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摘要：地下水渗流引起的工程问题一直是隧道工程中的一大难题，地下水的渗流情况直接影响到隧道施工的工程质量，严重的将带来灾难。重点分析了地下水渗流的危害、地下水渗流的机理以及地下水对隧道岩体的力学性质的影响，并提出了隧道渗水的工程处理措施，对复杂地质状况下隧道施工有一定的借鉴意义。
关键词：地下水；渗流；隧道工程；岩体；
Analysis of underground water effect on tunnel construction and management method
Abstract: Engineering problems caused by the seepage of underground water was a hardest work in tunneling engineering. The seepage of underground water affects directly the construction quality in the tunneling engineering and even causes disasters. This paper will analyze the harm of seepage of underground water, the seepage mechanics of underground water and the influence of underground water on the mechanics of rock mass of tunnel. Engineering measures of tunnel seepage proposed. It is believed that the research has reference to the tunnel construction under poor geological condition.
Key words: underground water; seepage; tunneling engineering; rock mass
中圖分类号：U45 文献标识码：A文章编码：
前言
随着我国经济的快速发展，各地城市化进程加快，城市间的经济文化政治交流日益频繁。然而，由于我国幅员辽阔，交通问题成为了制约各地经济文化发展的瓶颈。因此，加快交通建设的步伐变得日益重要。但是，鉴于我国的地质情况比较复杂，特别是中西部地区，有大约70%属于山地，那么必要的隧道工程在交通建设中就变 必不可少[1]。
隧道工程作为隐蔽的地下工程，其设计和施工难度比地上工程大得多。由于地质勘探只能分段间隔取点，所以不可能做到把所有的可能出现的特殊地质情况都预测到。在实际工程中将遇到许多不良问题。其中，地下水引起的隧道工程问题具有显著的普遍性和严重性了，通常有“十隧九漏”之说。隧道在修建过程中不可避免的将穿越不同的地质构造带，这可能将形成一个集水走廊，并且隧道的开挖也将引起围岩的应力重分布，最终导致围岩的渗透系数增大，从而改变了隧道周围岩体的天然渗流场，最终导致隧道涌水[2]。一旦地下水进入隧道，这将使得隧道周围岩体受力发生根本变化，从而严重影响隧道岩体结构的稳定性，给隧道的施工带来巨大的影响，甚至影响隧道的正常运营，更加严重的将影响隧道通行车辆中的人员安全，引起重大安全事故（图1为某隧道渗水图片）。
图1 某隧道渗水图
2 地下水渗流引起隧道工程问题分析
2.1地下水渗流机理
水作为地球上最普遍的流体介质和最主要的液相成分，广泛地参与了工程体的各类地质作用，是工程体地质灾害最主要的诱发和触发因素[3]。隧道尤其是水下隧道涌水量的多少主要取决于岩体、土层的含水性和透水性。当通过裂隙岩体含水区段时，由于人为破坏了原有地下水的渗流条件，使隧道身成为地下水以渗出、滴流、股流、大面积突水等方式向外排泄的地下廊道，形成涌水危害。
对于高应力场同时含水区段的裂隙岩体，它的平衡是由地应力和地下水的渗流场力共同达到一种动态平衡。当隧道开挖时，这种动态平衡将被打破，隧道周围岩体地应力降低，使得远方岩体到隧道周围岩体的岩体力度变大，含水裂隙就会通过地下水的渗流运动，同时借助含水裂隙岩体中的地下水渗流场和地应力渗流场之间的耦合作用，重新达到另一种动态平衡[4]。
