5.6.1 隧道水害及整治措施
隧道水害是指在隧道的修建或运营过程中遇到水的干扰和危害。水害是隧道中常见的一种病害，调查资料表明，大部分的隧道存在不同程度的水害。水害不仅本身对隧道结构产生危害，降低衬砌结构的可靠性，导致衬砌失稳破坏，而且还会引发其他病害，对隧道整体结构的稳定影响很大。
5.6.1.1 水害的种类及其危害
1.施工中的隧道水害
施工中的隧道水害主要是指隧道围岩的地下水或部分地表水，以渗漏或涌出方式进入隧道内造成的危害。
施工中隧道渗水、漏水，造成洞内空气潮湿，不仅影响施工人员的身体健康，而且使施工机械、设备产生锈蚀、腐烂，使绝缘设施失效，造成电路短路、跳闸甚至漏电事故，危及人身、设备安全。当变为突水或涌水时，就会危及施工人员的人身安全，损坏施工机械，造成塌方，斜、竖井被淹没，中断施工，造成重大的经济损失。如大瑶山隧道就因突水致使班古坳竖井被淹没，使其基本上未能发挥竖井作用。
2.运营中的水害种类及其危害
（1）隧道漏水。隧道衬砌的漏水现象一般表现为“渗”“滴”“淌”“涌”几种。“渗”是指地下水从衬砌外向内润湿，使衬砌内出现面积大小不等的润湿，但水仍附着在衬砌的内表面；“滴”是指水滴间断地脱离衬砌落入隧道；“淌”是指漏水现象在边墙的反映，指水连续顺边墙内侧流淌而下；“涌”是指有一定压力的水外冒。
以上四种漏水现象，其出露部位与水量的不同，对隧道产生不同的危害。对电力牵引区段和电力配线，使电绝缘失效，发生短路、跳闸等事故，危及行车安全。洞内空气潮湿，影响养护人员身体健康，使洞内设备（通信、照明、钢轨等）锈蚀。混凝土衬砌风化、腐蚀、剥落，造成衬砌结构破坏。涌水病害造成衬砌破坏，隧底积水造成道床基底被软化或掏空，使道床翻浆冒泥或下沉开裂，中断行车。有冻害地段的隧道漏水会造成衬砌挂冰侵限和冻融破坏。
（2）衬砌周围积水。衬砌周围积水主要是指运营隧道中地表水或地下水向隧道周围渗流汇集。不能迅速排走积水而引起的病害有：水压较大时会导致衬砌破裂；使原完好的围岩及围岩的结构面软弱夹层因浸水而软化或导致对衬砌的压力增大，衬砌破裂；使膨胀性围岩体积膨胀，导致衬砌破坏；在寒冷地区发生冰胀和围岩冻胀，快速导致衬砌破坏。
（3）潜流冲刷。潜流冲刷主要是指由于地下水渗流或流动而产生的冲刷和溶蚀作用。主要病害有：衬砌基础下沉，边墙开裂或者仰拱、整体道床下沉开裂；围岩滑移错动导致衬砌变形开裂；对超挖回填不密实或未全部回填者，引起围岩坍塌，导致衬砌破坏；侵蚀性水对衬砌的侵蚀。
5.6.1.2 水害产生的原因
水害产生的原因很多，归纳起来可分为以下几种。
（1）勘测与设计。由于隧道是修建在地下的结构物，而地下的工程地质和水文地质情况非常复杂，很难勘察得一清二楚，导致设计人员对工程地质和水文地质情况了解得不够深入，对衬砌周围地下水源、水量、流向及水质情况掌握不准；在隧道修建前后由于各种因素影响，隧址处的水文地质情况会发生一些改变；有时还缺乏反映防水材料性能的室内试验数据，对结构抗渗、抗腐蚀未做具体要求等。所有这些因素导致了隧道的防排水设计很难在隧道的使用期内完全满足防排水的要求。
