隧道衬砌结构水作用概述

马为功

摘 要：隧道工程中经常涉及地下水作用，隧道涌水量的计算以及衬砌上的外水压力的确定都是重要问题，较准确地预测最大涌水量，可以在施工阶段和运营阶段较好的设置排水设施，以减小水对隧道结构和运营功能的破坏。

关键词：隧道排水；涌水量；渗透系数

中图分类号： U448.21 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）05-69-2

0 引言

近年来，随着我国大规模的基础设施建设，特别是对高速铁路、高速公路的建设，修建了不少的隧道结构。通常情况下施工中或运营后的隧道结构物都是被地下水所包围的。由于地下水的作用，往往引起隧道衬砌的开裂、渗水，地表的塌陷等一系列的问题，且隧道埋深越深其水位就越高，引起的水压力也就越大。如何处理地下水是现阶段山岭隧道设计施工中决的首要问题。我国隧道建设者长期以来奉行的都是“以排为主”的理念，但长期的以排为主就会造成破坏原有地下水平衡，引起水位下降，从人发生地表沉降变形，严重破坏生态环境。但是如果采取城市地铁施工的全封堵方案也是行不通的，特别是高水位地区修建隧道时，将会使衬砌承受巨大的水压力，但是也不能一概采取“以排为主”的原则。笔者认为山岭隧道在高水位区采用堵排结合，以限排为主的隧道修建措施将会有利于隧道本身的结构安全，又不破坏生态环境。

1 隧道涌水情况

一般来说，地下水有深层构造裂隙水（存在深层水循环的情况）和岩溶地下水（突发性涌水情况），同时，隧道地区地下水分为：浅层风化裂隙水和下部构造裂隙水。前者在40-50m范围内，水交替作用强烈；后者大多在500m以上范围内，交替作用缓慢。深埋隧道的涌水来自后者（包括渗出、滴流、股流及大范围突水等不同形式），开挖后地下水活动影响范围尽局限于一定范围，而不是整个地下水，实质是深层地下水在起作用。

而关于隧道涌水量预测，包括理论解析法、经验解析法和水文地质数值模拟法。针对隧道（尤其是特长大埋深隧道） 岩体的水力学特性，解决好隧道结构在围岩压力与水压力双重应力环境下的涌水量问题，是目前隧道建设者需面对的重要课题。其理论解析法在《渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的预测研究》（黄涛与杨立中编著）中有较详细的介绍。目前大部分隧道建设都采用经验解析法，即通过水力学理论结合工程经验给出相關经验公式。下文列举出的经验解析公式主要摘自于《铁路供水水文地质勘测规范》和《铁路工程水文地质勘测规范》。（图1，图2）

