隧道工程地下水

研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科目：隧道工程教师：靳晓光姓名：杜帅学号：20111602136专业：土木工程类别：学术上课时间：2011年10月至2012年1月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院制地下水对隧道的影响以及应对摘要：隧道建设与地下水环境有着密切联系，隧道开挖过程中地下水将涌入隧道，大量隧道涌、突水将对隧道造成严重影响，隧道运营阶段地下水的渗漏则对结构稳定、洞内设施运转等造成影响，文章就地下水对围岩的作用机理做了深入浅出的分析探讨，对正确处理隧道中的地下水问题有一定的参考价值。关键词：地下水、作用、腐蚀、隧道1、引言：隧道建设与地下水环境有着密切的联系。一方面由于地下水渗流影响，隧道开挖过程中地下水将涌人隧道。少量的涌水对隧道施工影响不大，但是大量的隧道涌、突水将对隧道建设造成严重影响，甚至掩埋施工人员和机具。隧道运营阶段，地下水的渗漏则对隧道结构稳定、洞内设施运转、行车安全等，产生诸多不良影响甚至威胁。另一方面地下水对隧道产生影响的同时，隧道建设及运营也会给地下水环境造成严重影响。隧道的长期排水将引起地下水疏干导致地下水位下降进而引起地面沉降、重要水源断流等，形成环境灾害。2、研究现状2.1、隧道建设阶段地下水影响研究现状在隧道建设过程中涌水灾害的研究方面，主要集中在如何准确的预测涌水量、涌水位置和关键的水文参数．渗透系数的研究方面。最早的涌突水预测是从定性开始的，随着技术水平和施工要求的提高，基于定性分析的隧道涌水量预测研究发展成为隧道涌水的定量计算。国外已有许多学者根据地下水动力学中以裘布依公式(1875)为代表的稳定流理论和以泰斯公式(1935)为代表的非稳定流理论，提出了许多隧道涌水量预测的经验量化公式，比较常见的有：日本的左藤邦明公式、落合敏朗公式；前苏联的科斯嘉可夫(A·H·KOCT，IKOB)公式、吉林斯基(H·K·FHpHHCKHfi)公式、福希海默(Forcheimer·F)公式等。20世纪60年代开始，人们着手从事裂隙水渗透性的简单试验研究，Louis(1967，1970)、Knnehko(1975)、Neuzzl(1981)、Witherspoon(1981)、Moreno(1988)先后提出了粗糙面单裂隙中地下水渗流公式。1982年，Noorishad等对非连续节理岩体渗流与应力耦合进行了分析，提出了以节理元为基础的有限元法。1985年，Barton对工程岩体地下水渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用进行了初步的探讨性研究，但只是针对工程岩体的稳定性和冻土地区隧道涌水问题进行了个别应用研究引。1986年Oda运用渗透率张量和应力张量法，提出了岩体渗流场与应力场耦合分析的等效连续介质模型。2.2、隧道运营阶段地下水影响研究现状对运营隧道渗漏水防治这一领域，日本曾在1996年对隧道渗漏水情况做过统计，发现总长4870KM的隧道，隧道总数的58％出现渗漏，其中49％的隧道出现在拱部，23％的隧道出现在边墙，28％的施工缝及变形缝出现渗漏水，国外研究者还开发了相应的监测软件来共同维护隧道质量，如日本在对病害现象和造成病害原因进行分类的基础上，开发了专门的隧道管理软件(TMS)，通过实际检测和软件来共同监控、维护隧道的质量状况，结合软件的理论推测和实际经验，可以更好的解释衬砌背后许多不可见的缺陷如空洞、土的坍塌、积水等的部位，在此基础上，还可以分析出其它缺陷产生的原因，如表面裂缝的产生、塌方后危险程度的评估和应该采取的修补措施。Toshihiro，2003年分析地应力破坏引起压力不平衡，由于地面沉降的原因导致隧道渗漏水的情况。Zwierzchowska，2003分析了隧道防排水工程措施的排水管安放不当造成隧道渗漏水，并利用AZ．01数学模型最优化管在排水沟中的安放方法，其根据安放的准确程度、埋深、土壤的类型、地下水的水位等分析了适合于不同条件的13种安放排水管的方法。