王 珑，鲍洪韬，杨 迅，金 露，徐益康，张晨涛，徐智康

(1.浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江 杭州 310000； 2.杭州市交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 3.中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721000； 4.南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019)

0 引言

我国基础设施的建设与日俱增，特别是随着交通强国战略的提出，各种陆路交通的需求不断增大。山岭地形复杂，在开挖隧道的时候经常会遇到高水压力问题[1]。隧道工程采用的排水方式、结构设计、压力大小等都需要进一步的研究分析[2]。过去往往采取排放的方式来应对地下水，但这导致了水环境破坏、地下水位降低、土壤固结等等一系列问题。在设计中因为没有考虑水压力的影响，会造成衬砌破裂，引发各种病害。富水山岭隧道应尽可能的通过注浆堵水来减小衬砌背后的效果，而不是一味地借用排水系统来排水[3]。该方法的研究可以在减小水压力的同时尽可能的减少对地下水的破坏，起到保护水环境的一个效果。

在以往的研究的基础上，本文主要概述了计算衬砌外水压力的主要方法，然后分别研究了水头高度、衬砌厚度、衬砌相对渗透系数对结构设计的影响，揭示了富水山岭隧道衬砌水压力的影响关系，最后，通过实际工程案例，对不同隧道断面的设计进行了详细的分析与讨论。本文的研究结果可为高水压富水地区山岭隧道的设计提供一定的指导意义。

1 隧道衬砌水压力计算模式概述

隧道排水方式主要包括全包、半包、排水型三种模式。20世纪，富水山岭隧道主要是通过不断的排水来解决水压力过大的问题。这种情况保证了安全因素，但是衬砌结构背后没有水荷载，降低了地下水位，破坏了水环境。20世纪修建的隧道大多是全包排水，对浅埋隧道影响不大，但是会导致深埋隧道衬砌背后水压力增大，增加施工难度和成本。富水山岭隧道衬砌外侧的水压力大小与众多因素相关，主要包括隧道的埋置深度、水头高度以及防排水模式等因素。目前，减系数法、理论解析法和数值解析法是计算衬砌外水压力的最主要与最直接的方法。

在隧道工程条件简单的情况下，衬砌外水压力可以通过水位线以下的水柱高度乘以折减系数得到。有学者在折减系数的基础上对水压力计算公式进行了改进，通过三个修正系数来完善折减系数计算公式[4]。

理论解析法是对计算模型进行简化，以渗流理论为基础计算衬砌外侧水压力，但是该方法的精度与实际存在一定的偏差。数值解析法利用渗流场分布规律计算衬砌外水压力荷载，尽管采用渗流理论来求解衬砌外侧水压力，但是在计算过程中得到的隧道渗流场分布规律与实际仍然存在一定的差别。

2 富水隧道衬砌水压力理论解析及其影响

隧道设计中一个重要的问题就是地下水引起的力学作用。一般而言，可以根据排水方式，隧道结构分为两种类型，即全堵型和排水型结构类型。对于全堵型隧道而言，作用在隧道衬砌结构上的外水压力是一种表面力，等同于静水压力；然而，对于排水型隧道而言，由于围岩和衬砌的透水以及地下水的流动，作用在衬砌结构上的水压力是一种渗透体积力，近似为动水压力[5-6]。

在前人所做的研究基础上，介绍基于采用理论解析法的隧道水压力的计算原则和理论基础，介绍作用在衬砌结构上的水压力，介绍了隧道涌水量以及衬砌外侧水压力折减系数随着不同因素的变化规律，即水头高度、衬砌厚度与衬砌相对渗透性等。

隧道在水压力作用下应力场的分析应遵循以下三个基本原则：第一，隧道外水压力是一种渗透体积力，作用范围为位于地下水位以下的整个空间，并且与水力梯度成正比。第二，外水压力作用下的隧道应力应按照渗流荷载增量理论，如图1所示。第三，隧道衬砌与围岩有条件地联合作用，若接触面的法向应力大于围岩和衬砌的黏结强度，围岩与衬砌呈现联合作用，反之，两者之间无联合作用，即单独作用。