（2）施工。施工不当也可产生水害，如某些隧道和地下工程由于其光面爆破效果不佳，喷射混凝土表面不平整；加上防水板接缝采用电烙铁，焊缝不均匀、不牢固，使防水板很容易产生空鼓开裂；局部超挖过量，回填不好不实，这样使塑料防水板的防水性能无法发挥；锚杆孔眼和衬砌悬挂设备孔眼的防水处理得不够好等。有的施工单位一味追求施工速度，忽视二次衬砌质量，造成混凝土内部空隙、衬砌表面粗糙不光滑。另外对排水设施不按施工规范要求操作等，使地下水丰富地区的隧道形成严重的渗漏水。
（3）材料。如果所选用的防水材料达不到国家质量标准，会导致隧道的渗漏水病害。
（4）监理。监理工程师应对防水材料的选择和使用、铺设基层的处理、铺设工艺等进行跟踪检查，确保防水质量。
（5）验收。工程竣工后，从衬砌表面往往看不出什么问题，管理单位缺乏检验手段，有时又接近运营期限，往往对交验前的渗水情况缺乏进一步查验，只好按竣工报告及施工总结勉强验收，导致运营后渗漏水逐渐严重。
（6）匹配。防水技术的匹配就是指防水设计、防水材料和防水施工工艺与防水工程相适应的问题。从工程实例来看，不少工程渗漏水是由于防水材料与基面黏结不良或不适应造成的，因而近年来搞好防水技术的匹配引起了人们的广泛关注。防水施工方法不外乎喷射、涂刷、抹压、注浆、粘贴等，防水材料可分为沥青、橡胶、塑料、水泥及聚合物等，不论采用何种施工工艺和何种材料，都有与建筑物基面的接触问题。所以从这一角度考虑，防水效果的关键是防水层与基面的黏结和适应问题。
5.6.1.3 水害的整治措施
隧道水害进行综合整治，需要设计、施工、运营三阶段配合治理。首先是设计人员要重视建筑和结构上的防排水要求，了解工程地质和水文地质，对围岩地下水源、水量流向、水质等情况摸清，及时采用新技术、新材料和新的防水施工措施；其次，施工阶段水害治理得好，就会减轻运营中养护维修的任务，否则就会留下隐患，加重运营阶段的水害。整治隧道水害要以一座隧道或以相当长的一段隧道为研究对象，不应只考虑病害点，而应洞内洞外、山上山下、有病害与无病害的段落一起分析，从而做出全面的整治规划。
隧道治水的具体措施就是“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”，使之既能自成体系，又能互相配合，形成一个完整的隧道治水体系。
1.排水与防水设施
（1）施工排水。
隧道施工中应将洞内工程废水及时排出洞外，以防止坑道内浸水影响施工和淹没工作面。
洞内排水方式按开挖方向和线路坡度情况分为如下两种。①上坡进洞的排水方式。一般只需随着隧道的延伸，在一侧（或两侧）开挖排水沟，使水顺坡自然排出洞外。设有平行导坑的隧道，可将正洞的水通过横通道引入平行导坑排出洞外。②下坡进洞的排水方式。采用抽水机排水，即间隔一定距离开挖集水坑，掌子面的积水用水泵抽到最近的集水坑内，再用大功率抽水机抽出，经排水管路排出洞外，此时应配有足够的排水备用设施。
（2）运营隧道的排水。
在衬砌外面设置排水设施，其施工难度较大，常用的做法有以下几种。①岩石暗槽。适用于围岩坚实稳定、水流清澈、不含泥沙的地段，一般沿主要含水裂隙的走向开凿。②盲沟。按设置方向与隧道轴线的关系分为竖向盲沟、纵向盲沟和环向盲沟。主要适用于：浅埋隧道地表潮湿、有积水，无法以地表排水疏干时；衬砌背后有集中的地下水出露；有水地段但无明显的集中出水位置，应间隔2～5m设置竖向盲沟，并与纵向盲沟相连；在衬砌的伸缩缝、沉降缝、断面变化处设置竖向盲沟。③围岩排水钻孔。在衬砌背后的岩体内布置一排或多排钻孔，使之形成一个或多个集渗幕，用以疏干围岩。它不必拆除旧衬砌，可利用辅助坑道或把避车洞延伸而将集渗幕设在岩体内。一般用于Ⅴ级以上围岩较好，如用于Ⅴ级以下围岩，宜在孔内设过滤器，以防塌孔或淤塞。④纵向排水沟。一般设在隧道两侧或地下水来源侧，也可设在隧道中心。⑤横向排水沟。当隧道纵向排水沟只设在一侧或位于中心时，需用横向排水沟作导引排水，即将盲沟汇集的水引入纵向排水沟排出。
