隧道工程地下水处理的环境地质效应

http://www.paper.edu.cn隧道工程地下水处理的环境地质效应1212*王廷亮，谌文武1西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州（730000）2兰州大学土木工程与力学学院，兰州（730000）E-mail：wangtl06@lzu.cn摘要：现行隧道规范规定隧道工程中地下水处理必须遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，但是在工程实际中大多还是采取以排为主的处理方法。从分析隧道排水可能引起的严重环境地质效应着手，辅以工程实例，探讨缓解、消除不良环境地质效应的途径，倡导在隧道选线、设计、施工各个环节中将隧道地下水合理处理作为重要因素考虑，切实贯彻以堵为主的施工理念，探询更为环保科学的施工方法，采用更节约资源的排供结合模式，以缓解隧道开挖和排水所引发的不良环境地质效应。关键词：隧道工程，地下水，环境地质效应，围岩1.引言现行隧道设计规范规定对地下水的处理必须遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，但是由于各种因素，在实际施工中对于地下水的处理更多的还是采取排的方式。我国已建隧道中对于地下水的处理方法比较单一，导致了隧道区地下水资源无谓流失，破坏了周边生态环境平衡。在雨水补给充盈的南方地区，短期内不会产生很严重的环境地质效应，但是在水资源较为匮乏的西部尤其是西北干旱半干旱地区，则显得尤为突出。结合工程实例，分析了隧道排水可能引发的不良环境地质效应，提出在隧道选线阶段必须尽量避免穿越岩体破碎且地下水丰富的地段，在施工阶段中建议将目前用于加固的冷冻法施工引入到地下水处理中，同时采取排供结合的地下水处理模式，从而有效缓解隧道开挖所引起的不良环境地质效应。2.隧道排水引发的环境地质效应环境地质效应主要是指因环境变异而产生的一系列严重危及生态地质环境稳定性与人类生产活动的作用与效果的总和。以前的有关规范、规则，几乎都未把隧道工程建设与环境保护作为一个系统来考虑，没有关于隧道开挖及地下水对生态环境影响评价的专门条款和规定，隧道排水不仅会导致隧道中的各种水害，而且可能直接导致洞顶地表岩溶塌陷、地下水位下降、地表水和井泉水流量减小甚至枯竭、地表水土大量流失、生态环境恶化等，严重影响了人民的生产和生活。2.1对隧道围岩的影响围岩岩体中地下水赋存条件与活动状况，既影响围岩的应力状态又影响围岩的强度，进而影响隧道围岩的稳定。（1）对围岩的溶蚀作用隧道排水加速了地下水的渗流速度，冲刷和携带了岩石裂隙中的大量充填物质，改变了围岩的结构，使地下水对围岩的溶蚀作用加强。溶蚀作用即由水的化学作用把岩体中某些溶水元素带走,使岩石密度降低,孔隙增大,岩石强度降低。在天然状态下，隧址区地下水系统中各含水层基本是相对独立的，彼此间不存在水量交换。然而，隧道排水后，由于地下水位不断下降，打破了地下水系统内部原有的水力平衡，通过断裂构造使一定范围内的相对隔水层转变为透水层，使疏干漏斗涉及范围内的-1- http://www.paper.edu.cn地下水系统具有一定程度的水力连续性。原本相对滞留的地下水，在附加水力梯度的驱动下，主要通过裂隙、溶隙等进入到相邻的含水层中，或者部分直接泄入隧道，从而导致氧化作用［1］,［2］加强的补给水的入侵，加剧了岩体溶蚀。以渝怀线圆梁山隧道为例，隧址区基岩为碳酸盐岩，被溶蚀的具体原理可表示如下：+2+-CaCO3+H=Ca+HCO3(1)+2+2+-CaMg［CO3］2+2H=Ca+Mg+2HCO3（2）假定有如下反应，反应物A和B反应，产生生成物c和D，其反应式可表示为：aA+bB=cC+dD（3）式中：a、b、c和d分别为A、B、C、D的摩尔数。