地下水對(duì)地鐵隧道工程的影響及其防治措施

王波

隨著我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快，城市化進(jìn)程也在不斷加快。然而，隨著城市人口密度的增加，城市交通擁堵、環(huán)境污染等問(wèn)題日趨嚴(yán)重。然而，修建地鐵隧道對(duì)地下水有著較高的要求。首先，隧道施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的地下水；其次，地下水位埋深較淺時(shí)會(huì)產(chǎn)生承壓水；最后，在特殊地質(zhì)條件下可能會(huì)產(chǎn)生突水、涌砂、涌泥等不良地質(zhì)現(xiàn)象。這些都是地下水對(duì)地鐵隧道工程產(chǎn)生影響的重要原因。本文首先闡述了地鐵隧道工程中地下水對(duì)隧道的影響；然后針對(duì)地下水對(duì)地鐵隧道工程的影響提出了防治措施；最后對(duì)文章進(jìn)行了總結(jié)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，城市人口密度越來(lái)越大，交通擁擠、環(huán)境污染等問(wèn)題日趨嚴(yán)重。為了緩解城市交通壓力，修建地鐵隧道成為解決城市交通問(wèn)題的重要途徑。然而，地下水對(duì)地鐵隧道工程具有很大影響，包括對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全、施工安全和運(yùn)營(yíng)安全等方面的影響。因此，如何防治地下水對(duì)地鐵隧道工程的影響，就成為亟待解決的問(wèn)題。

一、地下水對(duì)地鐵隧道工程的潛在影響

在地下隧道施工過(guò)程中，地下水的存在可能導(dǎo)致隧道變形、失穩(wěn)、滲漏，從而影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。由于地下水在隧道開挖過(guò)程中的滲流作用，會(huì)導(dǎo)致隧道圍巖應(yīng)力重新分布，從而使得圍巖產(chǎn)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生變形。另外，在隧道開挖過(guò)程中，地下水的存在可能會(huì)導(dǎo)致襯砌背后土體失穩(wěn)，從而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)破壞。隨著地下水水位的不斷變化，在不同區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)不同類型的突水現(xiàn)象。當(dāng)突水發(fā)生時(shí)，地下水會(huì)沿著裂縫向隧道內(nèi)滲透，引起突水點(diǎn)周圍的地層產(chǎn)生裂隙、鼓脹、隆起等現(xiàn)象。而在突水發(fā)生區(qū)域附近的地面還可能會(huì)產(chǎn)生裂縫、沉陷等現(xiàn)象。同時(shí)，突水還可能會(huì)沿著裂縫進(jìn)入隧道內(nèi)，引起地表沉降，從而影響地鐵隧道的正常使用。

二、地下水對(duì)地鐵隧道工程的影響

1.地下水對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響

地下水的存在對(duì)地鐵隧道施工有一定的影響，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）在隧道開挖過(guò)程中，地下水的存在會(huì)增大開挖面的最小水平位移，對(duì)開挖面附近的土體產(chǎn)生壓縮變形，導(dǎo)致隧道周邊土體發(fā)生位移，從而降低隧道周邊土體的穩(wěn)定性。

（2）地下水對(duì)隧道施工產(chǎn)生的影響主要包括：①地下水位線以下的承壓水可以使隧道結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞；②承壓水在隧道中形成承壓水頭，造成圍巖應(yīng)力增大；③地下水會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，使支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形；④地下水還會(huì)降低圍巖的自穩(wěn)性。

（3）在盾構(gòu)法施工中，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地下水主要為承壓水，地下水位埋深較淺時(shí)會(huì)形成承壓水頭。當(dāng)采用管片襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使襯砌周圍土體產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)隧道拱頂處發(fā)生突水時(shí)，會(huì)使拱頂位置產(chǎn)生一定程度的變形。

2.地下水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)材料的腐蝕作用

在地鐵隧道工程中，圍巖本身可能存在大量的孔隙，這些孔隙中含有大量的水分，而地下水會(huì)通過(guò)這些孔隙滲入隧道結(jié)構(gòu)，并溶解圍巖中的各種物質(zhì)。在長(zhǎng)期的地下水作用下，圍巖中的各種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致圍巖發(fā)生膨脹、軟化、崩解等一系列變化。當(dāng)圍巖中出現(xiàn)這種變化時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)將受到很大的影響。