在衬砌内面设置排水设施，其主要优点是可以不开凿衬砌，工程量小，施工简单；缺点是不易对准地下水露头位置，疏干围岩范围小，在冬季发生冰冻的地段不能采用。在衬砌内面设置排水设施的主要形式如下。①引水管。主要用于衬砌湿痕或背后积水较高位置的引水，一般采用铁管、胶管、硬塑管和竹管，并将其固定在拱墙内表面。②泄水孔。主要作用是排出衬砌背后的积水，将水引入洞内排水沟。泄水孔位一般不高于水沟盖板或人行道，否则应作引水管或引水暗槽。③引水暗槽。衬砌凿出小槽，表面用砂浆封闭，将多个泄水孔的水引入一个槽中排入水沟内。暗槽以竖槽为主，不得采用纵向水平的暗槽。
（3）衬砌自防水。
衬砌自防水是以衬砌结构本身的混凝土密实性实现防水功能的一种防水方法，该方法造价低，工序简单，施工方便。
混凝土是一种微孔结构材料，其中的部分开放式毛细孔、各种裂隙及混凝土自身收缩形成的开裂是造成渗漏水的主要原因。防水混凝土是通过加入少量外加剂或高分子聚合物材料，并通过调整水泥、砂、石及水的配合比，抑制混凝土孔隙率，改善孔结构，增加原材料界面的密实性，达到防水的目的。防水混凝土除用于防水外，更主要的是防渗。
防水混凝土衬砌施工前应控制好地下水位，要保持地下水位在施工底面最低标高以下不小于300 mm，以避免在带泥浆或带水的情况下施工，保证施工质量。
（4）外贴防水层。
对新建隧道或更换衬砌的运营隧道，可施作外贴防水层，结合洞内排水设施，该法可获得良好的防治水害效果。外贴防水层的主要做法是贴涂法，即直接在衬砌外围粘或喷涂防水层，以保护衬砌，使衬砌圬工不充水、不漏水。主要材料有防水卷材和防水涂料两种。
（5）内贴防水层。
内贴防水层不用凿开衬砌，比外贴防水层施工简便，成本低，可随时检修，因此在运营隧道养护维修中，是最常用的整治水害方法之一。
①喷浆防水层。在一定压力下用机械把水泥砂浆直接喷射到衬砌内表面成型，既可作为结构层缺陷修补，又可以防水，特别是在外贴防水卷材或使用防水混凝土等措施效果都不太理想时，作为一种补救措施，应用比较多。防水层总厚度为12～40mm，最大不宜超过50mm，砂浆配合比一般为1∶1～1∶3（质量比），水灰比为0.5～0.6，并适当掺入防水剂和速凝剂，以提高抗渗性和固结强度。
防水砂浆一般分两层喷射，施工完后要注意保护，特别是早期养护。为了防止防水砂浆中的水分蒸发，保证水泥达到充分水化的要求，应每天都均匀养护，只有在潮湿环境下认真养护3d以上，才能达到防水抗渗的目的。
施工时应保证原材料质量，严格按配合比施工，施工温度应不低于5℃，不高于35℃，低温施工时应采取保温防冻措施。水泥砂浆防水层应与基层黏结牢固，不得有裂缝、空鼓和渗漏水等缺陷存在。