当达到平衡时，反应物与生成物的关系如下：cCdD[]⋅[]K=（4）aAbB[][]⋅［3］式中：K为反应的平衡常数，方括弧代表该反应物或生成物的浓度+由上式可知，当有氧化作用的补给水入侵后，地下水中的H浓度增加，为了维持平衡2＋2+常数K不变，Ca和Mg浓度必然增加，亦即岩石被溶蚀程度加重。（2）对膨胀岩的破坏膨胀岩是指在水的物理化学作用下随时间的发展易产生体积增加、破碎和分解的一类岩石。这类岩石的组成成分、结构特征、环境影响因素不同于一般的岩石，具有特殊的工程性质。相应试验证明，膨胀岩一旦浸入水中，由于水分子的渗透作用，增加了岩石的含水率，造成结晶格架膨胀隆起，产生一定的膨胀变形和膨胀压力，且在短时间内较为剧烈。当其膨［4］,［5］胀变形量超过该岩石的允许的拉应变时，就会造成此类岩石崩解破坏。在隧道工程中，当采取排水措施时，结构面不断被冲刷，地下水流速加剧，围岩中本来与水隔绝的部分也将会逐渐与地下水接触，如果隧道围岩矿物中含有诸如水云母、蒙脱石、高岭石以及埃落石等，这部分矿物质将随着含水率的增加而产生膨胀，从而可能导致围岩的破坏。2.2对结构面的破坏假设隧址区周围地下水主要为裂隙水，当存在裂隙水压力时，结构面上的稳定性可以用下式表达τσ≤(−⋅+ucw)tanϕ（5）式中，τ为抗剪强度，σ为法向正应力，uw裂隙水压力，c为结构面的粘聚力，ϕ为结构面的内摩擦角。隧道排水将软弱结构面中的充填物冲刷和带走，使结构面上的粘聚力几乎消失，从而降低了c、ϕ值，直接导致结构面的抗剪强度降低，并促使可能有滑动趋势的块体发生沿软弱结构面的滑动，发生塌方等重大工程事故。隧道涌水和突水中往往伴随着大量的泥沙和淤泥，这是围岩结构面中的充填物被冲刷和携带的结果，所以其规模大小可以反应出对结构面的破坏程度。在华蓥山隧道施工中，19973年和1998两年的总涌泥(砂)量近73800m，尽管由于隧道中淤积的泥砂有一部分来自地表土［6］壤流失,但是其对结构面的破坏由此可见一斑。-2- http://www.paper.edu.cn2.3对地下水体系的破坏隧道排水不可避免的会造成地下水重新分配，从而形成新的含水层和地下水转移通道，而原来某些含水层和转移通道中所含的地下水可能减少甚至枯竭，同时，地下水动力场和化学场也将因此发生改变，从而可能导致地下水的污染。（1）破坏水循环平衡隧道开挖后，由于其集水和汇水作用，地下水被不断排入隧道中，并以其形成新的势汇。假定隧道以流量Qd排泄围岩地下水，并且假定地下水系统无外部补给和排泄，由于隧道排水，在时间△t内必在隧道围岩中形成一定范围的降位漏斗。此时隧道的总排出水量正是降位漏斗内被疏干的地下水储存量△W，即QtWFh⋅∆=∆=µ∆（6）d2式中F为隧道排水引起水位下降的面积（m）；△h为在△t时间段内排水影响范围内的平均水位降（m）；µ为给水度。由（6）式可得：∆hQF=µ（7）d∆t∆h由（7）式可知，在给定的条件下，排水量(Qd)完全由隧道围岩地下水系统中的储存量(µF)∆t的消耗来保证，因而随着隧道排水过程的延续，需要不断动用储存量，隧道围岩的降位漏斗［6］在纵向和横向上都将不断扩展，直至隧道排水量完全靠来自边界的补给保证为止。当隧址区地下水被排出后，在天然状态下相对隔水(或弱透水)的地层在一定范围内变为透水层，由此造成相邻含水层间的水量交换，同时使补给含水层腾出了接受外界补给水量的空间。而地下水系统与外界的水循环失衡，可促使丰水期降水的点状、面状补给明显加强，同时也加剧地表流水向地下水的入渗转化，因为隧道排水疏干的降落漏斗体积，相当于提供了“额外”容积的地下库容，在补给源充分时，可多接纳一部分外界的补给量。上述两种作用无疑都大大加快了地下水系统内部及其与外界地表大气系统和水文系统之间的水循环交替，从而产生一系列负面效应。关山隧道位于甘肃省兰州市西固区金沟乡与永靖县关山乡交界处，全长1492m左右，穿越关山森林公园山体，为越岭隧道。关山隧道是兰成渝国家输油管线重点建设项目，其管线选址受到区域地质构造、水文地质及工程地质条件限制，工程施工非常困难。1999年隧道在施工掘进过程中，洞内构造断裂多处涌水，北段600余米大部分岩体面出现渗水现象。