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[摘要]在修建隧道工程过程中，由于隧道施工周期长，随着水文地质条件的变化，隧道施工的环境亦随之变化。反之隧道建成后亦改变原来的隧道工程范围内水文地质环境，很容易造成各类的地质灾害，破坏周边的生态环境。为克服水文地质环境给隧道施工带来困难，降低隧道施工成本，避免或减少因修建隧道而导致的地质灾害的发生，加强隧道工程水文地质环境勘察是必要的。本文初步分析了水文地质环境对隧道工程施工的影响和隧道建成后对水文地质环境的影响，提出加强隧道水文地质勘察，隧道勘探深度应能查明地下水位，或进入相对隔水层3～5m为宜的建议。
[关键词]水文地质 地面沉降 砂土承载力 隧道浅埋段浸没
[中图分类号] P64 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-12-2
0前言
地下水水位随气候、人类活动等因素影响发生变化，其变化幅度是没有规律的。地下水位频繁活动的部位对岩土层、对建筑工程是不利的。在岩溶地带，地下水活动强烈可加强岩溶发展；在建筑工程基础压缩层内活动时，水位下降后新增加的自重应力引起土体本身产生压缩变形，上升则软化岩土、降低地基土强度，压缩性增大，若上升过程遇湿陷性黄土、膨胀岩土、盐渍土时，而更为严重，能导致建筑物严重变形甚至失稳。地下室修建过程的上浮、游泳池空池时上浮，水库坍岸，地面沉降与塌陷，均与地下水位变化密切相关。
隧道工程相对其它工程而言，具有隐蔽性强，施工工期长，穿越地质环境复杂的特点。尤其是长隧道，从勘察到施工完毕，往往历时四、五年，而水文地质环境不是一成不变的。工程地质勘察时揭露的水文地质条件往往和施工时的水文地质环境不同，尤其是受大气降水补给的含水层水位变化大，隧址区一般难于获得当地水位变化的准确资料。勘察报告中一般都是引用当地区域水文资料，而区域水文资料大都是80年代做的工作。大多隧道勘察过程都是强调隧道涌水量，用多种方法计算涌水量，并注重隧道疏排地下水后对地表环境的影响，但就地下水变化对隧道自身影响、隧道建筑后对周边环境的影响缺少重视。致使某些隧道在施工过程中往往出现底鼓，路基沉降的事故，隧道建成后引发新的工程地质问题。
1水文地质环境变化对隧道工程的影响
1.1地下水位变化对地基承载力的影响
地下水位变化对地基承载力的影响主要表现在砂类土上，尤其是细砂、粉砂。铁路、公路系统研究表明，细砂饱和状态比潮湿状态承载力降低14%～22%，粉砂在饱和状态下比潮湿状态下降低33%～53%，见下表。
从上表分析可得出，粉砂由稍湿变为饱和时承载力虽然降低了，刚好是100kPa，相当于10m水柱的压强。但对上部构筑物而言，亦受到的地下水的浮托力，浮托力的大小与水位上升高度、构筑物体积是相关的。对于奠基于粉砂、细砂中的构筑物而言，其受到地下水的浮托力可以大于砂土降低的承载力，但是也可能小于砂土降低的承载力。当地下水上升到一定高度（远大于砂土降低的承载力）而构筑物缺少足够自重时，会导致构筑物上浮；反之地下水上升的高底仅达到构筑物基底时，由于粉砂承载力降低会致使构筑物下沉，若构筑物建成后长期受振动荷载，下沉会有加剧的趋势。
粉砂、细砂由饱和变为潮湿，看起来承载力是增加了，其实不然。众所周知，地面沉降、地面塌陷的主要影响因素是由于地下水下降引起。位于饱和砂土中的构筑物在地下水大幅度下降时不但会失去浮托力，还增加了自重应力，沉降更加显著。按地下水中土的自重应力计算公式：
σcz=γ’×z，
σcz——指土的自重应力（单位kPa）
γ’指土的浮容重（单位kN/m3），等于饱和容重减去水的容重，水的容重取10kN/m3
z——土层厚度（单位m）。
由该式可计算出，水位每下降1m，土的自重应力增加10kPa。
