隧道工程排水措施

摘要：针对隧道工程地下水所引起的问题，分析了隧道防排水系统中“以堵为主”和“无限制排水”的风险后，通过神经网络对注浆效果的失效性进行理论设计，评价注浆效果，提出了新的隧道排水措施，为高寒地区隧道施工提供工程借鉴与参考。
关键字：隧道工程 注浆失效性 控制性防排水
前言
在隧道开挖过程中，围岩会造成一定程度原始应力松弛或围岩本身节理发育，进而发生形变产生裂隙。地下水或地表水按照高水压力区向低压力区渗透、补充、排泄的规律，沿着围岩裂隙形成水流渗流场和循环系统，由于隧道开挖空间处于循环系统中心，因此给隧道渗漏水创造了条件。

1、隧道工程地下水所引起的问题

地下水可以使围岩溶解、冲蚀、软化，从而降低围岩强度，对隧道结构及运营构成威胁。地下水对隧道的危害极大，主要有以下几点：
（1）地下水的存在可能使隧道产生静水压力或膨胀压力，从而改变围岩的物理、化学性质，降低围岩的强度和稳定性，进而引发一系列的问题。
（2）地下水对隧道结构的影响除了包括地下水可能产生较大的浸水压力、动水压力之外，由于衬砌渗漏水，造成隧道侵蚀破坏，特别是在渗漏水具有侵蚀性的情况下，对衬砌和隧道设备的腐蚀性更为严重，恶化隧道运营环境，进而影响隧道结构的耐久性。
（3）寒冷地区反复的冻融循环，造成衬砌混凝土冻胀开裂破坏；在衬砌与围岩之间，由于冻胀引起拱圈变形、破坏；
但是，在目前我国大部分铁路隧道防排水设计主要按“无限制排水”设计原则，这种缺陷有“十隧九漏”的说法，给隧道施工及隧道运营带来了很多严重问题。随着经济水平及隧道修建技术的发展，以及环境保护的要求，特别是在生态环境脆弱的高寒地区，隧道防排水和渗透治理成为隧道工程建设的一大关键课题。

2、隧道防排水措施研究

2.1隧道工程与水环境的相互作用链

隧道在开挖过程中与地下水形成了复杂的相互作用链，隧道工程与水环境的相互作用链如图1所示，其中包括水环境对隧道工程的作用以及隧道工程对水环境的反作用两个方面。
图1隧道工程与水环境的相互作用链

2.2“以堵为主”的风险

在隧道施工中, 对地质不良段预防与整治坍方、堵水、加固围岩、防止变形等用常规方法难以奏效的复杂工程问题, 注浆发挥着巨大的作用。目前注浆材料数以百计，大致可以分为三大类：水玻璃类、有机高分子化学注浆材料、有机高分子复合化学注浆材料。
“以堵为主”的隧道防水处理原则，既有利于隧道本身的施工和运营，又有利于保护洞顶生态环境，但是，隧道封堵地下水会承受巨大水压力，尤其是深埋岩溶长大隧道，岩溶裂隙水的发育往往会使水压力高达若干兆帕，使衬砌难以承受。同时，由于化学高分子材料堵水在我国发展时间很短，还仍处于初步发展阶段。在堵水过程中，注浆材料效用的发挥未必能达到材料本身所具有的使用功能及使用年限，同样在施工过程中例如施工条件的复杂性以及施工人员无法按照注浆材料规定施工方法进行施工等诸多类似事情的发生，化学材料在堵水过程中的耐久性更无法得到保证，一旦堵水材料失效地下水可能穿透隧道防水体系，必然会引起隧道结构的破坏，增加了在运营过程中的风险。所以很多情况下“以堵为主”是较难实现的。