2.1 水头与埋深的问题

水头与埋深的问题主要有两类：一是水头小于埋深问题；二是水头大于埋深问题。根据弹性力学的知识，可有以下结论：衬砌的水压力可以进行轴对称简化[7-8]。两类问题的简化示意图如图2，图3所示。

根据弹性力学及前人的研究[9]，可以分别推导出隧道开挖后施作衬砌前的围岩水力势、围岩渗流力，施作衬砌后的注浆圈范围的水力势、施作后的流量、施作后衬砌范围内水力势、衬砌背后空隙水压力以及衬砌范围内的渗流力与合力，如表1所示。

表1 不同类型条件下围岩水力势、围岩渗流力公式

对于第一类问题，可以得出以下结论：衬砌效应使得渗透力增量与隧道中心呈反向状态；对于复合式衬砌，由于在隧道衬砌和围岩之间铺设了防水板等防排水设施，衬砌渗透力指向隧道中心。这时的渗流体积力合力可以近似简化为衬砌外边缘表面力。因此，对于复合衬砌结构，可以进行简化，用简单的“荷载-结构”模型来计算分析[10]。

2.2 水头高度对结构设计的影响

水头高度在涌水量、水压力折减系数方面，对隧道衬砌结构设计有一定的影响，其结果如图4所示。

由图4分析可得，整体上，涌水量与作用水头高度呈正相关，作用水头增加，涌水量也增加；当n=1 000时，衬砌渗透系数很小，接近于不透水，作用水头高度对涌水量的影响不是特别大，涌水量不超过2 m3/(m·d)。水头高度越小，水压力折减系数也越小。水头高度在100 m时，水头高度对水压力折减系数是一个分界状态。随着水头高度的增加，作用水头对水压力折减系数几乎没有影响，水压力可近似认为是静水压力。

2.3 衬砌厚度对结构设计的影响

同样，衬砌厚度对水压力折减系数和涌水量方面具有一定的影响，进而影响隧道衬砌结构的设计，其结果如图5所示。

由图5分析可得，在涌水量方面，当衬砌厚度在0.6 m时，衬砌厚度对涌水量的影响呈一个分界状态，所以在控制涌水量时，不能一味地加大衬砌厚度。当值处于中间值时，即衬砌的渗透系数处于中间值时，涌水量的变化也介于中间情况。同时，当衬砌厚度小于0.6 m时，随着衬砌厚度的增大，水压力折减系数增大较明显。

2.4 衬砌相对渗透系数对结构设计的影响

同样，衬砌相对渗透系数也对涌水量和水压力折减系数方面有一定的影响，进而影响隧道衬砌结构的设计，其结果如图6所示。

由图6分析可得，在涌水量方面，随围岩渗透系数与衬砌渗透系数的比值n的增大，隧道的涌水量呈现减小的趋势，且当渗透系数与衬砌渗透系数的比值n超过某一定值时，此时隧道的涌水量趋近于0，这就意味着隧道衬砌表现为不透水。在水压力折减系数方面，水压力折减系数随衬砌相对渗透性的增大而增大，衬砌相对渗透性在小于某一值时，压力折减系数变化幅度较大，而当该值后，压力折减系数的幅度基本保持不变。

3 工程应用

3.1 工程概况

临(安)建(德)高速起自浙江与安徽两省交界的千秋关隧道，终点与杭新景高速相接，路线全长约85 km[11]。共设置隧道30座，隧道总长达接近34 km，约占公路全长的40%。隧道穿越的岩性以泥质粉砂岩、灰岩和侵入的花岗岩等岩性为主，其中千秋关隧道、中台山隧道、石柱山隧道、虎溪台隧道和大岩山隧道等众多隧道穿越灰岩地层，以石柱山隧道、虎溪台隧道为代表的部分隧道溶蚀现象发育，隧道内的溶孔、溶洞及岩溶水发育为甚，为施工期地下水突水突泥等灾害提供明显的地下水来源。

