山岭隧道地下水压力计算与数值分析

山岭隧道地下水压力计算与数值分析

孙腾 ,朱刘源 ,周文博 ,刘子一 ,吕成彪

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摘要：随着路网向山区的拓展，线路标准的提升，特别是高速铁路和高速公路大规模的修建，需要修建大量的“深”、“长”、“大”山岭隧道及江、河、海底隧道。在山岭隧道的修建过程中，经常会遇到地质条件复杂的地层，有时须穿越高水压富水地区，如渝怀铁路圆梁山隧道、锦屏输水隧洞。在水下隧道修建过程中，地下水问题更是突出，如日本青函隧道、英法海底铁路隧道、厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道。本文将对隧道衬砌水压力荷载进行讨论。

关键词：隧道；压力；荷载

1衬砌水压力问题

1.1隧道规范对水压力的考虑

国内较早提出衬砌水压力荷载问题的主要集中在水工隧洞界，相比水工部门而言，交通部门对隧道水荷载问题认识水平和研究深度均存在明显的差距。随着人们对地下水与隧址周边生态环境密切相关的认识不断深入，对隧道工程中地下水处治原则进行了深入的思考，在渝怀铁路的建设中，铁道部第二勘察设计院提出隧道地下水处治的“限量排放”新理念。至此，隧道工程水压力荷载问题也就完全凸现出来了。

在隧道设计中，各种规范对水压力荷载计算的规定有所不同：

（1）地铁设计规范（GB50157-2003）

用盾构法修建的地铁隧道采用全堵方式，通过衬砌管片接头处的密封装置，将地下水完全封堵在衬砌背后。

（2）铁路隧道设计规范（TB10003-2001）

用矿山法修建的山岭隧道采用排导方式，通常通过设置在衬砌背后的透水垫层、盲沟或排水管等将围岩中的地下水引到设置在衬砌墙脚的出水口排出。

（3）公路隧道设计规范（JTGD70-2004）

该规范提到“当隧道位于常水位以下，又不宜排泄时，隧道衬砌应该采用抗水压衬砌。隧道防排水应遵循‘防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理’的原则”，但对如何考虑衬砌水压力没有给出明确的方法。

1.2水压力计算方法

目前，隧道衬砌水压力的计算方法主要可以归纳成以下3个方面。

1.2.1折減系数法

所谓水压力折减系数，就是指作用在衬砌上的外水压力水头与地下水位线相对于隧道中心的高度之比。目前，水压力折减系数法主要可以分3种类型：

（1）只考虑围岩渗透性的单一因素，如围岩渗透系数、岩溶发育程度等。

主要出现在水工隧洞界，只适用于混凝土衬砌渗透系数为常数的情形，例如水工隧道，而不适用于设置防水板的公路、铁路隧道。

（2）考虑围岩渗透性与衬砌轮廓受力特征，如考虑围岩渗透性与所谓“衬砌轮廓受水面积”等。

（3）综合考虑各种影响水压力因素，主要包括围岩、衬砌渗透性及隧道尺寸、作用水头等因素。

1.2.2理论研究方法

在国内，王建宇通过轴对称解，推导了各向同性、均质介质在稳定流条件下衬砌背后的围岩孔隙水压力和作用在衬砌范围内的渗流力，并通过对衬砌渗流力的积分得出衬砌范围内渗流力的合力在量值上同衬砌背后的围岩孔隙水压相当。

在国外，日本学者在青函隧道衬砌水压力计算时视围岩为均质、各向同性的弹塑性体，其中作用的初始应力视为静水压力状态，运用Darcy定律推导出了作用在隧道衬砌及注浆加固圈区域内的孔隙水压力。

1.2.3数值分析方法

数值分析方法是研究水压力的有效方法之一。在国内，王建秀等提出了解析-数值法，该方法认为对于深埋隧道，当其断面远小于水头时，可以处理为一个点井，通过建立隧道排水的水文地质概念模型，采用经验解析法预测隧道的涌水量，然后将涌水量代入隧道围岩渗流的剖面二维模型，模拟隧道排水时围岩渗流场的分布，然后再采用折减系数的方法得出隧道衬砌的外水压力。