在隧道贯通后一个月内，关山附近大、小数十眼泉水溢出点干涸或衰竭，特别是分布在山体高坡［7］流淌数千年知名度很高的“神泉”在几日内消失，产生很大影响。（2）地下水及地表水被污染隧道排水将导致地下水漏斗式下沉，使地下水的动力场和化学场发生变化，引起地下水中某些物理化学组分和微生物含量的变化，可能导致地下水的污染逐步加剧。问题的严重性还远不限于此。一般来讲，隧道施工中一般会采取一定的防漏措施，如采用化学灌浆来实现加强护壁或堵漏处理。化学灌浆材料多数具有不同程度的毒性，特别是有机高分子化合物（环氧树脂、乙二胺、苯酚）毒性复杂，浆液注入构筑物裂缝与地层之中，然后通过溶滤、离子交换、负分解沉淀、聚合等反应，不同程度的污染地下水，导致水质恶化。如果这部分被污染的地下水经短距离的地表径流后归入一些天然湖或者是人工水库等附-3- http://www.paper.edu.cn近县镇的主要供水水源，那么就会存在隧道排出水污染地表水体的风险。而一旦这种风险成为现实，将给当地百姓日常用水带来严重的影响。雪峰山隧道施工中，为有效的对隧址区水质在开挖前和开挖后是否发生变化,在浅埋段和隧道排水口下游500m小溪水处选取合理的观测点，并进行了不同时期的水质采样,化验分析。分析结果表明，在距隧道排水口下游500m小溪水处,隧道开挖前和开挖后有些离子的含-+2-量发生了显著的变化，如NO3和K的含量是隧道开挖前的7倍，而SO4离子高达8倍，2++Ca和Na离子也有5～6倍。同时还在隧道掌子面开挖前裂隙水进行取样和在隧道排水口-进行取样,化验分析再对比研究,结果表明，隧道排水口的水质主要发生显著变化的是NO3+［8］和K离子;其含量变化高达50～100多倍。2.4对地表植被的破坏隧道工程中对于地下水的处理，可以间接影响到隧址区地表的植被的生长情况。无论是采取“以排为主”还是“以堵为主”的处理方式，都无法避免地下水位的下降。地表植被生长所需的水分均靠植物根茎从潜水中吸取，地下水位的下降必将导致潜水位下移，包气带增厚，从而使植物根茎吸收水分变得更加困难。为了维持地表生态系统的正常，必须保证其生态用水。所谓生态用水是指维持生态系统完整性所需要的水资源总量。按照保证生态系统好坏程度不同所需水量不同可把生态用水分为：最高生态用水，即对应的植物生长良好，生态系统良性发展；合理生态用水即对应的植物生长较好，生态系统完整，但处于一般发展状态；最低生态用水，即对应的植物生长不好、生态系统完整较差，但能维持生态系统完整性。天然植被生态用水，需按前述的三类分别计算，以作为生态保护的最高、合理与最低目标。从工程的经济和生态综合效益来考虑，以合理生态用水计算为主，其余两项作为参考。合理生态用水的计算采用间接计算方法。间接计算方法是根据潜水蒸发量的计算来间接计算生态用水。即用某一植被类型(可为绿洲人工林荒漠河岸林、河谷林、低地草甸等)在某一潜水位的面积乘以该潜水位下的潜水蒸发量与植被系数，得到的乘积即为生态用水(W)。计算公式如下:WWA=∑ii=⋅⋅∑wgiK（8）式中的wgi为植被类型在地下水位某一埋深时的潜水蒸发量；K为植被系数，即在其它条件相同的情况下有植被地段的潜水蒸发量除以无植被地段的潜水蒸发量所得的系数。在上式中，K和wgi是两个很重要的变量，常由试验确定。中国科学院已有许多生态站和其它试验站从事过这方面的研究，例如，中科院新疆地理研究所在阿克苏水平衡站做过这类的研究［9］工作。2.5对人居环境的破坏对人居环境的破坏主要体现在对水源的破坏、地面塌陷和地表水土流失等三方面。由于隧道开挖中采取的以排为主的处理方式，大量地下水被无谓抽取，在隧址区上方形成较大降落漏斗，从而导致隧址区周围的泉眼和水井水量减少甚至干涸，人民生产生活用水极度困难。如：在渝合高速公路隧道影响区的23个泉眼中，除位于上层溶隙水循环带的2个泉眼未受影响外，在潜水循环带的21个泉眼中，有17个泉眼完全干枯，全年都无水涌出，有4个泉眼只在降大雨时有短时间的涌水，但水位和水量都很不稳定,深度为2~3m的水井［10］在大雨后1～2d就完全干枯。