如在建沪昆客运专线湖南段某隧道，该隧道进口明洞奠基于花岗岩残积黏质砂土中，黏质砂土工程性质与细砂相似。勘察期间钻孔未揭露地下水，但明洞施工时发现有水。该问题未引起足够重视，结果明洞基础施工过程中经历了先下沉、后上升的过程，虽然变化幅度不大，但不能满足零沉降的要求。后来对地基进行了灌浆处理。经调查，勘察工作完成于2009年，该隧道明洞施工始于2012年，2009年恰是南方普遍大旱，尤以广西、贵州旱情最重，湖南旱情稍缓，隧址花岗岩残积土中地下水受大气补给，水位变化幅度超出常规，致使勘察中提出的承载力偏大。2013年明洞施工期间，访地区雨季连续60天无干旱，但由于隧道建成后壅水，地下水缓慢回升，受地下水浮托力的影响，隧道明洞部位稍有抬升，约1～2mm。一般而言，该区域地下水位变化幅度为2～3m，但实际施工过程中水位变幅多达5.0m，从勘察时无水，到注浆施工进水位高出隧道底板充分说明地下水变化幅度之大。
1.2地下水位变化对材料的腐蚀性影响
《岩土工程勘察规范 （GB50021-2009）》表12.2.1、《公路工程地质勘察规范 （JGJ C20-2011）》附录K.0.2指出，Ⅰ、Ⅱ类环境无干湿交替作用时，按环境类型水和土对混凝土结构的腐蚀性评价腐蚀介质硫酸盐含量数值（界限指标）应乘以1.3，从而可以得出，地下水位变化使建筑物受到干湿交替作用，降低了混凝土结构对硫酸盐腐蚀的抵抗能力。
《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》中指出，处于水位变化区和处于干湿交替区，碳化环境作用等级为T3（见规范4.3.1）；水和土中的氯盐的对混凝土腐蚀性需在有干湿交替作用下才能发生（见规范4.3.2）；地下水变动是划分破坏环境作用等级的重要依据，（见该规范4.3.5），该表中“频繁接触水”与“处于水变动区”均与地下水位变化频率相关。
《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》（表4.3.1） 《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》（表4.3.2）
《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》（表4.3. 5）
此外，水文地质环境变化（地下水位变化）对隧道涌水量、边坡的稳定性有重大影响，本文不作详述。
2隧道工程对水文地质环境的影响
2.1隧道排水对水文地质环境环境影响
如京广铁路南岭隧道，该隧道穿越南岭山脉的五盖山与骑田岭夹持地带的剥蚀低山丘陵区，隧道全长6061.8 m，隧址岩溶发育、隧道受岩溶地下水危害严重。在20世纪80年代初期，隧道设计和施工时，对影响隧道的地下水均采用以排为主的方案，随着隧道施工进展，由于岩溶地下水对隧道施工安全和地质环境的危害日益加剧，逐步调整了施工方案，对地下水危害严重地段采取以堵为主、堵排结合的原则，尤其在生潮垅岩溶最为发育地段，选用正洞以堵为主、平行导洞以排放为辅的措施。南岭隧道运营14年来，因平行导洞漏水严重、涌水量大，造成南岭隧道顶部岭白塘、生潮垅以及下连溪溶蚀洼地地表塌陷复活、扩大，特别是岭白塘新生陷穴达13处。据观测资料统计，通过洞内各种途径排出的泥砂量已达80余万立方米，造成隧道中心水沟泥砂淤塞，涌水量增加，隧道基底长期浸泡，严重威胁行车安全。
2004年岩溶地质调查结果表明，以隧道为中心形成了一个地下水降落漏斗，在降落漏斗内地下水水流速度急剧增加，水力比降超过黏粒土抗渗透比降，地表黏粒不断被地下水带入隧道排水系统中，从而导致隧道越排地下水，水力梯度越大，排出泥砂越多，原地表塌陷复活、增大，并形成新的渗流通道，引发新的地面沉陷，导致水井水位下降，浅部泉水消失，形成恶性循环。这一实例说明，隧道工程长期排水改变了周围的水文地质环境，引发了系列工程地质、环境地质问题。
2.2隧道壅水对水文地质环境的影响