3.2 气象与水文条件

据区域气象与水文资料[12-13]，该区域属亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，季风和台风对沿线气候影响显著，雨水充沛。年平均降水量为1 552 mm～1 613.9 mm，年际间差异较大。该区域所经地段大都属浙西中山丘陵，沿线峰峦起伏延绵，溪沟纵横切割，造成水系流向复杂。区内河流多为山区性河流，均属雨源型，河谷深切，峡谷众多，河床纵坡降大。河流水位、流量受大气降水的季节性变化影响显著，具有暴涨暴落的特点，最大流量常出现在梅雨期和台风雨期。综上隧道所处的环境，可以看出区域隧道是典型的富水山岭隧道，且存在明显性的季节性暴雨特性，故水压力对区域隧道衬砌结构受力存在明显的影响。因此，在设计阶段，需要根据不同水压条件，对区域隧道设计进行合理的划分。

3.3 不同区段隧道设计

临建高速公路隧道工程隧道暗洞衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护结构形式。临建高速公路隧道工程的初期支护以锚杆和钢筋网喷混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防水排水夹层。根据隧道衬砌防水和耐久性要求，临建高速公路隧道工程二次衬砌采用C30泵送混凝土结构，抗渗等级应达到P8。一般条件下，围岩等级越好，围岩渗透系数越低。典型地质条件与断面条件下的具体支护参数详见表2，图7所示。

表2 临建高速典型断面隧道断面衬砌支护参数

由表2可以看出，临建高速公路隧道工程Ⅴ级围岩中，深埋区段超前支护采用管棚(φ108×6 mm)或超前小导管(φ42 mm)，初期支护采用φ25×5 mm先锚后灌式中空注浆锚杆长3.5 m，25 cm厚C25喷混凝土加A6定型钢筋焊接网，14号工字钢拱架(纵向间距0.75 m)，二次衬砌采用45 cm厚C30模筑钢筋混凝土二次衬砌。临建高速公路隧道工程Ⅳ级围岩中，深埋区段超前支护必要时采用拱部超前锚杆长4.5 m，初期支护采用φ25×5 mm 先锚后灌式中空注浆锚杆长3.0 m，20 cm厚C25喷混凝土加A6定型钢筋焊接网，钢筋格栅拱架(纵向间距1.0 m)，二次衬砌采用35 cm厚C30模筑混凝土二次衬砌。临建高速公路隧道工程Ⅲ级围岩中，一般段无超前支护，初期支护采用φ25×5 mm先锚后灌式中空注浆锚杆长2.5 m，10 cm厚C25喷混凝土加A6定型钢筋焊接网，二次衬砌采用35 cm厚C30模筑混凝土二次衬砌，不设置仰拱。同时，针对不同围岩条件下浅埋工况，不同断面的初期支护中注浆锚杆分布与长度、喷射混凝土的厚度存在一定的变化，二次衬砌拱圈厚度适当的改变。

4 结语

隧道地下水处治方式具有差异性，所以会带来不同的衬砌水压力问题。如何确定衬砌水压力值，合理快捷的估算衬砌水压力以及对降低衬砌水压力方法的研究在富水区山岭隧道的设计和建设方面都具有重要的指导作用。本文通过介绍水头与埋深、水头高度、衬砌厚度与衬砌渗透系数等方面对结构设计的分析，揭示了富水区山岭隧道衬砌水压力的影响关系，并通过实际工程案例，对不同隧道断面的设计进行了分析。这些研究方法与成果对于高水压富水地区山岭隧道在设计方面均具有一定的指导意义，为隧道的安全施工与运营提供了技术与方法帮助。