隧道結(jié)構(gòu)的抗?jié)B能力與其所使用材料有著密切關(guān)系，其中混凝土的抗?jié)B透能力最強(qiáng)。然而，混凝土自身也是一種多孔材料，具有一定的抗?jié)B能力。在地下水作用下，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫時(shí)，地下水就會(huì)沿著這些裂縫滲入隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部。由于地下水具有一定的腐蝕性和滲透性，因此在地下水作用下，裂縫周圍的混凝土?xí)l(fā)生溶解反應(yīng)。同時(shí)，當(dāng)?shù)叵滤疂B入到混凝土中后，會(huì)破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)、降低混凝土強(qiáng)度、減少混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)力、降低鋼筋強(qiáng)度等。另外，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大裂縫時(shí)，還可能導(dǎo)致混凝土剝落現(xiàn)象發(fā)生。

地鐵隧道工程中所使用的各種材料都具有一定的腐蝕性和滲透性。在實(shí)際工程中，必須要根據(jù)材料本身特性選擇合適的防水材料。例如：在鋼筋混凝土中加入一定比例的鋼筋阻銹劑可以有效防止鋼筋生銹；在使用防水卷材時(shí)，要采用高粘接接頭；在施工過(guò)程中要保證防水施工質(zhì)量和施工進(jìn)度；在襯砌結(jié)構(gòu)和地面之間使用密封劑可以有效防止地下水滲透到襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部。然而，在實(shí)際工程中，由于各種因素的影響以及施工技術(shù)水平等問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)材料遭受腐蝕的現(xiàn)象。

3.地下水對(duì)地鐵設(shè)備和運(yùn)營(yíng)的影響

地鐵隧道中的排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)都是非常重要的設(shè)備。如果地鐵隧道內(nèi)存在承壓水,將會(huì)產(chǎn)生較高的水頭壓力,從而影響排水和通風(fēng)系統(tǒng);若地鐵隧道內(nèi)存在涌水現(xiàn)象,則會(huì)導(dǎo)致照明設(shè)備受損,嚴(yán)重時(shí)甚至可能引發(fā)停電;若地鐵隧道內(nèi)存在突水現(xiàn)象,則可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。此外，地鐵隧道中存在地下水時(shí)還會(huì)出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象，對(duì)地鐵設(shè)備的正常使用造成不利影響。

三、地鐵隧道工程中的地下水防治措施

1.地下水排水和降低水位的方法

地下排水可以分為人工排水和自然排水。人工排水一般是通過(guò)在隧道內(nèi)開挖排水溝，將隧道內(nèi)的地下水引到隧道外進(jìn)行排放。這種方法可以有效地減少基坑內(nèi)的積水，但無(wú)法避免基坑外地下水的涌入，對(duì)地層的穩(wěn)定性造成一定影響。因此，在具體實(shí)施過(guò)程中要結(jié)合實(shí)際情況，綜合考慮各種因素后，合理選擇排水方式。

降低水位可以分為開挖降水位和回填降水位兩種方法。開挖降水位主要是在地下水位埋深較淺、圍巖較為完整、地下水不容易透水的地段進(jìn)行。通過(guò)回填降水可以有效地降低隧道坑底以下一定范圍內(nèi)的水位，降低地下水位對(duì)隧道的影響。但回填降水對(duì)施工條件要求較高，一般需要采取超前支護(hù)措施。

2.隧道防滲措施與材料選擇

為防止隧道滲漏水對(duì)結(jié)構(gòu)造成危害，地鐵隧道結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，應(yīng)采取措施進(jìn)行防滲處理，采用先進(jìn)的防滲材料與工藝，提高隧道結(jié)構(gòu)的防滲能力，保障隧道結(jié)構(gòu)的正常使用。

（1）防水混凝土材料

①采用泵送混凝土。其具有良好的抗?jié)B性能和耐久性。

②采用防水板、防水卷材或涂膜等防水材料。

③采用自粘防水卷材。

④在隧道襯砌施工中，采用注漿堵漏時(shí)，應(yīng)先注漿后堵漏。

（2）接縫防滲處理

①對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)表面的缺陷進(jìn)行修復(fù)。

②混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的接縫應(yīng)采用熱鍍鋅焊接工藝進(jìn)行防腐處理。

③在襯砌結(jié)構(gòu)表面設(shè)置排水盲管，并設(shè)置止水帶和止水條。

④在隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面設(shè)置抗水壓的構(gòu)造層，防止地下水滲透到隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

（3）注漿堵水

①注漿堵漏時(shí)，應(yīng)采用低壓小流量的灌漿材料，壓力不宜大于0.2 MPa。

②當(dāng)?shù)叵滤疂B透到隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)，可以采用注漿堵漏方法進(jìn)行處理。