2.3“无限制排水”的风险

目前，在工程建设和水资源的开发利用中，普遍缺乏生态观念只重视治理水患，解决生产生活用水，严重忽视生态用水，导致河道干涸、湿地消失、土地沙化、生物多样性降低等许多生态环境问题，同样对生态环境的协调和稳定以及社会经济的发展很是不利的。
在隧道施工过程中，如果设计按照“无限制排水”，隧道涌排水使地下水逐渐疏干，恶化水文地质条件，使地下水位不断下降，地下水疏干漏斗不断扩大，导致洞顶地表河湖泉井涸竭，水环境失去平衡，进而引发生态环境破坏和岩溶地面塌陷等灾害。尤其对于高寒地区，生态环境本就脆弱，抗干扰和自我恢复的能力极低，如果水环境的恶化，必然导致其地表植被大面积衰退，进而导致水土流失、土地沙化，最终会产生一系列的社会问题。
正因为“以排为主”会大量破坏地下水的原有平衡，导致一系列的生态环境问题，所以“以排为主”的思想是已完全不适应现代铁路公路隧道建设发展的需要，更是与21世纪科学的发展观实现可持续发展的主旋律不符。

3、生态环境保护条件下控制型防排水的设计体系

3.1注浆失效性分析

在注浆过程中，由于诸多不确定性因素的影响，注浆效果的好坏将直接导致后期注浆效用的发挥，进而直接影响隧道的运营以及生态坏境的变化。在后期运营过程中，相应的各种侵蚀与客观条件下，注浆能够有效的发挥使用多长时间，是工程实际中最为关注的问题。目前，考虑注浆效用的方法很多，本文主要从注浆材料的耐久性对注浆的失效性进行分析。
神经网络方法能够处理高度的非问题，是可选模型之一。首先确定隧道注浆耐久性的主要影响因素作为输入量，通过实验数据与现场数据的结合，采用BP神经网络进行实验数据的整理，并最终建立隧道注浆耐久性评价模型，实现对于耐久性的预测和评价。
隧道注浆耐久性的BP网络模型其输入层为涌水压力、离子浓度、温度、渗透流量及外界客观因素；输出量为渗透系数K；为了使评价结果更接近实际值，传递函数采用多层隐层函数；最终得到评价预测结果.
根据现场试验数据分析输入层各个因素对帷幕注浆的试验参数的影响，并反映至BP神经网络中，通过多层隐层函数不断的训练样本，建立帷幕注浆耐久性评价模型，直至输出评价结果，与设定数值相比较，最终对帷幕注浆的效果作出评价。

3.2控制型防排水体系

伴随着隧道施工技术的不断发展，针对隧道“以排为主”承受水压力小而环境灾害重，“以堵为主”承受水压力大而环境灾害小以及堵水高分子化学材料可能会失效的风险，近年来出现了一种新型的隧道防排水技术——控制型防排水技术，它综合了“以排为主”和“以堵为主”两种技术的优点，坚持“堵大水、排散水”的原则，大水先堵，首先保证施工安全，既可以降低工程造价，又能保护生态环境；然后根据隧道断面防水形式通过纵、横向盲管的设置、防水板的布置及衬砌结构对潜在的散水通过设置的通道进入隧道排水系统，有控制的将散水排出，最终达到此方法控制防排水的目的。其根本的特色在于：人为地控制地下水的排放，以达到安全上可靠，技术上可行，经济上合理的目标，而且将隧道运营的长期安全性放在首要的位置。

摘自：本科毕业论文模板www.udooo.com

4.结论
在生态环境和谐发展与可持续发展越来越受到社会的关注这样的背景下，针对目前隧道设计与施工中对地下水处理的现状以及地下水对隧道工程引起的一系列的问题，尤其是在高寒地区生态环境极为脆弱的情况下，本论文通过分析了“以堵为主”和“无限制排水”的风险后，用神经网络对注浆的失效性进行分析研究，提出了新型的控制型防排水措施，并得出以下主要成果与结论：
（1）依照当前提出的“以堵为主，控制排放”思路和原则，在实际工程中，采用注浆堵水方式，并通过由内至外的围岩注浆固结堵水圈、初期支护、防排水系统和二次衬砌组成的结构达到有控制排放的目的。
（2）在隧道工程高地下水位地段应采取“以堵为主，控制排放”的原则，实施动态设计管理，观察注浆效果及采取必要的预防注浆失效措施，及时修正优化设计和方案图件。