn)定性有重大影響，本文不作詳述。
2隧道工程對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境的影響
2.1隧道排水對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境環(huán)境影響
如京廣鐵路南嶺隧道，該隧道穿越南嶺山脈的五蓋山與騎田嶺夾持地帶的剝蝕低山丘陵區(qū)，隧道全長6061.8 m，隧址巖溶發(fā)育、隧道受巖溶地下水危害嚴(yán)重。在20世紀(jì)80年代初期，隧道設(shè)計(jì)和施工時(shí)，對(duì)影響隧道的地下水均采用以排為主的方案，隨著隧道施工進(jìn)展，由于巖溶地下水對(duì)隧道施工安全和地質(zhì)環(huán)境的危害日益加劇，逐步調(diào)整了施工方案，對(duì)地下水危害嚴(yán)重地段采取以堵為主、堵排結(jié)合的原則，尤其在生潮垅巖溶最為發(fā)育地段，選用正洞以堵為主、平行導(dǎo)洞以排放為輔的措施。南嶺隧道運(yùn)營14年來，因平行導(dǎo)洞漏水嚴(yán)重、涌水量大，造成南嶺隧道頂部嶺白塘、生潮垅以及下連溪溶蝕洼地地表塌陷復(fù)活、擴(kuò)大，特別是嶺白塘新生陷穴達(dá)13處。據(jù)觀測資料統(tǒng)計(jì)，通過洞內(nèi)各種途徑排出的泥砂量已達(dá)80余萬立方米，造成隧道中心水溝泥砂淤塞，涌水量增加，隧道基底長期浸泡，嚴(yán)重威脅行車安全。
2004年巖溶地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，以隧道為中心形成了一個(gè)地下水降落漏斗，在降落漏斗內(nèi)地下水水流速度急劇增加，水力比降超過黏粒土抗?jié)B透比降，地表黏粒不斷被地下水帶入隧道排水系統(tǒng)中，從而導(dǎo)致隧道越排地下水，水力梯度越大，排出泥砂越多，原地表塌陷復(fù)活、增大，并形成新的滲流通道，引發(fā)新的地面沉陷，導(dǎo)致水井水位下降，淺部泉水消失，形成惡性循環(huán)。這一實(shí)例說明，隧道工程長期排水改變了周圍的水文地質(zhì)環(huán)境，引發(fā)了系列工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)問題。
2.2隧道壅水對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境的影響
淺埋隧道在穿越含水層時(shí)，需防止施工過程產(chǎn)生突涌，進(jìn)行了灌漿加固，隧道建成后在淺埋帶形成了止水帷幕，在一定的水文地質(zhì)條件下，會(huì)壅高地下水位，或截?cái)�、改變局部地下水流向，使地下分水嶺遷移或局部形成新的分水嶺。如圖1所示，為某隧道淺埋段，地下水原流向?yàn)橛杀毕蚰希淼澜ǔ珊笫箿\埋段地下水位上升，形成新的分水嶺，隧道北側(cè)地下水往繞滲（圖中，實(shí)線箭頭為原地下水流向，虛線箭頭為隧道修建后地下水流向）。由此可導(dǎo)致原地下水上游區(qū)溝谷中農(nóng)作物區(qū)浸沒，房屋地基下沉，亦即隧道淺埋段浸沒，若上游地下水侵入到邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面中，尚可引起邊坡失穩(wěn)；下游局部由于地下水補(bǔ)給量減少，居民水井水位降低，減少，部分泉、井水消失。
3小結(jié)
水文地質(zhì)環(huán)境與隧道工程是密切相關(guān)的，是相互作用的。水文地質(zhì)條件簡單便于隧道施工，隧道建成后會(huì)改變當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，主要體現(xiàn)在地下水水位變化增大，地下水徑流改向、繞滲，水力梯度改變。地下水位的變化同時(shí)會(huì)引起特殊巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)變化，如粉砂、細(xì)砂承載力降低、濕陷性黃土沉陷、膨脹巖土遇水膨脹等。因此，做好隧道與水文地質(zhì)環(huán)境的分析工作，具有重要意義。隧道設(shè)計(jì)與施工過程中，不要輕視地下水位變化幅度，即便是2～3m變幅，其作用也是巨大的。
隧道勘察工作中，尤其是進(jìn)出口段，鐵路隧道勘探孔深度一般地層控制在進(jìn)入隧道底部（路肩設(shè)計(jì)標(biāo)高）以下3～5m，公路隧道一般巖土勘察探深度至路線設(shè)計(jì)高程以下不小于5.0m。兩者均從工程物理力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，未考慮是否需查明水文地質(zhì)條下，從而導(dǎo)致未見地下水亦可終孔。在實(shí)際勘察工作中，隧道勘探深度應(yīng)能查明地下水位，或進(jìn)入相對(duì)隔水層3～5m為宜。
隧道勘察工作中加強(qiáng)水文地質(zhì)環(huán)境勘察工作，有利于指導(dǎo)隧道施工選取合理的截、堵、引、排水措施，避免隧道在建及運(yùn)營期間，引發(fā)各種工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)問題，為建設(shè)和諧社會(huì)發(fā)揮應(yīng)有的力量。
參考文獻(xiàn)
[1]《巖土工程勘察規(guī)范 （GB50021-2009）》.
[2]《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范 （JGJ C20-2011）》.
[3]《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范 （TB 10012-2007） （J 124-2007）》.
[4]《鐵路凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10005-2010）》.
[5]《地基與基礎(chǔ) （第三版）》顧曉魯、錢鴻縉、汪時(shí)敏主編.
[6]《資源環(huán)境與工程》2006年第04期 《南嶺隧道巖溶病害的勘察與分析》李海斌.
