特长隧道涌水对环境的影响分析

侯建伟

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550001）

0 引言

隧道在国内工程建设中具有突飞猛进的发展，这主要得益于其天然的优势，能缩减里程，受外界的影响较少，且不易破坏外部环境。隧道建设在21 世纪后渐渐往更多区域发展，尤其是在复杂多变、自然灾害频发的地质环境中也开始建设隧道。在全球隧道特大事故中，发生率和伤亡人数居于前列的当属突涌水灾害。比如，日本东海道干线丹那铁路隧道工程曾经频繁出现严重的涌水事故，经历16 年时间才完工；丹麦斯多贝尔海峡隧道长共计7.9km，隧道承受泥灰岩裂隙中水压为0.8MPa，施工期涌水量为4m3/s，结果淹没了掌子面，带来严重后果。在隧道施工中，突涌水灾害对工程建设安全及环境都有巨大影响。比如，西班牙南部高速铁路隧道施工时涌水量为0.8m3/s，造成饮用水及农业灌溉用水枯竭；武广客运专线隧道施工期对地下水进行大量抽排，造成金沙洲地区地下水失衡，区内塌陷事故发生19 处，地面13 处发生沉降变形，导致经济损失惨重[1]。

1 特长隧道涌水排放控制分析

某特长隧道项目地处莲花山，直接横穿该区域断裂带，属于分离式双向四车道公路隧道，所经地段褶皱剧烈，断层发育。此外，飞泉电站、飞泉水库和黄棉湖水库与该隧道紧密相邻，部分断层连接大型水体。为对隧道周围地下水资源形成保护，由于该区域地表环境较为特殊，可通过对允许涌水量进行计算，得出隧道涌水与地表环境之间的影响机制[2]。

1.1 基于生态环境保护背景下的特长隧道涌水排放控制分析

做好特长隧道的涌水排放控制，不但可以缓解围护结构的安全风险，还可以有效保障特长隧道周边区域的地下水平衡状态[3]。因此，通过建立特长隧道涌水排放的相关模型，计算出合理取值，并根据地下水力学理论及达西定律列出相关渗流平衡微分方程，以此来计算确定特长隧道的涌水量允许值，从而指导现场涌水排放控制。

1.1.1 基于生态环境保护背景下的特长隧道涌水简化计算基本假定

结合现实再对计算进行简化，基于生态环境保护，假定特长隧道涌水排放控制研究问题有以下条件：第一，特长隧道是在均质各向具有相同属性平层中，且潜水含水层为相对水平处建设；第二，涌水是从含水层上部均匀渗入；第三，涌水的渗入按照达西定律；第四，对于特长隧道的平行两线，二者具有相同的涌水量允许值[4]。

1.1.2 基于生态环境保护背景下的特长隧道渗流试验段探讨

飞泉水库作为该区域几座水电站以及风景区瀑布的水源，距该特长隧道不远。水库的库坝顶部黄海高程为720m，库坝高34m，最大存水量约为25 万m3。而该特长隧道邻该水库的区段设计高程约为275m，隧道在建期间该水库的蓄水最深达到20m。

该特长隧道围护结构体系中采用了超前帷幕注浆，帷幕长度为80m，帷幕设计采用了双循环。通过计算得出隧道施工期间的稳定涌水量为每天168.3m3，渗流稳定时涌水量总共将达到10.8 万m3。考虑超前帷幕注浆区段的隧道施工工期为8 个多月，现场通过施工排水系统来进行涌水量的实测，实测发现在施工270d 后，隧道的涌水量基本稳定在平均每天150m3，与理论计算值相差10.87%；渗流稳定时的涌水量总共约为12 万m3，与理论计算值相差10.18%。

1.2 特长隧道涌水与周边水库水位相互影响探讨

1.2.1 特长隧道涌水与周边水库水位相互影响监测方案

为了了解该特长隧道施工阶段和运营阶段的涌水量与周边水库水位相互影响的相关规律，从而研究特长隧道涌水风险机制、指导特长隧道涌水排放控制，在该特长隧道模拟试验中根据方案布设了5 个监测断面，全过程实时监测并记录隧道的模拟涌水情况。