浅埋隧道在穿越含水层时，需防止施工过程产生突涌，进行了灌浆加固，隧道建成后在浅埋带形成了止水帷幕，在一定的水文地质条件下，会壅高地下水位，或截断、改变局部地下水流向，使地下分水岭迁移或局部形成新的分水岭。如图1所示，为某隧道浅埋段，地下水原流向为由北向南，隧道建成后使浅埋段地下水位上升，形成新的分水岭，隧道北侧地下水往绕渗（图中，实线箭头为原地下水流向，虚线箭头为隧道修建后地下水流向）。由此可导致原地下水上游区沟谷中农作物区浸没，房屋地基下沉，亦即隧道浅埋段浸没，若上游地下水侵入到边坡软弱结构面中，尚可引起边坡失稳；下游局部由于地下水补给量减少，居民水井水位降低，减少，部分泉、井水消失。
3小结
水文地质环境与隧道工程是密切相关的，是相互作用的。水文地质条件简单便于隧道施工，隧道建成后会改变当地水文地质条件，主要体现在地下水水位变化增大，地下水径流改向、绕渗，水力梯度改变。地下水位的变化同时会引起特殊岩土体的工程地质性质变化，如粉砂、细砂承载力降低、湿陷性黄土沉陷、膨胀岩土遇水膨胀等。因此，做好隧道与水文地质环境的分析工作，具有重要意义。隧道设计与施工过程中，不要轻视地下水位变化幅度，即便是2～3m变幅，其作用也是巨大的。
隧道勘察工作中，尤其是进出口段，铁路隧道勘探孔深度一般地层控制在进入隧道底部（路肩设计标高）以下3～5m，公路隧道一般岩土勘察探深度至路线设计高程以下不小于5.0m。两者均从工程物理力学性质出发，未考虑是否需查明水文地质条下，从而导致未见地下水亦可终孔。在实际勘察工作中，隧道勘探深度应能查明地下水位，或进入相对隔水层3～5m为宜。
隧道勘察工作中加强水文地质环境勘察工作，有利于指导隧道施工选取合理的截、堵、引、排水措施，避免隧道在建及运营期间，引发各种工程地质、环境地质问题，为建设和谐社会发挥应有的力量。
参考文献
[1]《岩土工程勘察规范 （GB50021-2009）》.
[2]《公路工程地质勘察规范 （JGJ C20-2011）》.
[3]《铁路工程地质勘察规范 （TB 10012-2007） （J 124-2007）》.
[4]《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》.
[5]《地基与基础 （第三版）》顾晓鲁、钱鸿缙、汪时敏主编.
[6]《资源环境与工程》2006年第04期 《南岭隧道岩溶病害的勘察与分析》李海斌.
[关键词]水文地质 地面沉降 砂土承载力 隧道浅埋段浸没
[中图分类号] P64 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-12-2
0前言
地下水水位随气候、人类活动等因素影响发生变化，其变化幅度是没有规律的。地下水位频繁活动的部位对岩土层、对建筑工程是不利的。在岩溶地带，地下水活动强烈可加强岩溶发展；在建筑工程基础压缩层内活动时，水位下降后新增加的自重应力引起土体本身产生压缩变形，上升则软化岩土、降低地基土强度，压缩性增大，若上升过程遇湿陷性黄土、膨胀岩土、盐渍土时，而更为严重，能导致建筑物严重变形甚至失稳。地下室修建过程的上浮、游泳池空池时上浮，水库坍岸，地面沉降与塌陷，均与地下水位变化密切相关。
隧道工程相对其它工程而言，具有隐蔽性强，施工工期长，穿越地质环境复杂的特点。尤其是长隧道，从勘察到施工完毕，往往历时四、五年，而水文地质环境不是一成不变的。工程地质勘察时揭露的水文地质条件往往和施工时的水文地质环境不同，尤其是受大气降水补给的含水层水位变化大，隧址区一般难于获得当地水位变化的准确资料。勘察报告中一般都是引用当地区域水文资料，而区域水文资料大都是80年代做的工作。大多隧道勘察过程都是强调隧道涌水量，用多种方法计算涌水量，并注重隧道疏排地下水后对地表环境的影响，但就地下水变化对隧道自身影响、隧道建筑后对周边环境的影响缺少重视。致使某些隧道在施工过程中往往出现底鼓，路基沉降的事故，隧道建成后引发新的工程地质问题。
1水文地质环境变化对隧道工程的影响