隧道的渗透性主要由围岩的渗透性决定。而围岩的渗透系数由岩体的孔隙及裂隙结构特征决定[5]。这些缺陷不仅大大改变了岩体的力学性质(变形模量及强度参数降低，岩体呈各向异性)，也严重影响岩体的渗透特性。岩体裂隙与孔隙中的地下水活动是影响岩体工程稳定性不可忽视的因素。天然岩体中的裂隙又有随机定向排列的特点，因此，作为等效连续介质的岩体，其渗透性具有明显的各向异性，而赋存于裂隙岩体中的地下水，受地质构造、地形、地层、水文地质及其他因素的影响，其中地质构造是导致裂隙岩体中地下水运动—渗流的主要因素之一。隧洞一般采用混凝土衬砌，尽管混凝土是有孔介质，但相对于围岩的渗透系数K又较小，一般为10-7-10-9cm/s以下。可是，当衬砌(尤其是二衬)一旦作为渗水的主要通道时，衬砌的实际渗透系数就要显著增大。这是水压的冲刷扩径作用。对于矿山法施工的隧道，在岩层破碎带的富水区域，水流的冲刷作用往往是引发工程事故的重要原因。
衬砌与围岩是依靠粘结力结合在一起的。当时，两者脱离;当时，两者结合在一起工作(其中为接触面法向应力，为粘结强度)。喷锚衬砌时，两者的结合紧密，浇注混凝土衬砌时，就要考虑到两者脱离的情况。当两者相脱离时，衬砌就将直接承受作用于衬砌内外缘的水头，其受力状态将发生显著改变。
对于水位较高的圆形断面压力隧道，一般应避免两者的联合作用。但对于有直边墙的无压隧洞，地下水位较高且围岩较好，一般应通过加设排水和打锚杆法来保证衬砌和围岩在边墙部位的联合作用。所以，设计人员应根据工程环境具体情况采取必要措施以保证或避免两者的联合作用[6]。
2.2 地下水渗流对隧道岩体的力学性质的影响
地下水主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩体的力学性质施加影响[7]。前者减小岩体的有效 应力而降低岩体的强度，在裂隙岩体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形；后者对岩体产生切向的推力以降低岩体的抗剪强度。地下水在松散的土体、松散破碎的岩体及软弱夹层中运动时对土颗粒施加一体积力，在空隙动水压力的作用下可使岩体中的细颗粒产生移动，甚至被携带出岩体之外，产生潜蚀而使得岩体破坏，这就是管涌现象；在岩体裂隙或者断层中的地下水对裂隙壁施加两种力，一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力，该力使得裂隙产生垂向变形；二平行于裂隙的空隙动水压力，该力使得裂隙产生切向变形。
另外，地下水对岩体也起到一定的润滑作用、软化作用、化学作用。润滑作用是处于由于地下水的渗流，使得岩体中充满地下水，在岩体的不连续面边界上产生润滑作用，使得不连续面的摩阻力减小和作用在不连续面上的剪应力效应增强，结果沿着不连续面诱发岩体的剪切运动，加快了岩体的变形破坏。软化作用主要表现在对岩体结构面的填充物的物理性状的改变上，岩体结构面中充填物随着含水量的变化，发生由固态向塑态直至液态的弱化过程。一般在断层易发生泥化现象。软化作用使得岩体的；力学性能降低，内摩擦角和内聚力减小。化学作用主要是指地下水于岩体之间的离子交换、溶解、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化作用、沉淀作用以及超渗透作用等。各种化学作用同时进行的，一般地说化学作用进行的速度慢，地下水对岩体产生的化学作用主要是改变岩体的矿物组成，改变结构的性从而影响岩体的力学性能。化学作用是地下动态剧变诱发岩体失稳的前提与基础。
3.隧道渗水的工程处理措施
为了防止地下水大量的渗入隧道，是隧道产生破坏，在隧道的施工和防水等方面实施以下几个方面的措施：
3.1 注浆施工的注意事项
为了保证注浆材料能在破碎围岩中均匀渗透，提高围岩固结强度有效封堵地下水，裂隙较大而水压较小时采用水泥一水玻璃双液浆，浆液浓度应根据岩体条件加以调整;裂隙较小而水压较大时采用水溶性聚氨酯。
注浆压力取为静水压的2—3倍，破碎岩层0.8—1.2 MPa，完整岩层3—5 MPa。单孔注浆有效半径3.6m，注浆孔孔底中心距为注浆半径的1.5倍即5.4m。单孔注浆压力达到设计终压并继续注浆10 min以上，注浆终压应控制在1.0 MPa左右，单孔进浆量应<10 L/min，可结束本孔注浆。
另外，在本次注浆结束后两到三天，坚持是否有渗漏，如果出现渗漏可以再次注浆作用，直到不出现渗漏为止，不出现渗漏说明注浆质量良好。