在寒区隧道渗漏水病害防治研究方面，K．okada提出的一种在衬砌内表面铺设绝热层来预防寒区隧道渗漏的方法以及Y．M．Lai等进行寒区隧道渗流场和温度场耦合问题的非线性分析和对寒区隧道渗流场和温度场以及应力场耦合问题的非线性分析，J．Yoshimura研究了寒区公路隧道防水防冻措施，并提出了内外衬砌问隔热层的简化设计方法，JEJaby_分析了用于隧道防排水隔热层的材料，施工以及费用；E．sandegren[”考察了在铁路隧道中塑料保温防止结冰的效果等A．Lindberg以及L．NielPlummert讨论的长期的水岩相互作用，对隧道渗漏水的影响。3、地下水对围岩的作用山岭隧道施工中，地下水的问题是老大难问题，为了保证施工质量，处理好地下水就成了不可回避的问题。因此，十分有必要对地下水对岩石的作用机理有个清楚的认识。3.1、地下水对隧道围岩的物理作用地下水对隧道围岩的物理作用主要是软化、分割、润滑、泥化、崩解、冻融和热融等，一般表现为地下水对岩土的综合软化效应。3.1.1、软化作用当岩石受水浸湿后，水分子改变了岩石的物理状态，使岩石内部颗粒问的表面发生了变化，导致强度降低，加剧岩层移动过程。由试验得知，当水份增至4％时，砂岩强度可降低50％，本来支撑力不大的砂砾土可完全失去支撑力。特别对于一些粘土矿物，由于颗粒细、亲水性强，水会在粘土矿物之间形成极化的水分子层，而这些水分子层又可以不断地吸水扩层；同时水分予还可以进入矿物晶胞层间，形成矿物的内部层间水层。这两种水层中，前者导致粘土矿物外部膨胀，后者导致内部膨胀。这种膨胀就导致了岩石的强度降低，即软化作用。软化作用还与岩石胶结成分和胶结强度有密切关系。具有高强度的结晶岩，水对其的软化作用很小，而硅质胶结、泥质胶结、铁质胶结和有机质胶结的软岩受水的软化作用很大。软化程度可以用软化系数α表示即：sdR()=R()岩石饱和状态的抗压强度α岩石干燥状态下的抗压强度一般软岩的软化系数在0．6以下，有的甚至在0．3以下，如软弱糜棱岩的软化数为0．14。软化作用对一些软岩尤为重要，特别是某些特殊的软岩，在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水后短时间内迅速膨胀、崩解和软化，造成力学性质快速大幅度下降。3.1.2、分割作用水能分隔岩石的节理，而承压水又可减小岩石表面之间的有效法向应力，因而减小了由磨擦而可能产生的潜在抗剪力，导致最终减小岩体的抗压抗剪切力强度这一后果。所以节理极为发达岩层为水的浸入创造条件。3.1.3、润滑作用水对岩土体的润滑作用主要表现在两个方面：一是充满水的裂隙面上的摩阻力减小，二是水压力导致裂隙面上正应力降低，使岩石的抗剪强度降低。据报道，地下水的上浮力使岩石摩擦阻力的降低可以超过37％或更多。3.1.4、崩解与泥化作用对以高岭石、伊利石为主的粘土矿物的软岩研究，得出垂直层理方向自由膨胀率为0．562％，平行层理方向的自由膨胀率为0．197％，膨胀呈现明显的各向异性。由于这种膨胀的各向异性，在膨胀过程中岩层中就可能产生偏斜应力，当该应力到达岩石极限强度时，岩石就会破坏，即崩解。但是自然环境是不断变化的，岩石在浸水一段时间后有可能失水，而失水也会导致软岩的崩解，如天生桥一级电站左岸岩体为泥岩，因为失水而崩解成破碎块体。而有些岩石在干燥后二次浸水条件下，崩解更加厉害。如南阳褐黄色泥质胶结的泥岩，在含水量低于2．5％时，浸水后崩解非常敏感，最后成为泥状。苏永华等研究表明：软岩的崩解是一个时间过程，在崩解的过程中软岩的组份不断变化，其分数维也不断变化。在不同的试验条件下，崩解的速度不同，分数维的变化快慢不同，但崩解达到一定程度时，颗粒级别达到稳岩的相互作用，以及地下水引起隧道工程主要定，膨胀崩解最终趋于停止，分数维值趋于一个稳定值。3.1.5、冻融与热融作用对一些温度经常在0℃左右波动的地区，冻融作用尤为明显。岩体中的水在0℃以下结冰，体积发生膨胀，使岩体的裂隙扩展，甚至使岩体崩解，岩体强度随之降低。