李蒼松，谷 婷，丁建芳

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 611731)

0 引言

眾所周知，隧道施工地下水問題是與隧道工程伴生的，并伴隨著隧道工程施工的整個過程。如何經(jīng)濟、合理地處理好地下水問題，是隧道工程界一直探討且始終存在的一個難題。多年來，眾多專家、學(xué)者在此方面曾做過大量研究工作，取得了不少成果。其中，地下水對隧道(洞)的荷載作用是隧道(洞)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，盡管對這一問題的爭論延續(xù)了幾十年，但迄今仍然眾說紛紜，莫衷一是，甚至在概念上還含混不清［1］。由于缺乏系統(tǒng)、可靠的實測數(shù)據(jù)和深入的理論分析，對地下水作用的認(rèn)識仍未達成共識。

隨著我國路網(wǎng)建設(shè)的進一步發(fā)展，特別是西南地區(qū)，不可避免地會出現(xiàn)越來越多的穿越高水位富水地區(qū)的長大隧道。隧道工程建設(shè)適應(yīng)環(huán)境保護的要求不斷發(fā)生變化，隧道設(shè)計理念不斷更新，隧道所采用的防排水措施不同，也直接影響著隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。因此，如何正確合理地進行高水位富水隧道設(shè)計是目前隧道設(shè)計中值得深入研究的課題。

1 現(xiàn)有隧道規(guī)范對地下水的處理措施

不同部門在不同時期和社會經(jīng)濟條件下，提出了不同規(guī)范和不同的地下水處理措施［2－11］，見表1。

我國對高壓富水地層中的隧道設(shè)計理念主要經(jīng)歷了3次大的轉(zhuǎn)變［12］(見圖1)，其表現(xiàn)為更多地考慮了環(huán)境保護理念，并根據(jù)隧道工程結(jié)構(gòu)與地下水本身規(guī)律之間的相互作用，采取適合于環(huán)境的防排水措施及隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計。盡管目前各部門規(guī)范對地下水處治的設(shè)計還不完全一致，但基本趨向是在不影響環(huán)境的情況下因地制宜、綜合治理。

表1 現(xiàn)行及已有隧道規(guī)范對地下水的處理措施對比表Table 1 Ground water treatment measures specified in different tunneling standards

圖1 富水隧道設(shè)計理念轉(zhuǎn)變示意圖Fig.1 Transition of design concepts of water-rich tunnels

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

針對隧道襯砌水壓力荷載問題，國內(nèi)眾多專家、學(xué)者曾開展大量研究工作，取得了不少研究成果。

國內(nèi)較早提出水荷載問題的主要集中在水工隧洞工程界［13－16］。文獻［13－14］認(rèn)為水荷載是水工荷載的主要荷載，決定著襯砌的型式和尺寸，并提出水荷載作用下隧洞應(yīng)力分析的3條原則。文獻［15－16］對隧道水荷載計算問題進行了相關(guān)研究。文獻［1］對“隧洞及壓力管道設(shè)計中的外水壓力修正系數(shù)”進行了進一步討論。由于實際施工中外壓力折減系數(shù)不恒小于1，建議定義為外水壓力修正系數(shù)。

總體上看，對于外水壓力能否折減仍存在一定的爭議，對其影響因素的分析也不盡相同，而且僅僅注重單一排放的條件，目前研究的方法多集中于理論公式推導(dǎo)與數(shù)值模擬方面［17］。其中最重要的一點分歧在于:隧道工程專家更強調(diào)隧道的工程結(jié)構(gòu)，將地下水作為外荷載來進行考慮，對地下水所依附的復(fù)雜巖體裂隙系統(tǒng)以及地下水運動的特殊規(guī)律考慮較少;水文地質(zhì)或環(huán)境水文地質(zhì)專家對地下水的運移規(guī)律及含水層的滲透特性考慮較多，對地下水作用于隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)分析較少，且多偏重于理論分析，致使隧道專家在設(shè)計時很難把握隧道結(jié)構(gòu)周邊地下水的初始條件和邊界條件。

隧道工程界，文獻［18－20］對隧道地下水防治做了深入的探討。針對鐵路長大隧道的“水荷載—隧道結(jié)構(gòu)”問題，王建宇做了大量的研究工作［21－24］。文獻［21］從地下水資源保護和生態(tài)環(huán)境出發(fā)，針對水壓力計算和施工質(zhì)量控制等關(guān)鍵問題提出了建議，并在文獻［22－24］中對隧道襯砌水壓力進行了更深入的討論和研究。

隨著人們對地下水與隧址周邊生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的認(rèn)識不斷深入，“限量排放”、“以堵為主”“控制排放”等新的隧道防排水原則逐漸得到廣泛應(yīng)用［25－26］。