3.2 排水措施
隧道渗水的治理宗旨是以排为主。因此，在隧道开挖工程中如发现渗水，应寻找水源，如果是地下水，应招到出水点，进行有力的封堵，如是地表水下渗应及时引流排出，如水压过大，则宜将其引排至永久排水系统中。开挖后，如边墙、拱部渗漏水，应在喷射混凝上之前将透水软管或塑料盲沟之类排水管适预埋于岩面上的出水点，采用钢钉固定牢固，喷射于初期支护的混凝土中，将排水管道引入拱脚，可临时开挖排水沟，将水引出洞外，待永久排水系统完上后，再将水引入永久排水沟内。如隧底涌水，可在仰拱开挖成型后，在仰拱下部再开挖纵、横向盲沟，沟内铺碎石并用土工布包裹，盲沟应引出洞外。隧道初期支护完成后，在铺设防水板之前，要对初支表面的钢筋头、锚杆头等尖锐物进行齐根切除，然后检查喷射混凝上表而的平整度，矢弦比大于1:6的必须予以补喷找平，之后对仍有外露的尖锐物进行砂浆抹平，以防刺破防水板。
4 结论
地下水渗流问题造成隧道灾害是隧道的常见病害，也是影响隧道运营的重大问题，文章分析了地下水渗流的机理和地下水对岩体的力学机制，提出地下水渗流对隧道围岩具有很强的破壞作用，如不及时治理，将出现重大隧道灾害，同时也提出了治理地下水渗流的若干工程措施。总之，只要摸清地下水渗流机理及地下水对岩体的危害作用，提前做好预防和治理就可以有效的防治隧道渗水现象的发生。
参考文献：
[1] 李桂泉，铁路陇道渗漏水整治方法[J].福建建材，2009，
[2] 黄涛，杨立中.渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究[J].铁道学报，1999, 21(6): 75-80
[3] 黄润秋,许强,陶连金,等. 地质灾害过程模拟和过程控制研究[M]. 北京:科学出版社，2002.
[4] 吉小明, 王宇会. 隧道开挖问题的水力耦合计算分析[J].地下空间与工程学报, 2005,1(6) 848-852.
[5] 杨天鸿，唐春安，徐涛等著.岩石破裂过程的渗流特性-理论、模型与应用[M]. 北京: 科学出版社,2004: 26-39.
[6] 张有天,张武功,王镭. 再论隧洞水荷载的静力计算[J]. 水利学报，1985,(3): 22-32.
[7] 蔡美峰. 岩石力学与工程[M]. 北京: 科学出版社，2002.
作者简介：
刘家俊，男，1987年2月，助理工程师，招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆，400067
关键词：地下水；渗流；隧道工程；岩体；
Analysis of underground water effect on tunnel construction and management method
Abstract: Engineering problems caused by the seepage of underground water was a hardest work in tunneling engineering. The seepage of underground water affects directly the construction quality in the tunneling engineering and even causes disasters. This paper will analyze the harm of seepage of underground water, the seepage mechanics of underground water and the influence of underground water on the mechanics of rock mass of tunnel. Engineering measures of tunnel seepage proposed. It is believed that the research has reference to the tunnel construction under poor geological condition.
Key words: underground water; seepage; tunneling engineering; rock mass
中圖分类号：U45 文献标识码：A文章编码：
前言