根据太沙基有效应力原理，地下土体本身的自重是由土体颗粒和孔隙水共同承受的。随-4- http://www.paper.edu.cn着地下水的不断排走，原本孔隙水所承受的那部分压力转移给了土体本身。而随着土体本身［11］所受的压力变大，会进一步的产生压缩、排水、固结，从而引起周围区域的地面沉降。2如襄渝铁路中梁山隧道由于大量排水，到1975年洞顶地表塌陷64处,最大者面积247m，1988年雨季后，所有处理过的陷坑全部复活，隧道中线两侧114~215km范围8200亩农田失水、河沟断流，严重影响当地人民生活，赔偿97万元。又如大瑶山隧道施工时流量43000~15000m/d，通车后仍继续大量排水，现在洞顶斑古坳地区已发生坍陷洞穴200多个，［12］地方上索赔数百万元。隧址区土壤流失的严重性可由隧道施工期的突泥涌砂量来说明。以岩溶区隧道为例，尽管由于隧道中淤积的泥砂有一部分来自岩溶管道中原先的沉积物，致使土壤流失量的时问尺度范围更大，但因岩溶管道中的沉积物均是来自地表风化岩层的侵蚀冲刷，并且考虑到随着隧道排水的延续，水文循环加剧，将有更多的地表风化产物随水带入地下，故而隧址区地表土壤的流失是不容忽视的。3.有效控制措施3.1隧道选线避免产生不良环境地质效应的最好办法，就是选择优良隧址，避免发生较强烈的地下水渗漏。为此，必须进行全面的现场调查，由此可以对构造带的位置、基岩面高程、基岩和覆盖层的水力学性质，以及其他重要因素加以评价。在隧道工程建设开始之前，一般要在沿隧道线方向布置钻孔进行地下水位观测。沿隧道线的地下水位定期观测工作，应当至少在开挖工作开始之前一年或几年之前就开始。3.2切实贯彻“防堵排结合，以堵为主”的理念为了防止因隧道疏排水而造成的地下水资源大量流失，保护地下水资源，缓解不良环境地质效应，应切实贯彻“防、排、截、堵结合，以堵为主”的施工理念。采取防渗帷幕、防渗墙等工程，堵截外围地下水的补给，截断进入隧道的地下水通道，以减少隧道涌水量和突水的机率。同时应加强对隧道围岩含水层中地下水动力条件变化的研究，在相关位置注浆防渗，避免或减少地下水水质的进一步恶化。3.3探询更加环保经济的施工方法无论是选线优化还是结构改进，最终都要靠施工阶段的正确、合理施工来实现。如何使用更加经济和环保的施工方法就是每个建设者都关心的问题。（1）引入冷冻法施工目前用于加固的冷冻法施工，因其较好的效果在工程应用中崭露头角。冷冻法的实质就是利用人工制冷技术，把地层中不稳定的自由水冻结冰，以改良土的结构，提高土层自身的强度和稳定性。作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中，已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术至今也已有40多年的历史，［11］主要用于煤矿井筒开挖施工，其中冻结最大深度达435m，冻结表土层最大厚度达375m。目前在隧道建设中的涌水和突水是常见的工程问题，也是较难解决的问题。冷冻法应用到涌水和突水的治理上，应该能收到较好的效果。一方面，它可以将掌子面前方的地下水和围岩中的自由水冻结，便于施工；另一方面，由于水转化为冰体积将会增加，当隧道围岩中的地下水被冻结时，岩体中的部分裂隙就能被充填，从而起到对刚开挖的隧道围岩加固和稳定的-5- http://www.paper.edu.cn作用。但是一个最大的障碍就是冷冻法施工的经济成本较高。（2）采用排供结合的模式有效利用地下水在经济条件的限制下，也可尽量使用诸如TBM、盾构法等堵水效果比较好的施工方法，同时把隧道排水和供水相互结合起来，采用排供结合模式，有效抑制隧道排水的环境地质效应，减少水资源的浪费。其模式主要有以下几种：①采用截流的排供结合模式。在地下水的径流途径中，设置地下水截流带，以减少流入隧道的地下水量和减轻隧址区顶、底板的水压力。②预先疏干的排供结合模式。主要是采用深井地表排水疏干，所排出的水大部分都是清澈透明水质较好的水，不经处理即可作为工业用水和生活用水。