隧道地下水处治的国内外研究现状分析

李苍松，谷 婷，丁建芳

(中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731)

0 引言

众所周知，隧道施工地下水问题是与隧道工程伴生的，并伴随着隧道工程施工的整个过程。如何经济、合理地处理好地下水问题，是隧道工程界一直探讨且始终存在的一个难题。多年来，众多专家、学者在此方面曾做过大量研究工作，取得了不少成果。其中，地下水对隧道(洞)的荷载作用是隧道(洞)设计中的一个关键问题，尽管对这一问题的争论延续了几十年，但迄今仍然众说纷纭，莫衷一是，甚至在概念上还含混不清［1］。由于缺乏系统、可靠的实测数据和深入的理论分析，对地下水作用的认识仍未达成共识。

随着我国路网建设的进一步发展，特别是西南地区，不可避免地会出现越来越多的穿越高水位富水地区的长大隧道。隧道工程建设适应环境保护的要求不断发生变化，隧道设计理念不断更新，隧道所采用的防排水措施不同，也直接影响着隧道衬砌结构的设计方案。因此，如何正确合理地进行高水位富水隧道设计是目前隧道设计中值得深入研究的课题。

1 现有隧道规范对地下水的处理措施

不同部门在不同时期和社会经济条件下，提出了不同规范和不同的地下水处理措施［2－11］，见表1。

我国对高压富水地层中的隧道设计理念主要经历了3次大的转变［12］(见图1)，其表现为更多地考虑了环境保护理念，并根据隧道工程结构与地下水本身规律之间的相互作用，采取适合于环境的防排水措施及隧道结构设计。尽管目前各部门规范对地下水处治的设计还不完全一致，但基本趋向是在不影响环境的情况下因地制宜、综合治理。

表1 现行及已有隧道规范对地下水的处理措施对比表Table 1 Ground water treatment measures specified in different tunneling standards

图1 富水隧道设计理念转变示意图Fig.1 Transition of design concepts of water-rich tunnels

2 国内研究现状

针对隧道衬砌水压力荷载问题，国内众多专家、学者曾开展大量研究工作，取得了不少研究成果。

国内较早提出水荷载问题的主要集中在水工隧洞工程界［13－16］。文献［13－14］认为水荷载是水工荷载的主要荷载，决定着衬砌的型式和尺寸，并提出水荷载作用下隧洞应力分析的3条原则。文献［15－16］对隧道水荷载计算问题进行了相关研究。文献［1］对“隧洞及压力管道设计中的外水压力修正系数”进行了进一步讨论。由于实际施工中外压力折减系数不恒小于1，建议定义为外水压力修正系数。

总体上看，对于外水压力能否折减仍存在一定的争议，对其影响因素的分析也不尽相同，而且仅仅注重单一排放的条件，目前研究的方法多集中于理论公式推导与数值模拟方面［17］。其中最重要的一点分歧在于:隧道工程专家更强调隧道的工程结构，将地下水作为外荷载来进行考虑，对地下水所依附的复杂岩体裂隙系统以及地下水运动的特殊规律考虑较少;水文地质或环境水文地质专家对地下水的运移规律及含水层的渗透特性考虑较多，对地下水作用于隧道结构的力学效应分析较少，且多偏重于理论分析，致使隧道专家在设计时很难把握隧道结构周边地下水的初始条件和边界条件。

隧道工程界，文献［18－20］对隧道地下水防治做了深入的探讨。针对铁路长大隧道的“水荷载—隧道结构”问题，王建宇做了大量的研究工作［21－24］。文献［21］从地下水资源保护和生态环境出发，针对水压力计算和施工质量控制等关键问题提出了建议，并在文献［22－24］中对隧道衬砌水压力进行了更深入的讨论和研究。

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，“限量排放”、“以堵为主”“控制排放”等新的隧道防排水原则逐渐得到广泛应用［25－26］。

归结起来，隧道水压力的计算方法主要有4大类:折减系数法、理论解析方法、解析—数值方法、渗流理论分析方法和水文地球化学方法。其中，讨论最多的是折减系数法，该方法在水工隧洞设计规范中有明确规定。以往对公路、铁路隧道衬砌所受水压力没有给予足够的重视，因此，遇到类似问题时，多数还是通过借用水工隧道设计规范的有关经验和规定。但在水工隧道规范中的折减系数并没有考虑衬砌渗透性对折减系数的影响，所以其适用性在公路、铁路隧道中受到了极大的限制。虽然众多文献均对水压力折减系数进行了深入探讨，但最终现状是众说纷纭，仍以经验为主，难以确定有效系数。