2水荷载下围岩及衬砌受力状态

随着高水头富水隧道及水下隧道的增多，水荷载下隧道围岩及衬砌的稳定性问题越来越突出。由于外水压的作用，在衬砌边墙、仰拱隅角和仰拱处存在明显的应（内）力集中和突变现象，会使隧道安全度降低。隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界，由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、位移，从围岩-支护结构共同作用原理考虑，进行隧道支护结构设计时是应该考虑渗流效应的。围岩与衬砌的力学响应主要受衬砌与围岩的相对渗透性影响，对围岩预注浆是减小它们相互作用的有效措施。

地下水对衬砌的作用一般认为是作用在其外缘上的边界荷载，但随着隧道设计理论的发展，对地下水的作用也有了新的认识。实际上，在一般情况下，隧道外水荷载以体积力的形式作用于地下水位以下的整个空间（包括围岩与衬砌），也就是我们常说的渗流力。

根据对地下水处治方法的不同，修建于地下水位线以下的隧道通常可以分为“全堵型”、“排水型”两种。在“全堵型”隧道中，衬砌完全不透水，作用在衬砌上的水压力为静水压力，确实是一种表面力；而对于“排水型”隧道，围岩和衬砌都是透水的，地下水是流动的，作用在衬砌上的水压力为渗流力，是一种体积力。王建宇通过对圆形隧道衬砌范围内渗流力的分析，论证了衬砌中渗流力的作用也可以近似地用作用在衬砌和围岩界面上的表面力来表示，其量值可取为衬砌背后围岩中的孔隙水压力，这样隧道水压力计算模型可以简化为“荷载—结构”模型，从而方便设计人员使用。当然，渗流力对围岩的作用仍然用体积力表示。

3高水头隧道地下水处治原则——“堵水限排”

隧道工程中对地下水的处治方式有“排导型”和“全封堵型”两种。高水头富水区隧道与浅埋低水头隧道不同。对于高水头深埋隧道，显然不能采用全封堵的衬砌结构来保护地下水，若采用全封堵防水衬砌，由于水壓力不可折减，会使衬砌承受极大的水压力荷载。但是也不能让其自由排放（或称“以排为主”），因为地下水自由排放会对隧道周边的生态环境造成不利影响，且这种处治地下水的方法有悖于生态环境保护的原则，同现代隧道设计理念极不相容。

因此，对高水头富水区隧道的地下水处治设计一方面要限制地下水的排放，另一方面还要尽量降低作用在衬砌结构上的水压力荷载。通过对围岩注浆可以有效限制地下水排放，达到“堵水限排”的目的，“堵”是为了控制地下水的排放量，“排”则是为了降低作用在隧道衬砌压力。

采用“堵水限排”的防排水设计原则，能够以较小的排水量显著降低作用在衬砌上的外水压力，从而使隧道结构设计更加经济。采用“堵水限排”的隧道防排水系统，需要确定注浆圈的厚度及渗透系数等参数值，这些参数不仅与地下水水头大小有关，还与地层渗透系数和地下水排放量控制标准有关，若达不到设计要求，注浆圈将无法有效地控制渗透到隧道衬砌背后的地下水量，当衬砌背后的地下水量超过衬砌的排水能力时，将导致衬砌外水压力上升，最终对隧道结构安全不利。另外，保证衬砌中设置的排导系统的畅通性是很重要的。

只有当隧道排水系统具备了将渗透到衬砌背后的地下水全部排出的能力时，才能完全消除作用在衬砌上的外水压力，否则，衬砌上的外水压力在隧道结构设计时不能被忽略。

由于隧道处于复杂的地质环境之中，排水系统随着时间的推移可能产生堵塞而降低排水能力，从而降低隧道的排水率，导致作用在衬砌上的外水压力上升，对隧道结构安全产生不利影响。因此，在进行隧道排水系统设计时须考虑它的可维修性，并考虑衬砌可以承受一定的水荷载，以承担因排水系统不畅而产生的外水压力，避免因衬砌外水压力升高而导致隧道结构的破坏。

参考文献

[1]郑波.隧道衬砌水压力荷载的实用化计算研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2021.

[2]王建宇.对我国隧道工程中2个问题的思考[J].铁道建筑技术，2020，（4）：1-4.

[3]高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D].成都：西南交通大学，2020