1.2.2 特长隧道涌水与周边水库水位相互影响试验流程

首先，建立渗流模型箱，并将事先调配好的模拟围岩分层铺设到渗流模型箱中，并通过环刀取样法检测渗透系数等相关参数[5]；其次，往渗流模型箱中逐渐倒水，让模拟围岩土体达到饱和；再次，模拟开展隧道开挖，模拟开挖长度为1.2m，采用全断面法分6 步进行开挖施工，每一步模拟开挖施工完成后停滞1h，并进行模拟隧道涌水量、模拟水库水位以及模拟围岩渗水压力等数据的监测；然后，在完成整个模拟开挖施工后，沿着模拟开挖的内侧边线进行土工布和PVC 管道的模拟施工作业；最后，通过加水来进行模拟降雨，值得注意的是，需要贴近模拟地表慢慢倒水，从而尽量降低加水时对模拟围岩的破坏[6]，加水完成后停滞24h，再进行模拟隧道总涌水量、模拟水库水位以及模拟围岩渗水压力等数据的测算。

1.2.3 特长隧道涌水与周边水库水位相互影响试验结果及探讨

（1）特长隧道施工阶段试验结果及探讨

在特长隧道施工阶段试验之前先逐渐往模拟水库中倒水，使模拟水库的水位深度达到0.5m，并通过单层土工布来扮作淤泥，然后按照上述全断面法分6步开展模拟开挖施工，以此来进行模拟隧道涌水量、模拟水库水位以及模拟围岩渗水压力等数据测算及其相关规律探讨，其试验结果详见图1。

图1 特长隧道施工阶段涌水与周边水库水位相互影响试验数据

从图1 试验结果可以看出，在未进行模拟注浆加固的前提下进行第1 步模拟开挖完成后，模拟水库水位下降了2cm，模拟隧道结构稳定，其掌子面上部有一点水滴；在第2 步模拟开挖完成后，模拟水库水位下降了7cm，模拟隧道掌子面和已开挖段开始有涌水现象；在第3 步模拟开挖完成后，模拟水库水位下降了18cm，已开挖段整体涌水已经比较严重，而且此时模拟隧道开挖对于模拟水库水位的影响明显较大；在第4 步模拟开挖完成后，模拟水库水位下降了35cm，此时模拟隧道开挖对模拟水库水位影响非常大；在第5 步模拟开挖完成后，模拟水库水位下降了2cm。由此可见在特长隧道施工阶段如果不做好科学可靠的围护结构，那么在隧道开挖过程中会对周边水库和环境产生极为不利的影响。

同时，试验结果也反映出模拟隧道施工阶段的涌水量实际测量值比理论值略微偏低，说明在模拟隧道的开挖施工前，其模拟围岩土体的含水并未完全饱和。在每一步模拟开挖完成后，不同监测点测出的渗水压力数据存在差异，说明施工阶段模拟隧道掌子面和已开挖段周边会有动水压的现象。而随着模拟开挖施工的深入开展，不同监测点测出的渗水压力数据不断趋于接近，反映出模拟水库的水量不断降低，模拟隧道的涌水量增长速度不断减小，从而导致渗流速度和动水压的减小。

总之，特长隧道施工阶段试验结果反映出特长隧道的涌水灾害现象演化比较复杂，它是特长隧道开挖施工打破周边水库及环境水系统动态平衡和打破隧道围岩相关力学平衡等多种状态的破坏过程[7]。