③供水和排水统一规划管理。大多数隧道的涌水量因受季节性气候影响而波动较大，但一般需水用户却对其供水量要求稳定且连续，所以，彼此问存在一定的矛盾。利用双水源互补供水，即已经处理达标的隧道排水作为主要的供水水源，对于不足需水用户的那部分水量，由其他水源或自备水源补足。4.结束语为有效缓解隧道水处理的不良环境地质效应，必须从以下环节入手：（1）隧道选线前就应该详细调查拟建隧址区的工程地质和水文地质条件，尽量避开施工中可能出现大规模涌水、突水的地质单元。（2）对于隧道中的地下水，必须贯彻“防、排、截、堵结合，以堵为主”的处理理念，并用于指导实际施工。（3）在隧道施工中引入冷冻法处理突水涌水事故，这样既可起到堵水的作用，还可以起到加固围岩的作用。（4）在不可避免的需要排水时，采用排供结合的模式，以有效利用水资源，减少水资源的浪费。21世纪，生态环境保护是实现可持续发展的主旋律，基本建设与环境保护的协调发展是广大建设者的责任。隧道工程的环境地质效应随着铁路、公路隧道的不断建设，必然会引起社会的广泛关注，同时也会影响隧道技术本身的发展，因此，研究隧道工程的环境地质效应及其防治技术，有助于进一步开发隧道施工技术，大力推进我国交通建设事业的不断发展。参考文献[1]高新强,汪海滨,仇文革.引水隧洞塌拱影响因素及其防治措施研究[J].地下空间与工程学报.2005,1(1),141.(GaoXin-qiang,WangHai-bin,QiuWen-ge,StudyonInfluencingFactorsandProtectionMethodofCollapseintheArchofHydraulicTunnel[J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering.2005,1(1),141(inChinese))[2]习小华.分析影响隧道围岩稳定性因素[J].西部探矿工程,2003,84(5),60.(XiXiao-hua,FactorsAffectingtheStabilityofSurroundingRocks[J],West-ChinaExplorationEngineering,2003,84(5),60(inChinese))[3]陈强,魏有仪,刘少巍等.岩溶隧道中地下水侵蚀性的化学热力学分析与评价.水文地质工程地质,2003,6,21(ChenQiang,WeiYou-yi,LiuShao-wei,etal.Chemicalthermodynamicsevaluationonthecorrasionofgroundwaterinkarsttunnel[J],HydrogeologyandEngineeringGeology，2003,6,21（inChinese))[4]答治华,王小军.堑坡岩石膨胀性评价及设计原则.铁道工程学报,2001,2,70-72(DaZhi-hua,WangXiao-jun.Rockswellingpropertyevaluationforcutslopeanditsdesignrule.JournalofRailwayEngineeringSociety,2001,2,70-72(inChinese))[5]刘晓丽,王思敬,王恩志等.含时间效应的膨胀岩膨胀本构关系.水利学报,2006,37(2).195-199.(LiuXiao-li,WangSi-jing,WangEn-zhi,etal.Studyontime-dependentswellingconstituterelationofswellingrock,JournalofHydraulicEngineering,2006,37(2).195-199.(inChinese))[6]刘丹,杨立中,于苏俊.华蓥山隧道排水的生态环境问题及效应[J].西南交通大学学-6- 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