随着我国经济的快速发展，各地城市化进程加快，城市间的经济文化政治交流日益频繁。然而，由于我国幅员辽阔，交通问题成为了制约各地经济文化发展的瓶颈。因此，加快交通建设的步伐变得日益重要。但是，鉴于我国的地质情况比较复杂，特别是中西部地区，有大约70%属于山地，那么必要的隧道工程在交通建设中就变 必不可少[1]。
隧道工程作为隐蔽的地下工程，其设计和施工难度比地上工程大得多。由于地质勘探只能分段间隔取点，所以不可能做到把所有的可能出现的特殊地质情况都预测到。在实际工程中将遇到许多不良问题。其中，地下水引起的隧道工程问题具有显著的普遍性和严重性了，通常有“十隧九漏”之说。隧道在修建过程中不可避免的将穿越不同的地质构造带，这可能将形成一个集水走廊，并且隧道的开挖也将引起围岩的应力重分布，最终导致围岩的渗透系数增大，从而改变了隧道周围岩体的天然渗流场，最终导致隧道涌水[2]。一旦地下水进入隧道，这将使得隧道周围岩体受力发生根本变化，从而严重影响隧道岩体结构的稳定性，给隧道的施工带来巨大的影响，甚至影响隧道的正常运营，更加严重的将影响隧道通行车辆中的人员安全，引起重大安全事故（图1为某隧道渗水图片）。
图1 某隧道渗水图
2 地下水渗流引起隧道工程问题分析
2.1地下水渗流机理
水作为地球上最普遍的流体介质和最主要的液相成分，广泛地参与了工程体的各类地质作用，是工程体地质灾害最主要的诱发和触发因素[3]。隧道尤其是水下隧道涌水量的多少主要取决于岩体、土层的含水性和透水性。当通过裂隙岩体含水区段时，由于人为破坏了原有地下水的渗流条件，使隧道身成为地下水以渗出、滴流、股流、大面积突水等方式向外排泄的地下廊道，形成涌水危害。
对于高应力场同时含水区段的裂隙岩体，它的平衡是由地应力和地下水的渗流场力共同达到一种动态平衡。当隧道开挖时，这种动态平衡将被打破，隧道周围岩体地应力降低，使得远方岩体到隧道周围岩体的岩体力度变大，含水裂隙就会通过地下水的渗流运动，同时借助含水裂隙岩体中的地下水渗流场和地应力渗流场之间的耦合作用，重新达到另一种动态平衡[4]。
隧道的渗透性主要由围岩的渗透性决定。而围岩的渗透系数由岩体的孔隙及裂隙结构特征决定[5]。这些缺陷不仅大大改变了岩体的力学性质(变形模量及强度参数降低，岩体呈各向异性)，也严重影响岩体的渗透特性。岩体裂隙与孔隙中的地下水活动是影响岩体工程稳定性不可忽视的因素。天然岩体中的裂隙又有随机定向排列的特点，因此，作为等效连续介质的岩体，其渗透性具有明显的各向异性，而赋存于裂隙岩体中的地下水，受地质构造、地形、地层、水文地质及其他因素的影响，其中地质构造是导致裂隙岩体中地下水运动—渗流的主要因素之一。隧洞一般采用混凝土衬砌，尽管混凝土是有孔介质，但相对于围岩的渗透系数K又较小，一般为10-7-10-9cm/s以下。可是，当衬砌(尤其是二衬)一旦作为渗水的主要通道时，衬砌的实际渗透系数就要显著增大。这是水压的冲刷扩径作用。对于矿山法施工的隧道，在岩层破碎带的富水区域，水流的冲刷作用往往是引发工程事故的重要原因。
衬砌与围岩是依靠粘结力结合在一起的。当时，两者脱离;当时，两者结合在一起工作(其中为接触面法向应力，为粘结强度)。喷锚衬砌时，两者的结合紧密，浇注混凝土衬砌时，就要考虑到两者脱离的情况。当两者相脱离时，衬砌就将直接承受作用于衬砌内外缘的水头，其受力状态将发生显著改变。
对于水位较高的圆形断面压力隧道，一般应避免两者的联合作用。但对于有直边墙的无压隧洞，地下水位较高且围岩较好，一般应通过加设排水和打锚杆法来保证衬砌和围岩在边墙部位的联合作用。所以，设计人员应根据工程环境具体情况采取必要措施以保证或避免两者的联合作用[6]。
2.2 地下水渗流对隧道岩体的力学性质的影响
地下水主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩体的力学性质施加影响[7]。前者减小岩体的有效 应力而降低岩体的强度，在裂隙岩体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形；后者对岩体产生切向的推力以降低岩体的抗剪强度。地下水在松散的土体、松散破碎的岩体及软弱夹层中运动时对土颗粒施加一体积力，在空隙动水压力的作用下可使岩体中的细颗粒产生移动，甚至被携带出岩体之外，产生潜蚀而使得岩体破坏，这就是管涌现象；在岩体裂隙或者断层中的地下水对裂隙壁施加两种力，一是垂直于裂隙壁的空隙静水压力，该力使得裂隙产生垂向变形；二平行于裂隙的空隙动水压力，该力使得裂隙产生切向变形。
