隧道地下水處治的國內外研究現狀分析

李蒼松，谷 婷，丁建芳

(中鐵西南科學研究院有限公司，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)設計中的一個關鍵問題，盡管對這一問題的爭論延續了幾十年，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、可靠的實測數據和深入的理論分析，對地下水作用的認識仍未達成共識。

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

1 現有隧道規范對地下水的處理措施

不同部門在不同時期和社會經濟條件下，提出了不同規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計理念主要經歷了3次大的轉變［12］(見圖1)，其表現為更多地考慮了環境保護理念，并根據隧道工程結構與地下水本身規律之間的相互作用，采取適合于環境的防排水措施及隧道結構設計。盡管目前各部門規范對地下水處治的設計還不完全一致，但基本趨向是在不影響環境的情況下因地制宜、綜合治理。

表1 現行及已有隧道規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 富水隧道設計理念轉變示意圖Fig.1 Transition of design concepts of water-rich tunnels

2 國內研究現狀

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

國內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研究。文獻［1］對“隧洞及壓力管道設計中的外水壓力修正系數”進行了進一步討論。由于實際施工中外壓力折減系數不恒小于1，建議定義為外水壓力修正系數。

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與數值模擬方面［17］。其中最重要的一點分歧在于:隧道工程專家更強調隧道的工程結構，將地下水作為外荷載來進行考慮，對地下水所依附的復雜巖體裂隙系統以及地下水運動的特殊規律考慮較少;水文地質或環境水文地質專家對地下水的運移規律及含水層的滲透特性考慮較多，對地下水作用于隧道結構的力學效應分析較少，且多偏重于理論分析，致使隧道專家在設計時很難把握隧道結構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—隧道結構”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環境出發，針對水壓力計算和施工質量控制等關鍵問題提出了建議，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環境密切相關的認識不斷深入，“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用［25－26］。

歸結起來，隧道水壓力的計算方法主要有4大類:折減系數法、理論解析方法、解析—數值方法、滲流理論分析方法和水文地球化學方法。其中，討論最多的是折減系數法，該方法在水工隧洞設計規范中有明確規定。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，多數還是通過借用水工隧道設計規范的有關經驗和規定。但在水工隧道規范中的折減系數并沒有考慮襯砌滲透性對折減系數的影響，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進行了深入探討，但最終現狀是眾說紛紜，仍以經驗為主，難以確定有效系數。

3 國外研究現狀

國外對隧道地下水處治的做法也很不統一。ITA(國際隧道協會)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［27］。而挪威海底隧道經驗［28］認為: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))，并指出采用預灌漿的方法來控制滲流。

國外對外水壓力折減問題的認識也不相同。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構時，指出需根據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的取值也極不統一，大體有以下3種情況:

1)根據不同工程統計，折減系數為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

綜合分析國內外研究現狀，主要存在以下問題。

1)在山嶺深埋隧道中，對支護結構、圍巖與周圍地質環境(包括地下水)相互作用規律認識不夠，尚未達成共識。

2)隧道工程師和水文地質專家在地下水對隧道結構的力學作用問題上存在一定程度的理論脫節現象，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計。

5 結論與建議

鑒于地下水壓力對支護結構的影響認識不一致，對隧道地下水作用的認識仍未達成共識的現狀，尚需進一步在基礎理論上深入開展隧道水壓力的研究，以便達成共識，為高壓富水隧道設計提供理論依據。

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)隧道結構水荷載設計方法研究。包括隧道結構水荷載的物理模型試驗和數學模型研究，地下水排放方式及排放流量與水荷載之間的相關關系研究，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。

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