我国基础设施在交通行业的建设投入逐年增加, 大量铁路与公路建设向着地质地理条件非常复杂的中西部山区逐步延伸, 进而带来大量隧道工程建设。根据有关部门的统计数据表明, 截至2006年年底, 我国铁路隧道共5924条, 374万延长米, 其中超万米长度的隧道7条;公路隧道共2889条, 152万延长米, 其中特长的隧道43条。
隧道工程与水环境间的相互作用链, 包括水环境对于隧道工程作用以及隧道工程对于水环境反作用两方面。其中水环境对其作用主要是隧洞涌、漏水与承受水压力。在含水层开挖隧道, 因其洞顶有着一定程度的地下水, 导致隧道洞中产生突水及涌水现象, 而后进行的隧道衬砌承受水的静水压力。而隧道工程对于水环境反作用则导致隧道洞顶环境灾害。隧道的涌排水则使得地下水逐步排干, 水文地质条件不断恶化, 地下水位持续下降, 地下漏斗不断扩展, 导致洞顶的地表水资源枯竭, 水环境平衡被破坏, 最终引发生态环境恶化甚至地面塌陷等自然灾害。
地下水在隧道工程运营阶段造成的影响作用主要表现为衬砌渗漏水。渗漏水对于隧道的稳定、隧道设施、行车的安全、地面建筑等产生许多负面影响甚至危害。渗漏水促使衬砌风化、腐蚀、衬砌结构破坏, 对内部设施如通讯、钢轨、照明等加速腐蚀, 影响设备正常的使用, 缩短其使用寿命, 增加了相应成本。危害是将引发路基沉降, 基底损坏, 翻浆冒泥等现象, 导致轨距变形超过承受极限, 影响了行车安全。造成渗漏水的原因很多, 结合京广铁路段南岭隧道的渗漏水现象分析如下。
该隧道地处京广铁路衡阳至韶关段, 位于湖南南部五盖山和骑田岭的夹持地带, 属剥蚀低山丘陵地区, 地形起伏较小, 地面高程为320m~500m。在隧道范围之内, 岩溶洼地、岩溶漏斗发育, 隧道经五处溶蚀的洼地。隧道全长为6061.8m, 建设于1979年至1987年, 于1988年11月正式运营。隧道使用复合式衬砌与聚乙烯板制防水层, 轨道床使用混凝土制宽枕板, 内设人字坡, 除了进出口段外, 其他地段安置双边水沟、双侧电缆槽与中心水沟。自投入运营以来, 发生多次断轨事故, 其主要问题有拱顶掉块、衬砌的渗漏水现象严重、轨下基础被破坏致使翻浆冒泥现象甚至涌水涌泥, 每年的雨季浸轨道床2~5次。其主要因素如以下几点。
隧道的设计施工按照新奥法原理理论, 设计将隧道周边岩体渗水经衬砌后的导水设备引到集水沟, 最后排出隧道。如果相关排水设备系统不能正常工作, 将水排出隧道, 则在衬砌后将形成集水。当该位置的水充满空隙时, 衬砌将受到与地下水位高度相等静水的压力, 而非设计中的无水压或者折减水压。加上渗流的动水压力, 此时衬砌所承受的压力远超于当时设计标准, 进而产生衬砌涌水开裂的破损情况。隧道铺底基面由于长期被积水所浸泡, 在列车动力作用之下形成底部吊空, 列车经过时产生的呼吸作用, 排空了碎石和砂子, 导致行车限速甚至断轨。排水系统不畅直接造成雨季时积水情况。
防水层是将隧道与外部水环境分隔开的关键部件, 在隧道工程中有柔性与刚性两种防水层。柔性的防水层效果与其材质、施工的质量紧密相关, 如果防水材料差, 耐久性不良时, 很容易在运营一段时间后就失去防水功能。刚性防水层功能与混凝土性能相关, 如防水混凝土的衬砌施工质量差、收缩太大而形成了孔隙、裂缝等, 其相应的防水能力降低。
渗漏水的问题是在复杂的水文地质条件之下, 隧道工程防水设计的施工方案并没有对隧道建址区地质的条件进行全面考虑, 对地下水环境作用认识不足, 导致隧道工程并没有对防渗漏技术进行完善, 使地下水渗流对隧道衬砌构成影响, 渗入隧道中的地下水使隧道使用寿命大幅度缩短。
隧道工程的建设也给水环境造成着严重的影响作用。隧道工程破坏了地下水渗流原有的平衡, 长时期疏干作用使渗流场产生变化, 对地下水正常循环造成严重影响, 进而导致自然生态环境的恶化。结合京广铁路段大瑶山隧道为例, 分析如下。
该隧道工程位于坪石至乐昌之间, 穿越广东乐昌县瑶山的主峰。隧道工程中线基本与大瑶山垂直, 全长14.295km, 洞顶埋深为100m~910m, 洞中部为斑古坳地区, 地表面植被茂密, 年平均气温为20℃, 年均降雨量为1500mm。该隧道于1987年建成运营后渗漏水情况严重, 经多次整治仍达不到理想效果。长期排水使地下水位下降, 井水干涸, 正常的农业灌溉受到了严重的影响, 同时地面沉降致使房屋变形、开裂。最后因自然环境破坏严重、水资源流失使隧道建址区域的农业、生活不能正常开展, 而只能将该区域居民外迁, 造成重大经济损失。该隧道工程对地下水环境的主要影响作用如以下几点。
造成大瑶山自然环境灾害的主因是隧道长期排水, 其隧道挖掘后破坏了一系列水循环系统, 最主要是地下水资源大量流失。基于隧道集水与汇水的作用, 引发地下水运动的方向产生明显改变。在长期排水情况下, 隧道的地下水系统开始将地下水大量排出。根据相关理论, 地下水的补给量不能满足其排出水量, 其水位就会持续的下降。随着地下水位不断下降, 地下水和地表水径流间产生相应的变化, 直接导致岩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现象, 造成生活用水紧缺。同时地下水位下降使原农田土壤的含水量减少, 特别是水稻区域的影响更严重, 无法继续种植, 给正常的农业造成了危害。
岩土应力因渗流场变化而变化。首先, 因为隧道疏干了大量地下水, 造水位下降, 饱和岩土层里孔隙的水压力降低, 不饱和区域负水压力区扩大, 在总应力未变情况下有效的应力上升。其次, 由于渗流场被改变, 地下水渗流的方向全变为在新水力梯度下, 向隧道中心流动, 共方向向下。由于渗流方向改变, 地下水的渗流力也相应改变, 增加竖直向下应力, 使总应力上升。随着有效应力的上升, 岩土发生新沉降直至其达到新动态的平衡。土体沉陷会使隧址区的房屋普遍产生开裂与倾斜, 导致无法使用, 土体沉陷毁坏了农田, 继续耕种的难度增加。此外灌溉受影响, 基本丧失了其耕作功能。
隧道与地下水环境间的互相作用是非常复杂的, 不但影响隧道施工的正常与运营安全, 又关系到隧址区生态环境与社会环境, 是隧道工程中应大力研究的问题。
摘要：我国幅员辽阔, 各类地质地形众多, 随着我国社会经济发展的全面快速发展, 铁路、公路越岭隧道工程也随之在我国得到大力的发展, 在隧道工程中, 地下水与隧道间有着复杂的关系。它们互相影响、互相作用, 对建设好隧道工程有着至关重要的作用。本文通过隧道工程与水环境的相互作用链分析、结合部分实例对隧道工程与水环境之间的互相影响作用作阐述。
关键词：隧道项工程,水环境,相互作用
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