歸結(jié)起來，隧道水壓力的計算方法主要有4大類:折減系數(shù)法、理論解析方法、解析—數(shù)值方法、滲流理論分析方法和水文地球化學(xué)方法。其中，討論最多的是折減系數(shù)法，該方法在水工隧洞設(shè)計規(guī)范中有明確規(guī)定。以往對公路、鐵路隧道襯砌所受水壓力沒有給予足夠的重視，因此，遇到類似問題時，多數(shù)還是通過借用水工隧道設(shè)計規(guī)范的有關(guān)經(jīng)驗和規(guī)定。但在水工隧道規(guī)范中的折減系數(shù)并沒有考慮襯砌滲透性對折減系數(shù)的影響，所以其適用性在公路、鐵路隧道中受到了極大的限制。雖然眾多文獻均對水壓力折減系數(shù)進行了深入探討，但最終現(xiàn)狀是眾說紛紜，仍以經(jīng)驗為主，難以確定有效系數(shù)。

3 國外研究現(xiàn)狀

國外對隧道地下水處治的做法也很不統(tǒng)一。ITA(國際隧道協(xié)會)于1991年專門對隧道中水的問題編寫報告，將水作用在隧道上的破壞效應(yīng)分成3類:external effects，structure effects和 function effects，但對第1類涉及并不多，并指出它將是未來的研究任務(wù)［27］。而挪威海底隧道經(jīng)驗［28］認(rèn)為:完全避免滲水是不可能的也是不必要的，主要的工作是降低滲水達到可接受水平(滲水上限為300 L/(km·min))，并指出采用預(yù)灌漿的方法來控制滲流。

國外對外水壓力折減問題的認(rèn)識也不相同。如挪威不考慮襯砌承受外水壓力。A.Bobet等人的研究表明，不論排放與否，襯砌的應(yīng)力并不改變，只是周圍地層受到影響。與此同時，日本、韓國和美國在實施水下和城市地下結(jié)構(gòu)時，指出需根據(jù)地層的實際條件考慮水壓的折減。

國外對外水壓力折減系數(shù)的取值也極不統(tǒng)一，大體有以下3種情況:

1)根據(jù)不同工程統(tǒng)計，折減系數(shù)為0.15～0.9，澳大利亞、美國及日本有時采用此值。

2)折減系數(shù)等于1。美國及法國常用此值。

3)可能最大水頭值。美國、加拿大及巴西等國，常將隧道襯砌所承受的靜水頭計算到地表面。

4 存在的問題

綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，主要存在以下問題。

1)在山嶺深埋隧道中，對支護結(jié)構(gòu)、圍巖與周圍地質(zhì)環(huán)境(包括地下水)相互作用規(guī)律認(rèn)識不夠，尚未達成共識。

2)隧道工程師和水文地質(zhì)專家在地下水對隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用問題上存在一定程度的理論脫節(jié)現(xiàn)象，需對此問題從概念和方法上進行深入研究。

3)目前隧道水荷載計算方法的實用性較差，難以直接用于隧道設(shè)計。

5 結(jié)論與建議

鑒于地下水壓力對支護結(jié)構(gòu)的影響認(rèn)識不一致，對隧道地下水作用的認(rèn)識仍未達成共識的現(xiàn)狀，尚需進一步在基礎(chǔ)理論上深入開展隧道水壓力的研究，以便達成共識，為高壓富水隧道設(shè)計提供理論依據(jù)。

建議從以下2方面開展研究:

1)隧道施工對圍巖滲流場的影響研究。包括圍巖初始滲流場研究、隧道開挖和支護引起的地下水滲流變化過程研究等。

2)隧道結(jié)構(gòu)水荷載設(shè)計方法研究。包括隧道結(jié)構(gòu)水荷載的物理模型試驗和數(shù)學(xué)模型研究，地下水排放方式及排放流量與水荷載之間的相關(guān)關(guān)系研究，不同防排水模式下隧道水荷載的計算模式，隧道地下水處治的理念和方式等。

［1］ 張有天.隧洞及壓力管道設(shè)計中的外水壓力修正系數(shù)［J］.水力發(fā)電，1996(12):30 － 34，71.(ZHANG Youtian.Correction factor of external water pressure in design of tunnel and penstock［J］.Water Power，1996(12):30 － 34，71.(in Chinese))

［2］ TBJ 3—96 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，1996.

［3］ TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］ TBJ 108—92 鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，1992.

［5］ TB 10108—200 鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則［S］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［6］ TBJ 026—90 公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1990.

［7］ JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［8］ GB 50157—92 地下鐵道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，1992.

［9］ GB 50157—200 地下鐵道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［10］ SD 134—84 水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，1984.