（2）特长隧道运营阶段试验结果及探讨

在特长隧道运营阶段试验中，根据对各相关因素的综合考量，确定每米隧道每天的涌水量允许值为4m3，由此计算得出该模拟隧道涌水量每天的最大允许限值为0.98L，折算出模拟水库每天的水位下降最大允许限值为6mm。根据最不利原则，按照模拟水库一开始的存水量已达饱和状态来开展试验[8]，通过土工布的设置层数来模拟隧道围护结构的注浆厚度，以此来进行模拟隧道涌水量、模拟水库水位以及模拟围岩渗水压力等数据测算与模拟隧道围护结构注浆厚度的相关规律探讨，从而得出模拟隧道围护结构注浆施工完成1d 后的相关试验结果详见图2。

图2 特长隧道运营阶段涌水与周边水库水位相互影响试验数据

从图2 试验结果看出，在特长隧道运营阶段，随着土工布设置层数（即模拟隧道围护结构注浆厚度）的逐渐增大，在模拟隧道围护结构注浆施工完成1d 后，模拟隧道的涌水量也逐渐降低，而模拟水库的水位也相应注浆升高，反映出隧道围护结构注浆施工是避免隧道出现涌水灾害、周边水库出现水位骤降的有力保障。

同时，试验结果也表明随着土工布设置层数的逐渐增大，模拟隧道的涌水量和模拟水库的水位变化程度也在不断减少，尤其是在土工布设置达到4 层以上时，模拟隧道运营阶段的涌水量以及模拟水库的水位变化已趋于稳定，反映出随着隧道围护结构注浆厚度的逐渐增大，隧道运营阶段的涌水量以及周边水库的水位变化程度也会越来越小。说明隧道围护结构的注浆厚度并非越大越好，而是有一个合理值，超出合理值的注浆基本属于浪费，因此在特长隧道围护结构帷幕注浆的设计和施工中应当充分结合经济和技术等各方面因素进行综合探讨[9]。

2 特长隧道涌水对环境的影响分析

为了进一步验证特长隧道涌水对环境的影响分析，在该特长隧道采用了遥感监测技术，并辅以人工现场踏勘，以此来探讨该特长隧道在其防排水设计与施工中对于涌水排放控制的科学性，以及隧道涌水对于周边环境的影响。具体方案措施为：

首先，将该特长隧道相关区域作为分析区域，并对分析区域的遥感影像进行预处理，包括对其的观察、识别、分类以及定位坐标校核等。

其次，对分析区域进行地物分类，并通过对其隧道施工准备阶段、施工阶段、运营阶段的各植被相关数据的测算，反向推演出分析区域的植被覆盖相关情况。

最后，就上述得出的植被相关结果，对该特长隧道的周边环境植被动态变化进行原因分析，并得出相关结论。

通过上述分析研究方案措施的实施，得出的结果表明，在该特长隧道的施工准备阶段、施工阶段、运营阶段中，其周边环境植被覆盖和地表水体的面积都是呈现出先升高后降低的“倒V”字形趋势，而白地面积则是呈不断升高的趋势。由此可以看出，该特长隧道在施工阶段对于周边环境的植被覆盖和地表水体均无明显的强烈影响，而结合气象部门的相关数据以及远离隧道的相关区域现场实际情况分析得出，该特长隧道在运营阶段的周边环境植被覆盖和地表水体的面积下降主要是与当时的降雨情况和气候变化有关。由此可见，只要充分做好特长隧道的涌水排放控制措施，其对周边环境的影响微乎其微，至少是在可控范围内的。但是仍需坚持做好对该特长隧道涌水及周边环境的长期监测[10]。

3 结语

综上所述，随着人们保护环境的意识越来越高，也逐渐认识到隧道工程与周边环境和谐共生的重要性。隧道周边地表水与地下水受到各种因素的影响，经过长时间才能达到动态平衡。在隧道建设和运营中，隧道内部会集中大量地下水，经过排水的疏通排干，围绕隧道形成一个地下水降落漏斗，如果不能有效把控，则会严重影响周边生态环境。因此对于特长隧道而言，无论是施工阶段还是运营阶段，都必须严格采取有效措施控制涌水排放，从而避免涌水对环境的不利影响。