②喷射混凝土防水层。由于喷射混凝土的水泥用量大，水灰比小，并采用较小尺寸的粗集料，有利于在粗集料周边形成足够数量和良好质量的砂浆包裹层；粗集料彼此隔离，有助于阻隔沿粗集料互相连通的渗水孔网，还可以减少混凝土中多余水分蒸发后形成的毛细孔渗水通路，因而有较好的抗渗性，其抗渗指标一般在0.7 MPa以上。
喷射混凝土用水泥强度等级一般不低于42.5级，砂宜用中粗砂，细度模数大于2.5，直径小于0.075mm的颗粒不多于2.0%，石子宜用卵石，粒径不宜大于20mm，水泥与集料比（胶集比）为1∶4～1∶4.5，砂率（砂子在整个粗细集料中所占百分率）为45%～55%，水灰比为0.4～0.5。混凝土防水层的施工要求基本与防水砂浆防水层的施工要求相同。
③砂浆抹面防水层。目前主要是采用特种水泥（双快、早强水泥）抹面。将渗、漏水处的基层凿毛清洗干净，处理好堵漏点与引导出水点，然后进行水泥浆抹面，其厚度为2～3m，水灰比为0.38～0.4，初凝时间控制在10～20min。接近初凝时，在其面上洒一些中细砂，达到一定强度后抹砂浆层，其配合比为1∶1.2～1.5，水灰比为0.4～0.45，厚度为6～10mm。接近硬化时用排刷拉出细条，终凝后在其面上刷上一层水泥净浆，厚度为0.5～1.0mm，然后再抹上5～6 mm厚砂浆层，其配合比为1∶1.2～1.5，水灰比为0.4～0.45。在初凝前必须在其面上多次抹磨，挤出砂浆中的泥浆，反复2～3次，使其表面光滑。硬化后加强养护，一般不少于3d。
④喷涂乳化沥青乳胶防水层。采用该材料施工时，应用专用工具及压力设备进行喷射，其施工顺序为：由上而下，先喷涂拱顶，后喷涂墙脚，喷涂进行方向应逆风而行。喷嘴与喷射面的距离一般为50～120cm，喷射压力为0.2～0.3 MPa。
（6）压注浆液。
压注法就是用压力把某些能固化的浆液注入隧道围岩及衬砌混凝土的裂缝或孔隙，以改善其物理力学性能，达到防渗、堵漏和加固的目的。目前隧道采用的注浆材料较多，主要有水泥浆材和化学浆材。水玻璃类浆材由于其溶解性，现在已很少使用。
水泥类浆材主要包括纯水泥浆和水泥黏土浆两大类。它们主要是由水泥、水及各种外加剂组成。水泥可根据工程选用各种性质的水泥，水一般采用生活用水，为改善水泥浆的性质，以适应不同的自然条件，可掺入各种外加剂，如速凝剂、缓凝剂、引气剂、膨胀剂等。水泥类浆材的优点是能形成强度较大和渗透性较小的结石，防渗效果较好，而且原材料成本低、材源广，没有毒性和环境污染问题；缺点是浆液稳定性差，析水性大，凝结时间长，当地下水流速较大时易受冲刷和稀释。
化学浆材品种较多，主要有环氧树脂类、中基丙烯酸酯类、丙烯酰胺类、木质素类等。化学浆材的特点是可注性好，适应广泛，胶凝时间可准确掌握，抗渗性较好；但其成本一般较高，施工技术要求高，设备复杂，部分浆材有一定毒性。目前常用的压浆材料有水溶性聚氨酯、超细早强水泥和丙凝。
对新建隧道和改建隧道，围岩破碎、软弱、地下水发育的地段，可结合隧道施工，进行围岩预注浆加固防水。目前采用的方法大多为超前小导管注浆，一般采用长6 m左右的φ42的无缝钢管，管壁上钻有梅花形小孔，注浆压力0.5～1.0 MPa，管间距离大于0.6倍浆液扩散半径。对浅埋、超浅埋段，也有用地表注浆的，其做法是，从地表钻孔注浆，通过控制注浆段长度，对隧道周围部分围岩进行注浆，其材料、孔位布置与洞内相同，压力可按实际情况通过实验确定。