［11］ DLT 5195—2004 水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［12］ 付鋼，王磊.高壓富水地層中隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方法探討［J］.地下空間與工程學(xué)報，2007，3(2):252－257.(FU Gang，WANG Lei.Study on design method of lining structure of the highway tunnel in deep-lying stratum with high water level［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(2):252 －257.(in Chinese))

［13］ 張有天，張武功.隧洞水荷載的靜力計算［J］.水利學(xué)報，1980(3):52 － 62.(ZHANG Youtian，ZHANG Wugong.Static calculation of water load acting on tunnels［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1980(3):52 －62.(in Chinese))

［14］ 張有天，張武功，王鐳.再論隧洞水荷載靜力計算［J］.水利學(xué)報，1985(3):22 －32.(ZHANG Youtian，ZHANG Wugong，WANG Lei.Further study on static calculation of water load acting on tunnels［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1985(3):22 －32.(in Chinese))

［15］ 周太開，張有天.關(guān)于水工隧洞結(jié)構(gòu)計算若干問題的商榷［J］.水力發(fā)電，1980(5):50－54.

［16］ 潘家錚.壩體有限元分析中的水荷載問題［J］.水力發(fā)電，1984(3):21－26.

［17］ 王鐳，劉中，張有天.有排水孔幕的滲流場分析［J］.水利學(xué)報，1992(4):15 － 20.(WANG Lei，LIU Zhong，ZHANG Youtian.Analysis of seepage field near a drainage-holes curtain［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1992(4):15 －20.(in Chinese))

［18］ 王效良.浸水地層隧道荷重的計算［J］.鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計通訊，1962(Z2):58 － 59.(WANG Xiaoliang.Load calculations in soaking ground tunnel［J］.Railway Standard Design，1962(Z2):58 －59.(in Chinese))

［19］ 張祉道.山嶺隧道地下水處理及結(jié)構(gòu)設(shè)計探討［J］.鐵道工程學(xué)報，1995，45(1):103 －111.(ZHANG Zhidao.Discussion on underground water treatment and structure design of mountain tunnels［J］.Journal of Railway Engineering Society，1995，45(1):103 －111.(in Chinese))

［20］ 周書明.淺談隧道工程地下水的計算［J］.鐵道工程學(xué)報，2000，66(2):69 －72.(ZHOU Shuming.Discussion on calculation of underground water in tunnel engineering works［J］.Journal of Railway Engineering Society，2000，66(2):69 －72.(in Chinese))

［21］ 王建宇，胡元芳.對巖石隧道襯砌結(jié)構(gòu)防水問題的討論［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38(1):20 － 25.(WANG Jianyu，HU Yuanfang.Discussion on waterproofing in tunneling［J］.Modern Tunnelling Technology，2001，38(1):20 －25.(in Chinese))

［22］ 王建宇.再談隧道襯砌水壓力［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2000，40(3):5 － 10.(WANG Jianyu.Once more on hydraulic pressure upon lining［J］.Modern Tunnelling Technology，2000，40(3):5 －10.(in Chinese))

［23］ 王建宇.對隧道襯砌水壓力荷載的討論［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(S):67 －73.(WANG Jianyu.Discussion of water pressure load on tunnel lining［J］.Modern Tunnelling Technology，2006(S):67 －73.(in Chinese))

［24］ 王建宇.隧道圍巖滲流和襯砌水壓力荷載［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(2):1 －6.(WANG Jianyu.Problems on external water pressure on tunnel lining［J］.Railway Construction Technology，2008(2):1 －6.(in Chinese))

［25］ 王秀英，王夢恕，張彌.計算隧道排水量及襯砌外水壓力的一種簡化方法［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報，2004，28(1):8－10.(WANG Xiuying，WANG Mengshu，ZHANG Mi.A simple method to calculate tunnel discharge and external water pressure on lining［J］.Journal of Northern Jiaotong University，2004，28(1):8 －10.(in Chinese))

［26］ 陳林杰，蔣樹屏.限量排放下富水隧道襯砌外水壓力計算探討［J］.公路交通技術(shù)，2006(2):97－98.(CHEN Linjie，JIANG Shuping.Discussion of calculating lining external water pressure under limited drainage in rich water tunnel［J］.Technology of Highway and Transport，2006(2):97 －98.(in Chinese))

［27］ 劉釗.國外地下水監(jiān)測［J］.地下水，1991(1):54－56.(LIU Zhao.Foreign groundwater monitoring［J］.Groundwater，1991(1):54 －56.(in Chinese))

［28］ 呂明，Grφv E，Nilsen B，等.揶威海底隧道經(jīng)驗［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(23):4219 －4225.(LV Ming，Grφv E，Nilsen B，et al.Norwegian experience in subsea tunneling［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(23):4219 －4225.(in Chinese))