海底隧道涌水的特征
孙博210907010028
摘要:随着经济的高速发展和科学的日益进步，我国海底隧道的建设也进入了一个高速发展的时期。修建海底隧道不同于陆地上的隧道工程，一方面，由于多数地段采用以堵为主的防水措施，海底隧道衬砌在承受围岩压力的同时还要承受较高的水压；另一方面，由于海底隧道纵坡为倒人字坡，因此在隧道施工期间及运营期间的防排水技术尤为重要。水压高，水源充足，又无天然出口，加上勘探工作不可避免的不确定性，使得海底隧道的涌水问题远比陆地隧道严重得多，处理起来也困难得多。特别是对于处于破碎带围岩的海底隧道，海底断层、风化槽、裂隙等构造可能与海水连通，隧道开挖一旦使其形成通道，海水就成为突水的水源，过高的水力坡降会在隧道围岩和衬砌上产生很高的渗水压力，而很高的渗水压力在具高渗透性或被扰动松动区，将导致大量的水流入，易发生坍方并引起突水、涌水事故。
关键词：海底隧道渗水压力涌水
隧道涌水的分析首先是从定性研究开始的，最早的分析只是通过查明隧道含水围岩中地下水的分布及赋存规律，分析隧道开挖的水文地质及工程地质条件，依据物探、钻探、水化学及同位素分析、水温测定等手段，确定地下水的富集带或富集区以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水突涌水通道，根据地下水动力条件和含水围岩能量释放条件计算出突水系数瓶并把它和突水临界值a比较，判断是否发生突涌水。
对于海底隧道而言，隧道开挖引起围岩应力场和渗流场的变化，一方面地下水渗流在岩体中引起的渗流体积力(动水压力)将改变岩体中原始存在的应力状态；另一方面，应力状态的改变，又将影响岩体结构的改变，进两改变岩俸的渗透性能。此外，地下水的存在不仅会减弱岩体的物理力学性质，岩石强度和弹性模量降低，而且静水压力和动水压力也会对岩体产生作用力，其中静水压力则降低岩土体有效应力，使得地层的成拱作用和稳定性较差，动水压力则产生渗透体积力。
由于海底隧道地下水的特殊性，海底隧道除具有一般隧道施工时突涌水安全风险，又有其复杂性和特殊性。在海底隧道施工中，尤其是在不良地质段，隧道一旦出现坍方，可能诱发突水，造成巨大的灾难和损失，是工程存在的最大的施工风险。具体来讲，断层、风化槽、隧道坍方以及由此引起的突水具有以下特点或危害性：
(1)工程的大部分区域是在水下，需采用特殊的技术并进行大量的探测工作，对探测结果的解释比其它隧道具有更大的不确定性。
(2)水源补给充足。由于某些断层、风化槽、裂隙等构造可能与海水沟通，一旦形成通道，无穷无尽的海水就成为突水的水源。
(3)水压力大 。海底隧道受到较大的水压力作用，在不良地质地段进行隧道施工，易于发生坍方并引发突水、涌水事故;由于水压力大，同时也增加了堵水的难度。
(4)突发性。隧道坍方引起的突水事故具有突发性，通常事故的发生是由于爆破振动、揭露地质构造、开挖方法不当、初期支护不及时等造成的，是一个量变引起质变的过程，因而事故的发生通常是突然的。特别在峡湾和峡谷区极易形成断层，断层，软弱围岩地段以及部分基石极易受到侵蚀，在这些部位有突水的可能。海底隧道的持续坍塌或严重进水是灾难性的，因为整个隧道会很快进满水。
(5)施工的各种风险客观存在。张开性节理是不可忽视的地质问题，它是突水的危险部位。在山岭隧道，闭合与张开节理的发育虽然对施工可能有影响，但影响不会太大;而在海底隧道中，这种影响可能是灾难性的。
(6)峡湾的最深部分往往是隧道施工中最难的部分，所有涌水都应沿隧道机械排出。在海底隧道设计与施工中，由于纵坡的限制，隧道施工与运营阶段都存在排水问题。地下水对结构的耐久性存在较大影响。由于海底隧道地下水较多含有腐蚀性化学成分，围岩中含有可能与地下水反应的化学矿物质及其组合，其对隧道结构的影响等需要作更深的技术工作。地下水对隧道施工与运营设施存在影响，即施工设备、支护材料、衬砌以及技术性装备的影响使其运营成本增加。
(7)施救困难。海底隧道发生突水事故后，影响的范围很大，施救的空间非常有限，救护难度大，而且具有很大危险性。
(8)严重影响工期。由于处理事故的程序和过程较为复杂，需要很长的时间才能恢复施工。
(9)灾难性。海底隧道一旦发生突水事故，其后果是灾难性的，将造成巨大的经济损失，甚至较多施工人员的生命损失。