（4）復(fù)合式襯砌

采用復(fù)合式襯砌時(shí)，應(yīng)采用抗?jié)B混凝土或抗壓防水混凝土作為襯砌的基層材料和保護(hù)層材料。

3.地鐵隧道工程中的涵養(yǎng)水措施

為保障地鐵隧道施工安全，防止隧道周圍出現(xiàn)水、氣、土、聲等異?，F(xiàn)象，在地鐵隧道施工中要采取一定的涵養(yǎng)水措施。具體措施如下：

（1）基坑降水。為了有效防止隧道周圍出現(xiàn)地下水，在地鐵隧道工程中，由于地下水位存在雨水滲入的可能，需要根據(jù)基坑的實(shí)際情況采取合理的降水方案，并在開挖之前就做好降水準(zhǔn)備工作，一般在地鐵隧道的低洼處設(shè)置集水井，集水井則可以將這些積水集中起來(lái)，并通過(guò)排水管道將積水排出，避免對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)造成不良影響。

（2）設(shè)置截水溝。與基坑降水原因相同，在地鐵隧道施工過(guò)程中，也可以設(shè)置截水溝和集水井，主要是在地鐵隧道工程周圍，常常會(huì)有雨水或地下水源，在隧道的外部設(shè)置截水溝，可以將周圍的水源引導(dǎo)到其他地方，避免進(jìn)入隧道。相比與集水井設(shè)置截水溝，截水溝沒(méi)有集水功能，主要用于引流。

（3）加固基坑周圍的土體。地鐵隧道施工中為了有效防止出現(xiàn)突水、涌砂、涌泥等不良地質(zhì)現(xiàn)象，需要對(duì)基坑周圍進(jìn)行加固處理，并將其與地下水隔離開來(lái)，從而避免地下水流向地下隧道。加固后的基坑周圍土層一般會(huì)比原來(lái)的土體高出一部分，能夠有效防止基坑周圍出現(xiàn)地下水。

（4）集水井和截水溝的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素。一是地質(zhì)條件，需要充分了解地下水位和地層情況，以便確保集水井和截水溝的設(shè)置能夠有效地收集和引導(dǎo)水流。二是施工技術(shù)，需要采用合適的材料和工藝來(lái)確保集水井和截水溝的穩(wěn)定性和耐久性。三是日常管理，需要定期清理和維護(hù)集水井和截水溝，以確保其正常運(yùn)行。

四、地鐵隧道工程中的地下水監(jiān)測(cè)與預(yù)警

1.地下水監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

（1）地下水監(jiān)測(cè)指標(biāo)

根據(jù)《建筑基坑工程質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50348-2003）、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（GB 51018-2013），地下水監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要包括：水位高程、水位變化、水位梯度、水位對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響以及水位與降雨關(guān)系。

水位高程是指地下水位的絕對(duì)高度。通過(guò)測(cè)量地下水位的高程，可以了解隧道所處位置的地下水位情況。這對(duì)于確定隧道施工的水平位置以及評(píng)估施工過(guò)程中地下水位的變化至關(guān)重要。

水位變化是指地下水位的動(dòng)態(tài)變化情況。通過(guò)監(jiān)測(cè)水位的變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水位波動(dòng)的情況，預(yù)警可能出現(xiàn)的滲漏或涌水問(wèn)題，從而采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，保證施工安全。

水位梯度是指地下水位的變化率。通過(guò)計(jì)算水位梯度，可以了解水位變化的速率和趨勢(shì)，進(jìn)一步判斷地下水位對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響程度。對(duì)于具有較大水位梯度的地下水位，需要采取加固措施，以確保隧道的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性。

地下水位與降雨之間存在一定的關(guān)系。監(jiān)測(cè)地下水位與降雨的關(guān)系，可以了解降雨對(duì)地下水位的影響程度，從而預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的地下水位變化情況。這對(duì)于施工期間的水位控制和隧道的排水設(shè)計(jì)非常重要。

隧道施工中的地下水位監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水位高程、水位變化、水位梯度、水位對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響以及水位與降雨的關(guān)系。通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析這些指標(biāo)，可以及時(shí)掌握地下水位的動(dòng)態(tài)變化情況，從而采取相應(yīng)的防護(hù)措施，確保隧道施工的安全和質(zhì)量。