1.1地下水位变化对地基承载力的影响
地下水位变化对地基承载力的影响主要表现在砂类土上，尤其是细砂、粉砂。铁路、公路系统研究表明，细砂饱和状态比潮湿状态承载力降低14%～22%，粉砂在饱和状态下比潮湿状态下降低33%～53%，见下表。
从上表分析可得出，粉砂由稍湿变为饱和时承载力虽然降低了，刚好是100kPa，相当于10m水柱的压强。但对上部构筑物而言，亦受到的地下水的浮托力，浮托力的大小与水位上升高度、构筑物体积是相关的。对于奠基于粉砂、细砂中的构筑物而言，其受到地下水的浮托力可以大于砂土降低的承载力，但是也可能小于砂土降低的承载力。当地下水上升到一定高度（远大于砂土降低的承载力）而构筑物缺少足够自重时，会导致构筑物上浮；反之地下水上升的高底仅达到构筑物基底时，由于粉砂承载力降低会致使构筑物下沉，若构筑物建成后长期受振动荷载，下沉会有加剧的趋势。
粉砂、细砂由饱和变为潮湿，看起来承载力是增加了，其实不然。众所周知，地面沉降、地面塌陷的主要影响因素是由于地下水下降引起。位于饱和砂土中的构筑物在地下水大幅度下降时不但会失去浮托力，还增加了自重应力，沉降更加显著。按地下水中土的自重应力计算公式：
σcz=γ’×z，
σcz——指土的自重应力（单位kPa）
γ’指土的浮容重（单位kN/m3），等于饱和容重减去水的容重，水的容重取10kN/m3
z——土层厚度（单位m）。
由该式可计算出，水位每下降1m，土的自重应力增加10kPa。
如在建沪昆客运专线湖南段某隧道，该隧道进口明洞奠基于花岗岩残积黏质砂土中，黏质砂土工程性质与细砂相似。勘察期间钻孔未揭露地下水，但明洞施工时发现有水。该问题未引起足够重视，结果明洞基础施工过程中经历了先下沉、后上升的过程，虽然变化幅度不大，但不能满足零沉降的要求。后来对地基进行了灌浆处理。经调查，勘察工作完成于2009年，该隧道明洞施工始于2012年，2009年恰是南方普遍大旱，尤以广西、贵州旱情最重，湖南旱情稍缓，隧址花岗岩残积土中地下水受大气补给，水位变化幅度超出常规，致使勘察中提出的承载力偏大。2013年明洞施工期间，访地区雨季连续60天无干旱，但由于隧道建成后壅水，地下水缓慢回升，受地下水浮托力的影响，隧道明洞部位稍有抬升，约1～2mm。一般而言，该区域地下水位变化幅度为2～3m，但实际施工过程中水位变幅多达5.0m，从勘察时无水，到注浆施工进水位高出隧道底板充分说明地下水变化幅度之大。
1.2地下水位变化对材料的腐蚀性影响
《岩土工程勘察规范 （GB50021-2009）》表12.2.1、《公路工程地质勘察规范 （JGJ C20-2011）》附录K.0.2指出，Ⅰ、Ⅱ类环境无干湿交替作用时，按环境类型水和土对混凝土结构的腐蚀性评价腐蚀介质硫酸盐含量数值（界限指标）应乘以1.3，从而可以得出，地下水位变化使建筑物受到干湿交替作用，降低了混凝土结构对硫酸盐腐蚀的抵抗能力。
《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》中指出，处于水位变化区和处于干湿交替区，碳化环境作用等级为T3（见规范4.3.1）；水和土中的氯盐的对混凝土腐蚀性需在有干湿交替作用下才能发生（见规范4.3.2）；地下水变动是划分破坏环境作用等级的重要依据，（见该规范4.3.5），该表中“频繁接触水”与“处于水变动区”均与地下水位变化频率相关。
《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》（表4.3.1） 《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》（表4.3.2）
《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》（表4.3. 5）
此外，水文地质环境变化（地下水位变化）对隧道涌水量、边坡的稳定性有重大影响，本文不作详述。