而处于寒区的隧道结构周围通常存在融化圈，解冻后使衬砌外侧积聚承压水，在寒季冻结又产生巨大冻胀力，对隧道混凝土结构及防水板接缝产生破坏，形成出水通道；而且排水系统只能季节性排水，使得岩体内的地下水无法及时排走而富集，不但使岩土体由于长时间的浸泡而软化，而且增加了岩土体内的静水压力，使岩土体的稳定性降低。这样温度的反复变化使得岩土体体积不断地进行“膨胀一缩小一膨胀”循环，进而加剧了岩土体的崩解。3.2、围岩与地下水的力学作用岩土体应力应由于渗流场的变化而产生了变化。首先，由于隧道大量疏干地下水，造成地下水位下降，饱和岩土层中孔隙水压力降低，不饱和区域负孔隙水压力区随之扩大。在总应力不变的情况下有效应力上升。其次，由于渗流场被隧道改变，地下水的渗流方向全部改变为新水力梯度下的向隧道中心点流动，其方向是向下的。这样随着渗流方向的改变地下水渗流力亦随之改变，增大了竖直向下的应力，总应力上升。在孔隙水压力减小的情况下更增大了岩土体有效应力。随着有效应力上升土体发生新的沉降直至达到新的动态平衡。水一岩的力学作用主要表现为地下水对岩土体骨架产生的两种压力，即孔隙水压力和渗透压力。3.2.1、孔隙水压力当岩土孔隙被重力水饱和时，水对固体骨架产生一种正应力，其矢量指向孔隙壁面，这个力就是孔隙水压力。孔隙水压力的值由水头值决定，孔隙水压力pw为pw=ρw*g*h,根据有效应力原理，孔隙水压力的增大会导致有效应力的减小，其表达式为w=，σσ-ρ式中σ’一有效应力；σ一总应力；Pw一孔隙水压力。由莫尔．库仑破坏准则有式,tanfτσψ+c与上式结合可得()tanfwcτσρψ式中：即τf一岩土体抗剪强度；c、ψ一分别为岩土体粘聚力、内摩擦角。从此式可知，孔隙水压力增大，岩土体抗剪强度降低。通过做莫尔一库仑强度包线图，可以得到同样的结论。由于σl和σ3都减去Pw，所以莫尔圆的直径不变，但是会向左侧移动。当移动超过一定距离(即孔隙水压力Pw超过某一值)时，莫尔圆将会与强度包线相切甚至相交，即表示岩土体破坏。3.2.2、渗透压力渗透压力就是岩土体中的水在渗透过程作用在土粒骨架上的力，其方向与渗流方向一致，大小取决于水力梯度的大小，其表达式为hwwldfJdγγf-渗透压力；J-水力梯度；γw一水的重度。因为渗透压力是渗流所遇到的阻力的反力，所以它对岩土体有一种拉曳作用。由于这种作用，在土体渗流出口附近容易产生管涌或流土的渗透破坏。当岩土体内出现管涌或流土时，土体中的小颗粒随着水流不断地排到土体外，在土体内形成“空腔”。当“空腔”达到一定程度时，“空腔”上部岩土在重力作用下发生垮塌。3.3、水化学作用1）水对岩石的作用不仅是从有效应力原理方面简单考虑的水对受力岩石的力学效应，还是一种复杂的应力腐蚀过程。地下水化学（水文地球化学）异常，是指地下水因溶解矿体或其它原因而使其所含的某些组分，显著不同于周围水体背景特征的现象，地下水化学异常对隧道围岩、混凝土衬砌的影响及防治具有十分重要的意义。对于岩石力学，水岩化学作用指水溶液与岩石(体)在岩石固相线下的温度、压力范围内进行的所有化学反应和物理化学作用。水一岩化学作用导致岩石变形、破坏的差异性表现的是其宏观上的特征，而这种宏观上的差异与其微观结构的改变是密切相关的，从微观上说，岩石是颗粒或晶体胶结或粘结在一起的聚集体，包含有大量孔隙、微裂隙和裂隙。岩石在天然溶液的渗透、化学作用的影响因素多且复杂，而这种复杂作用的微观过程是岩体变形破坏的关键所在。2）地下水对隧道围岩以及支护结构的腐蚀地下水沿着岩石的孔隙、裂隙或溶隙渗流过程中，能溶解岩石中的可溶物质，而具有复杂的化学成分，从而地下水对隧道围岩以及支护结构的混凝土产生腐蚀作用。硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸钙CaO·SiO2·12H2O、水化铝酸钙CaO·Al2O3·6H2O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。根据地下水对隧道围岩体以及建筑结构材料腐蚀性评价标准，将腐蚀类型分为三种：①分解类腐蚀碳酸盐类岩石（石灰岩、白云岩、硅