（2）監(jiān)測(cè)方法

通過(guò)對(duì)隧道施工過(guò)程中的基坑周圍土壤和地下水的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解地下水的動(dòng)態(tài)變化，掌握基坑周圍的地下水位變化情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的地下水防治措施。通過(guò)對(duì)地下水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以掌握基坑周圍土壤和地下水中的含水量和壓力狀況，從而對(duì)地下水位變化做出合理解釋，為采取合理的應(yīng)急措施提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)地下水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)掌握地下水位變化規(guī)律和地下水位與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。通過(guò)對(duì)地下水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解隧道周邊土體受力狀況和隧道圍護(hù)墻的受力狀況，從而為隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2.地下水位預(yù)警系統(tǒng)的建立與應(yīng)用

地下水位預(yù)警系統(tǒng)是由水位觀測(cè)孔、地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水位監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位動(dòng)態(tài)變化。地下水位預(yù)警系統(tǒng)的建立，能夠及時(shí)有效地掌握地下水動(dòng)態(tài)，并對(duì)地下水位變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為工程設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

某地鐵隧道工程的施工過(guò)程中，地下水位發(fā)生了變化，最大變位達(dá)3m左右。為了避免突水事故的發(fā)生，在施工過(guò)程中進(jìn)行了及時(shí)的地下水位預(yù)警系統(tǒng)的建立。該系統(tǒng)主要由三部分組成：（1）水文地質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)，包括地下水埋深、水位、承壓水壓力等；（2）地下水位變化與監(jiān)測(cè)設(shè)備；（3）水文地質(zhì)參數(shù)與監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的通信。利用這些參數(shù)與設(shè)備之間的通信，能夠及時(shí)地進(jìn)行地下水位預(yù)警系統(tǒng)的建立和運(yùn)行。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地下水位變化和水文地質(zhì)參數(shù)都在正常范圍內(nèi)，地下水位沒(méi)有明顯變化，承壓水壓力也在正常范圍內(nèi)，突水事故并未發(fā)生。由此可知，該地下水預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位情況、承壓水壓力情況以及地下水變化情況等；能夠及時(shí)預(yù)警突水事故發(fā)生的可能性以及突水事故發(fā)生后產(chǎn)生的危害。

五、地鐵隧道工程中的案例分析

某地鐵隧道工程是由中交一公局集團(tuán)第一工程有限公司負(fù)責(zé)施工的，全長(zhǎng)757m，總寬10.8m，設(shè)計(jì)埋深為34.6m～33.2m，是一條越江隧道。該隧道位于長(zhǎng)江三角洲平原地區(qū)，地形平坦，地層主要為沖洪積和河漫灘相沉積物。本工程隧道線路呈東西走向，整體線路呈東西走向。本工程所處地區(qū)地下水比較豐富，在施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的涌水、涌砂、涌泥等不良地質(zhì)現(xiàn)象。為保證施工的安全和正常運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)地下水進(jìn)行處理。為了防治地下水對(duì)地鐵隧道工程產(chǎn)生的影響，該項(xiàng)目從以下幾個(gè)方面入手：（1）地下水勘探和監(jiān)測(cè)：在施工前進(jìn)行地下水勘探，了解地下水位、流量和水質(zhì)等信息，并在施工期間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理地下水問(wèn)題；（2）地下水排水系統(tǒng)：建立有效的地下水排水系統(tǒng)，包括設(shè)置集水井和截水溝，將涌水、涌砂和涌泥等不良地質(zhì)現(xiàn)象引導(dǎo)和排除；（3）整體施工中對(duì)基坑的周圍進(jìn)行了加固處理，將其與地下水隔離，避免地下水流向地下隧道；（4）施工技術(shù)措施：采用適當(dāng)?shù)氖┕し椒ê图夹g(shù)，如地下水封堵、地下水抽排等，針對(duì)不同地質(zhì)條件和涌水情況進(jìn)行處理；（5）緊急應(yīng)對(duì)措施：建立緊急應(yīng)對(duì)預(yù)案，對(duì)突發(fā)地下水問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)處理，確保施工和運(yùn)營(yíng)的安全。通過(guò)以上措施確保了該項(xiàng)目在地下水資源豐富的三角洲地區(qū)順利完工。

六、結(jié)束語(yǔ)

隧道施工中容易產(chǎn)生涌水、突水等不良地質(zhì)現(xiàn)象，這些都是地下水對(duì)地鐵隧道工程的影響。地下水對(duì)地鐵隧道工程產(chǎn)生的影響主要包括對(duì)結(jié)構(gòu)安全、施工安全和運(yùn)營(yíng)安全的影響，如果不能采取有效措施對(duì)地下水進(jìn)行防治，就會(huì)危及地鐵隧道工程的安全。因此，加強(qiáng)對(duì)地下水位埋深較淺地區(qū)地鐵隧道工程的研究，采取相應(yīng)措施防治地下水對(duì)地鐵隧道工程的影響，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。