2隧道工程对水文地质环境的影响
2.1隧道排水对水文地质环境环境影响
如京广铁路南岭隧道，该隧道穿越南岭山脉的五盖山与骑田岭夹持地带的剥蚀低山丘陵区，隧道全长6061.8 m，隧址岩溶发育、隧道受岩溶地下水危害严重。在20世纪80年代初期，隧道设计和施工时，对影响隧道的地下水均采用以排为主的方案，随着隧道施工进展，由于岩溶地下水对隧道施工安全和地质环境的危害日益加剧，逐步调整了施工方案，对地下水危害严重地段采取以堵为主、堵排结合的原则，尤其在生潮垅岩溶最为发育地段，选用正洞以堵为主、平行导洞以排放为辅的措施。南岭隧道运营14年来，因平行导洞漏水严重、涌水量大，造成南岭隧道顶部岭白塘、生潮垅以及下连溪溶蚀洼地地表塌陷复活、扩大，特别是岭白塘新生陷穴达13处。据观测资料统计，通过洞内各种途径排出的泥砂量已达80余万立方米，造成隧道中心水沟泥砂淤塞，涌水量增加，隧道基底长期浸泡，严重威胁行车安全。
2004年岩溶地质调查结果表明，以隧道为中心形成了一个地下水降落漏斗，在降落漏斗内地下水水流速度急剧增加，水力比降超过黏粒土抗渗透比降，地表黏粒不断被地下水带入隧道排水系统中，从而导致隧道越排地下水，水力梯度越大，排出泥砂越多，原地表塌陷复活、增大，并形成新的渗流通道，引发新的地面沉陷，导致水井水位下降，浅部泉水消失，形成恶性循环。这一实例说明，隧道工程长期排水改变了周围的水文地质环境，引发了系列工程地质、环境地质问题。
2.2隧道壅水对水文地质环境的影响
浅埋隧道在穿越含水层时，需防止施工过程产生突涌，进行了灌浆加固，隧道建成后在浅埋带形成了止水帷幕，在一定的水文地质条件下，会壅高地下水位，或截断、改变局部地下水流向，使地下分水岭迁移或局部形成新的分水岭。如图1所示，为某隧道浅埋段，地下水原流向为由北向南，隧道建成后使浅埋段地下水位上升，形成新的分水岭，隧道北侧地下水往绕渗（图中，实线箭头为原地下水流向，虚线箭头为隧道修建后地下水流向）。由此可导致原地下水上游区沟谷中农作物区浸没，房屋地基下沉，亦即隧道浅埋段浸没，若上游地下水侵入到边坡软弱结构面中，尚可引起边坡失稳；下游局部由于地下水补给量减少，居民水井水位降低，减少，部分泉、井水消失。
3小结
水文地质环境与隧道工程是密切相关的，是相互作用的。水文地质条件简单便于隧道施工，隧道建成后会改变当地水文地质条件，主要体现在地下水水位变化增大，地下水径流改向、绕渗，水力梯度改变。地下水位的变化同时会引起特殊岩土体的工程地质性质变化，如粉砂、细砂承载力降低、湿陷性黄土沉陷、膨胀岩土遇水膨胀等。因此，做好隧道与水文地质环境的分析工作，具有重要意义。隧道设计与施工过程中，不要轻视地下水位变化幅度，即便是2～3m变幅，其作用也是巨大的。
隧道勘察工作中，尤其是进出口段，铁路隧道勘探孔深度一般地层控制在进入隧道底部（路肩设计标高）以下3～5m，公路隧道一般岩土勘察探深度至路线设计高程以下不小于5.0m。两者均从工程物理力学性质出发，未考虑是否需查明水文地质条下，从而导致未见地下水亦可终孔。在实际勘察工作中，隧道勘探深度应能查明地下水位，或进入相对隔水层3～5m为宜。
隧道勘察工作中加强水文地质环境勘察工作，有利于指导隧道施工选取合理的截、堵、引、排水措施，避免隧道在建及运营期间，引发各种工程地质、环境地质问题，为建设和谐社会发挥应有的力量。
参考文献
[1]《岩土工程勘察规范 （GB50021-2009）》.
[2]《公路工程地质勘察规范 （JGJ C20-2011）》.
[3]《铁路工程地质勘察规范 （TB 10012-2007） （J 124-2007）》.
[4]《铁路凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》.
[5]《地基与基础 （第三版）》顾晓鲁、钱鸿缙、汪时敏主编.
[6]《资源环境与工程》2006年第04期 《南岭隧道岩溶病害的勘察与分析》李海斌.