①初始最大涌水量q0。

q0=2πK

经验公式：q0=0.0255+1.9224KH

式中，q0——隧道单位长度预测最大涌水量（m3/d）；

K——隧道围岩体的渗透系数（m/d）；

H——初始水位至隧道底的高度（m）；

r0——隧道横断面的转换圆半径（m）；

d——隧道横断面的转换圆直径（m）；

m——相关系数，通常取0.86。

②长期涌水量q2

经验公式：q2=KH（0.676-0.06K）

式中各符号意义同前[3]（在这里的计算中，实际上只有考虑了衬砌和注浆的作用，才在我们的实际中有现实意义）。

③递减涌水量q1

隧道施工初期最大涌水量随着开挖时间的延续及水压的逐步减小将逐渐减小，自最大涌水量至长期涌水量q2的减小量称为递减涌水量q，其计算采用佐藤邦明公式：

q1=q0-···Kr0

式中：——试验系数，通常取12.8；

t——从t0至t2递减时间（d）；

λ——岩体裂隙率；

B——洞身宽度（不含衬砌）。

2 岩体的渗透系数

通过计算公式不难看出，渗流计算分析中岩体的渗透系数K正确取用是非常关键的。数字计算或模拟试验的精度再高，其参数选用不当也将导致计算结果的偏差很大，从而使确定的渗流控制方案不适用或过于浪费。目前计算机的精度很高，但选用参数的误差往往在数量级上，这种计算中的参数失调问题急需解决。岩体的渗透系数K与围岩的渗透性与其完整性有密切的关系，土类的渗透系数，由粗砾到粘土随着土粒的减小在很大范围内变化且随着其紧密度而减小，至于岩石的渗透系数主要取决于岩体的裂隙及风化破碎程度，岩石块本身的渗透性很小，常在现场用压水试验来确定，有关文献将围岩的渗透性进行了分级，见表1。同时，围岩所承受的压力的大小对渗透系数也有一定的影响。

得到沿裂隙系统各主方向k值，便可以结合场的边界条件求解多孔介质的各向异性渗流方程式，在二向稳定流问题上，即求解：

（kx）+（kz）=0

上述连续介质计算模型，计算结果基本稳定，但如果断面上有裂隙数量密集时应按照连续介质考虑，而如果裂隙间距与渗流边界尺寸相比大于1/50时应按不连续介质考虑等。以上两种情况下应采用的计算模型是有区别的。

目前隧道设计者主要用现场测试法和裂隙采样测量法。现场试验法试验准确度高，成本也较高，包括单孔压水试验、三段压水试验、三孔交叉压水试验等，即根据野外压水试验来确定围岩体渗透系数；裂隙采样测量法有测线法和测网法，在李亮辉的硕士论文《裂隙岩体隧道渗流场分析与防排水技术研究》中有较详细的介绍。

3 结论

总结性的介绍了隧道所处的水环境及涌水的概念，并较详尽说明了涌水量的计算，综合上述研究成果可以看出，在涌水量计算方面还存在不少问题有待进一步研究。

①涌水量的计算目前大都采用经验计算法，在其精度方面有待于进一步的提高。

②通过较准确的预测最大涌水量，递减涌水量，经常涌水量，可以在施工阶段和运营阶段较好的设置排水设施，以减小水对隧道结构和运营功能的破坏。

③隧道渗流分析中根据围岩裂隙的分布情况需要选用不同的计算模型，当裂隙体密集且其分布纵横交错的情况，按照连续介质计算是较为合理的；但隧道中地质条件、水文条件都十分复杂，当遇到溶洞、大的裂隙等，还需要用到管道流理论和裂隙流理论，有待于进一步研究。

④通过注浆加固圈可以有效减少衬砌上的外水压力，但各层分担水压力的大小和规律则需要通过其他方式来验证，同时在衬砌周围渗流场或水压力的分布规律以及围岩内的渗流场还要进一步分析。

⑤裂隙采样测量法在隧道工程中有较好的实用性，如何通过该方法更加准确的确定岩石的渗透系数可为涌水计算的重中之重，更是以后研究的重点。

参 考 文 献

[1] 关宝树.隧道工程设计要点集，要点六[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 张有天，张武功，王语.再论隧洞水荷载的静力计算[J].水利学报，1985（3）.

[3] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：水利水电出版社，2003.

[4] 董国贤.水下公路隧道[M].北京：人民交通出版社，1984.

[5] 关宝树，译.青函隧道土压研究报告—第八章隧道衬砌上的压力[J].隧道译丛，1980（10）：38-50.

[6] 仵彦卿.岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型[J].地质灾害与环境保护，1996（1）：31-34.

[7] 谢兴华，盛金昌，速宝玉，等.隧道外水压力确定的渗流分析方法及排水方案比较[J].岩石力学与工程学报，2002，21（增2）：2375-2378.

[8] 陈崇希，刘文波，彭涛.确定隧洞外水压力的地下水流模型[J].水文地质工程地质，2005（5）：62-65.

[9] 张学易，潘玉华.水工建筑物地下结构的外水压力[Z].“水工建筑物荷载设计规范”专题.