另外，地下水对岩体也起到一定的润滑作用、软化作用、化学作用。润滑作用是处于由于地下水的渗流，使得岩体中充满地下水，在岩体的不连续面边界上产生润滑作用，使得不连续面的摩阻力减小和作用在不连续面上的剪应力效应增强，结果沿着不连续面诱发岩体的剪切运动，加快了岩体的变形破坏。软化作用主要表现在对岩体结构面的填充物的物理性状的改变上，岩体结构面中充填物随着含水量的变化，发生由固态向塑态直至液态的弱化过程。一般在断层易发生泥化现象。软化作用使得岩体的；力学性能降低，内摩擦角和内聚力减小。化学作用主要是指地下水于岩体之间的离子交换、溶解、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化作用、沉淀作用以及超渗透作用等。各种化学作用同时进行的，一般地说化学作用进行的速度慢，地下水对岩体产生的化学作用主要是改变岩体的矿物组成，改变结构的性从而影响岩体的力学性能。化学作用是地下动态剧变诱发岩体失稳的前提与基础。
3.隧道渗水的工程处理措施
为了防止地下水大量的渗入隧道，是隧道产生破坏，在隧道的施工和防水等方面实施以下几个方面的措施：
3.1 注浆施工的注意事项
为了保证注浆材料能在破碎围岩中均匀渗透，提高围岩固结强度有效封堵地下水，裂隙较大而水压较小时采用水泥一水玻璃双液浆，浆液浓度应根据岩体条件加以调整;裂隙较小而水压较大时采用水溶性聚氨酯。
注浆压力取为静水压的2—3倍，破碎岩层0.8—1.2 MPa，完整岩层3—5 MPa。单孔注浆有效半径3.6m，注浆孔孔底中心距为注浆半径的1.5倍即5.4m。单孔注浆压力达到设计终压并继续注浆10 min以上，注浆终压应控制在1.0 MPa左右，单孔进浆量应<10 L/min，可结束本孔注浆。
另外，在本次注浆结束后两到三天，坚持是否有渗漏，如果出现渗漏可以再次注浆作用，直到不出现渗漏为止，不出现渗漏说明注浆质量良好。
3.2 排水措施
隧道渗水的治理宗旨是以排为主。因此，在隧道开挖工程中如发现渗水，应寻找水源，如果是地下水，应招到出水点，进行有力的封堵，如是地表水下渗应及时引流排出，如水压过大，则宜将其引排至永久排水系统中。开挖后，如边墙、拱部渗漏水，应在喷射混凝上之前将透水软管或塑料盲沟之类排水管适预埋于岩面上的出水点，采用钢钉固定牢固，喷射于初期支护的混凝土中，将排水管道引入拱脚，可临时开挖排水沟，将水引出洞外，待永久排水系统完上后，再将水引入永久排水沟内。如隧底涌水，可在仰拱开挖成型后，在仰拱下部再开挖纵、横向盲沟，沟内铺碎石并用土工布包裹，盲沟应引出洞外。隧道初期支护完成后，在铺设防水板之前，要对初支表面的钢筋头、锚杆头等尖锐物进行齐根切除，然后检查喷射混凝上表而的平整度，矢弦比大于1:6的必须予以补喷找平，之后对仍有外露的尖锐物进行砂浆抹平，以防刺破防水板。
4 结论
地下水渗流问题造成隧道灾害是隧道的常见病害，也是影响隧道运营的重大问题，文章分析了地下水渗流的机理和地下水对岩体的力学机制，提出地下水渗流对隧道围岩具有很强的破壞作用，如不及时治理，将出现重大隧道灾害，同时也提出了治理地下水渗流的若干工程措施。总之，只要摸清地下水渗流机理及地下水对岩体的危害作用，提前做好预防和治理就可以有效的防治隧道渗水现象的发生。
参考文献：
[1] 李桂泉，铁路陇道渗漏水整治方法[J].福建建材，2009，
[2] 黄涛，杨立中.渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究[J].铁道学报，1999, 21(6): 75-80
[3] 黄润秋,许强,陶连金,等. 地质灾害过程模拟和过程控制研究[M]. 北京:科学出版社，2002.
[4] 吉小明, 王宇会. 隧道开挖问题的水力耦合计算分析[J].地下空间与工程学报, 2005,1(6) 848-852.
[5] 杨天鸿，唐春安，徐涛等著.岩石破裂过程的渗流特性-理论、模型与应用[M]. 北京: 科学出版社,2004: 26-39.
[6] 张有天,张武功,王镭. 再论隧洞水荷载的静力计算[J]. 水利学报，1985,(3): 22-32.
[7] 蔡美峰. 岩石力学与工程[M]. 北京: 科学出版社，2002.
作者简介：
刘家俊，男，1987年2月，助理工程师，招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆，400067