既有线隧道，当隧道围岩破碎、节理发育、地下水丰富时，也可进行注浆防水。此时应先对衬砌混凝土质量进行调查，若衬砌破坏严重，则应先对其进行加固，使其能够抵抗注浆压力。一般做法是对大范围的渗水采用浅孔密布；对裂隙渗漏采用深孔疏布；对大股涌水宜在上游设孔。孔深一般深入围岩且大于20cm，孔径42mm。
（7）施工缝、变形缝防水。
对新建或更换衬砌的隧道，变形缝、施工缝的防水可随混凝土灌筑同时施工，采用的主要材料如下。①止水带，分为塑料止水带、橡胶止水带、复合止水带等，其中塑料止水带耐久性好，橡胶止水带弹性、耐磨性、耐撕裂性较好，但硬度、强度较差。②遇水膨胀橡胶，主要有制品型和腻子型两种，其特点是具有橡胶的弹性、延伸性和抗压缩变形能力，遇水后膨胀率为100%～500%，耐水性好，膨胀后仍能保持弹性。③各种密封材料。主要是改性沥青密封材料和合成高分子密封材料。
对于运营隧道整治接缝漏水，一是可以根据不同情况采用以上材料重新施作接缝的防水，二是做接缝压浆或衬砌堵漏处理。
2.衬砌漏水的封堵
对某些隧道衬砌的渗漏水，除采用排水措施外，还可以用堵漏材料进行封堵。所谓堵漏材料就是一种能在几十秒或数分钟即开始初凝的材料。堵漏材料品种繁多，常用的有无机高效防水粉和水泥类堵漏材料。前者是一种硬性无机胶凝材料，主要有堵漏王、堵漏停、堵漏灵、确保时等，其终凝时间为2.5～6h，其特点是无毒、无味、无污染、耐高温、抗低寒，可在潮湿结构上施工，并有较好的黏结性。后者主要有双快水泥、石膏-水泥材料和水泥-防水浆等堵漏材料。目前堵漏材料采用较多的是双快水泥和堵漏王等。
3.截水设施
截水就是截断流向隧道的水源，或尽可能使其流量减小，从而使隧道围岩的水得不到及时补充，达到疏干围岩、根治水害的目的。
地表截水就是在地表截断流向隧道围岩的水，主要措施如下。对洞顶的积水洼地，宜开沟疏导引流。对洞顶以上的水工隧道、水库、稻田、输水渠等造成的隧道漏水，要做防渗处理。对施工及地质勘测留下的钻孔、坑道、洞穴，要做好排水处理或封填。对断层破碎带、陷穴、漏斗等，如有较大的径流进入，宜作截水沟或回填，当无明径流，但却影响隧道漏水时，应采取封闭措施（换填、注浆等）。
当隧道衬砌周围地下水有明显的集中来水通路，导致地下水流量很大时，可采取如下地下截水设施截断水源。①泄水洞。一般设在来水侧且其最高水位低于正洞水沟底，纵向坡不小于3%，设置泄水洞的围岩渗透系数不小于10m3/d。②钻孔截水。对有平导的长大隧道，利用平导和横洞，根据围岩的地下水分布和地质条件，打截水钻孔，其位置伸入正洞墙脚之上的围岩中，以减少向正洞衬砌周围汇集的水量，钻孔的集水利用平导排出。③拦截暗河。对靠近隧道的暗河或充水的溶洞，可通过堵塞等改变其流向。④防渗帷幕截水。当隧道与岩层平行或斜交，通过流沙和易浸析失稳地层，或围岩裂隙发达，且透水性强时，可在隧道周围岩体内钻孔压浆形成防渗帷幕，使衬砌与地下水隔离。当为浅埋时，可在地表作防渗帷幕。
总之，隧道的水害治理是一个完整的治水系统，要防、排、堵、截相结合，不能只强调其中一方面。如果只排不堵，就可能造成地表的水塘、水库、农田等排干，影响附近居民的生产和生活；如果只堵不排，就会使衬砌周围的水无路可走，越积越多，最终导致隧道破坏。只有防、排、截、堵互相配合，相辅相成，共同发挥作用，才有可能根治水害。