隧道施工时发生的涌水不仅对作业环境有影响，也会使掌子面不稳定，使喷混凝土和锚杆的施工不良，特别是在有多量、高压涌水的情况下，常常是造成重大事故的原因。隧道开挖中的涌水造成的影响主要包括:海底隧道预计到的突水可能引发灾难性后果，掌子面围岩崩塌、流失、坑道埋没，在施工中常常要改变施工方法、增加辅助工法，使工期拖后、工程费增加等等。青函隧道在海下施工的过程中，发生过4次涉及严重漏水事故。
同时，海底隧道地下水的侵蚀性同样不容忽视。由于侵蚀性地下水含有能够
与混凝土中的部分物质发生化学反应生成可溶性盐或膨胀性盐，在高渗透J性作用下，可溶性盐发生迁徙，膨胀性盐使混凝土疏松，从而导致结构功能丧失。地下水侵蚀的类型主要有以下几种:
(1)硫化物型:围岩中存在硫化物及其组合，与溶解于地下水中的氧气作用，产生腐蚀性地下水。作用机理:硫化物+氧气+水、金属氧化物十硫酸。其中硫酸具有腐蚀性，与混凝土中水泥水化物反应，生成膨胀性盐类。
(2)硫酸盐型:围岩中存在硫酸盐及其组合与地下水作用，当溶解度较大时，与混凝土中水泥水化物反应，生成膨胀性盐类，或石膏盐类遇水体积膨胀。 氯化物型:围岩中存在氯化物及其组合，氯化物中的镁离子与水泥水化产Ca(OH)2反应，生成Mg(OH)2，从而降低了混凝土的碱度;同时氯离子加速了钢筋的锈蚀。
(3)碳酸型:围岩中C02溶于地下水，生成碳酸，与已经发生碳化的混凝土发生反应，生成碳酸氢钙，从而降低了混凝土的碱度，加速了混凝土的其他侵蚀。
(4)组合型 : 围岩中存在的集中矿物质及其组合。
由隧道涌水的产生原因分析，不难看出它不但与施工条件和隧道特征有关，更主要是受水文地质条件的制约，而水文地质条件又受控于地形地貌条件、地层岩性和地质构造等地质条件。
因此，鉴于海底隧道具有水源补给充足，水压力大等以上所述特点，所以隧道突涌水是海底隧道施工中的最大风险项目。隧道施工时发生的涌水不仅对作业环境有响，也会使掌子面不稳定，使喷混凝土和锚杆的施工不良，特别是在有多量、高压涌水的情况下，常常造成重大事故的原因。隧道开挖中的突涌水造成的影响主要包括:海底隧道预计到的突水可能引发灾难性后果，掌子面围岩崩塌、流失、坑道埋没，在施工常常要改变施工方法、增加辅助工法，使工期拖后、工程费增加等等。
同时，根据现阶段的施工与研究，一些专家学者也提出了很多建议:
(1)加强隧道掌子面的超前地质探测，尤其要重视掌子面渗水的测量。渗水是海底隧道的最大威胁，施工期间应随时了解掌子面前的工程地质和水文地质条件。
(2)对遇水易泥化的岩体和富含水地层，预注浆是控制渗流的有效方法。预注浆能有效减小土层的渗透系数，在隧道外围形成一个不透水帷幕，使隧道周边的水压力降到最小，为隧道开挖创造一个良好的施工环境。
(3)渗水的测量可以利用超前探测孔进行，而预注浆则依赖于超前探测孔测量的渗水量进行设计，二者关系密不可分。
(4)加强初期支护防水能力，将地下水封闭在初期支护之外，是保证防排水成功的关键之一。初期支护在施工完成后，表面应无渗漏水，如存在渗漏水的现
象，应对初期支护背后进行回填主浆和初期支护表面进行渗漏水处理，保证防水层在干燥无水的环境下作业。
(5)附加防水层选择应结合工程具体情况，一定要根据工程要求、特点及所处位置、环境、条件，因地制宜选择附加防水层。海底隧道目前采用的是PVC防水板，由于PVC防水板存在比重大、不易铺设、焊接时有氯化氢等有害气体逸出，对健康有一定的影响等缺点，建议采用ECB、LDPE及EVA等防水板材作防水层。
(6)二次衬砌自防水能力的好坏是保证防排水工程好坏的关键之一，隧道二次衬砌应采用防水混凝土。
(7)提高变形缝(伸缩缝、沉降缝)及施工缝处理的质量。
(8)隧道完全避免渗水是不可能的，也是不必要的，隧道防排水的根本目的是将渗水控制在隧道施工运营管理可接受的水平。
(9)建议将隧道衬砌钢筋连接方式由焊接改变为机械连接，这样可以有效避免由于钢筋焊接作业灼伤防水板和引发隧道火灾。
(10)结构分区防水是一种可以借鉴的经验，建议在隧道施工中推广运用。
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