3 国外研究现状

国外对隧道地下水处治的做法也很不统一。ITA(国际隧道协会)于1991年专门对隧道中水的问题编写报告，将水作用在隧道上的破坏效应分成3类:external effects，structure effects和 function effects，但对第1类涉及并不多，并指出它将是未来的研究任务［27］。而挪威海底隧道经验［28］认为:完全避免渗水是不可能的也是不必要的，主要的工作是降低渗水达到可接受水平(渗水上限为300 L/(km·min))，并指出采用预灌浆的方法来控制渗流。

国外对外水压力折减问题的认识也不相同。如挪威不考虑衬砌承受外水压力。A.Bobet等人的研究表明，不论排放与否，衬砌的应力并不改变，只是周围地层受到影响。与此同时，日本、韩国和美国在实施水下和城市地下结构时，指出需根据地层的实际条件考虑水压的折减。

国外对外水压力折减系数的取值也极不统一，大体有以下3种情况:

1)根据不同工程统计，折减系数为0.15～0.9，澳大利亚、美国及日本有时采用此值。

2)折减系数等于1。美国及法国常用此值。

3)可能最大水头值。美国、加拿大及巴西等国，常将隧道衬砌所承受的静水头计算到地表面。

4 存在的问题

综合分析国内外研究现状，主要存在以下问题。

1)在山岭深埋隧道中，对支护结构、围岩与周围地质环境(包括地下水)相互作用规律认识不够，尚未达成共识。

2)隧道工程师和水文地质专家在地下水对隧道结构的力学作用问题上存在一定程度的理论脱节现象，需对此问题从概念和方法上进行深入研究。

3)目前隧道水荷载计算方法的实用性较差，难以直接用于隧道设计。

5 结论与建议

鉴于地下水压力对支护结构的影响认识不一致，对隧道地下水作用的认识仍未达成共识的现状，尚需进一步在基础理论上深入开展隧道水压力的研究，以便达成共识，为高压富水隧道设计提供理论依据。

建议从以下2方面开展研究:

1)隧道施工对围岩渗流场的影响研究。包括围岩初始渗流场研究、隧道开挖和支护引起的地下水渗流变化过程研究等。

2)隧道结构水荷载设计方法研究。包括隧道结构水荷载的物理模型试验和数学模型研究，地下水排放方式及排放流量与水荷载之间的相关关系研究，不同防排水模式下隧道水荷载的计算模式，隧道地下水处治的理念和方式等。

［1］ 张有天.隧洞及压力管道设计中的外水压力修正系数［J］.水力发电，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 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，1996.

［3］ TB 10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］ TBJ 108—92 铁路隧道喷锚构筑法技术规则［S］.北京:中国铁道出版社，1992.

［5］ TB 10108—200 铁路隧道喷锚构筑法技术规则［S］.北京:中国铁道出版社，2003.

［6］ TBJ 026—90 公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1990.

［7］ JTG D70—2004 公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［8］ GB 50157—92 地下铁道设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1992.

［9］ GB 50157—200 地下铁道设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［10］ SD 134—84 水工隧洞设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1984.

［11］ DLT 5195—2004 水工隧洞设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2004.

［12］ 付钢，王磊.高压富水地层中隧道衬砌结构设计方法探讨［J］.地下空间与工程学报，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］ 张有天，张武功.隧洞水荷载的静力计算［J］.水利学报，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］ 张有天，张武功，王镭.再论隧洞水荷载静力计算［J］.水利学报，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］ 周太开，张有天.关于水工隧洞结构计算若干问题的商榷［J］.水力发电，1980(5):50－54.

［16］ 潘家铮.坝体有限元分析中的水荷载问题［J］.水力发电，1984(3):21－26.

［17］ 王镭，刘中，张有天.有排水孔幕的渗流场分析［J］.水利学报，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.浸水地层隧道荷重的计算［J］.铁路标准设计通讯，1962(Z2):58 － 59.(WANG Xiaoliang.Load calculations in soaking ground tunnel［J］.Railway Standard Design，1962(Z2):58 －59.(in Chinese))

［19］ 张祉道.山岭隧道地下水处理及结构设计探讨［J］.铁道工程学报，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］ 周书明.浅谈隧道工程地下水的计算［J］.铁道工程学报，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.对岩石隧道衬砌结构防水问题的讨论［J］.现代隧道技术，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.再谈隧道衬砌水压力［J］.现代隧道技术，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.对隧道衬砌水压力荷载的讨论［J］.现代隧道技术，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.隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载［J］.铁道建筑技术，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，王梦恕，张弥.计算隧道排水量及衬砌外水压力的一种简化方法［J］.北方交通大学学报，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］ 陈林杰，蒋树屏.限量排放下富水隧道衬砌外水压力计算探讨［J］.公路交通技术，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］ 刘钊.国外地下水监测［J］.地下水，1991(1):54－56.(LIU Zhao.Foreign groundwater monitoring［J］.Groundwater，1991(1):54 －56.(in Chinese))

［28］ 吕明，Grφv E，Nilsen B，等.揶威海底隧道经验［J］.岩石力学与工程学报，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))