地下水环境平衡的理念在高水压隧道设计中的应用

将维持地下水环境平衡的设计理念应用于高水压隧道的设计中。对设计中防排水参数和抗水压衬砌计算方法进行了探讨。以梨树湾隧道为实例介绍了具体设计方法。该隧道施工结果表明：应用地下水环境平衡的理念设计高水压隧道,对于保护环境、降低隧道造价、加快施工速度都是合理、安全和有效的。

第28卷增刊 岩 土 力 学 Vol.28 Supp. 2007年10月 Rock and Soil Mechanics Oct. 2007

文章编号：1000－7598－（2007）增刊－0474－05

地下水环境平衡的理念在高水压隧道设计中的应用

傅 钢，曹延平，张 林，张承宇，刘恒伟

（重庆交通大学 土木学院，重庆 400074）

摘 要：将维持地下水环境平衡的设计理念应用于高水压隧道的设计中。对设计中防排水参数和抗水压衬砌计算方法进行了探讨。以梨树湾隧道为实例介绍了具体设计方法。该隧道施工结果表明：应用地下水环境平衡的理念设计高水压隧道，对于保护环境、降低隧道造价、加快施工速度都是合理、安全和有效的。 关 键 词：地下水；环境；平衡；高水压；设计；抗水压衬砌 中图分类号：U 451 文献标识码：A

The idea of underground water environmental balance applied to the design

of the tunnel under high hydrostatic pressures

FU Gang, CAO Yan-ping, ZHANG Lin, ZHANG Cheng-yu, LIU Heng-wei

(College of Civil Architecture, Chongqing Jiao tong University, Chongqing 400074, China)

Abstract: The idea of maintaining groundwater environmental balance is used to design the tunnel under high hydrostatic pressure. The parameters of tunnel water handling and the method of calculation of lining against water pressure are studied. In the end, the method of design is introduced with Lishuwan Tunnel as a example. The construction results show that the idea of groundwater environmental balance applied to design the tunnel under high hydrostatic pressure is rational,safe and effective for environmental protection,cost reduction,reduction of construction time.

Key words: groundwater; environment; balance; high hydrostatic pressure; design; lining against water pressure

1 引 言

当隧道穿越高压富水地层时，隧道施工可能引发的地下水环境的破坏以及为保证隧道衬砌结构安全而付出的高昂造价是隧道设计者所面对的两个难题；此外，工期的延长也是一个棘手问题。高水压地层中的隧道设计主要有两种方法

[1，2]

地下水渗漏对周围环境的影响；另一方面还可减小作用于衬砌上的外水压力。目前，对于可能由于隧道开挖导致周边生态环境破坏的隧道大都使用了“超前帷幕注浆堵水”措施。不过这种方法虽可避免或减小环境破坏，但却使得隧道工程造价大幅增加和建设工期的延长。因此，在高水压地层隧道设计中，采用何种有效措施既能保护生态环境，又能降低隧道建设投资并加快施工速度，正是学者们必须研究和解决的课题。

：一种是通

过在隧道附近打泄水洞排水降低地下水位，以减小或消除地下水对衬砌结构的影响。采用这种方法，衬砌结构甚至可按普通深埋隧道衬砌结构进行设计，同时可节约工程造价并保证施工安全。但是，采用这种设计方法可能给周围生态环境造成不可逆转的破坏。从保护生态环境和可持续性发展的角度来看，选择这种设计方法时应当十分慎重；另一种方法是用“超前帷幕注浆”对工作面前方一定半径范围内的渗水裂隙注浆封堵。从而一方面大大减轻

2 地下水环境平衡的设计思想

对于某一个具体的高水压隧道的建设场地来说，在隧道未施工时其地下水的补给量和排泄量是基本平衡的；而隧道施工造成的地下水渗漏可以是暂时的，也可能是永久的；如果隧道开挖引起地下水渗漏量小于外界对隧道施工影响范围内的地下水

收稿日期：2007-05-31

作者简介：傅钢，男，1958年生，副教授，主要从事隧道与地下工程教学、科研和设计工作。E-mail: fugangmail@

将维持地下水环境平衡的设计理念应用于高水压隧道的设计中。对设计中防排水参数和抗水压衬砌计算方法进行了探讨。以梨树湾隧道为实例介绍了具体设计方法。该隧道施工结果表明：应用地下水环境平衡的理念设计高水压隧道,对于保护环境、降低隧道造价、加快施工速度都是合理、安全和有效的。

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补充量，则由地下水的渗漏造成的水环境破坏只是暂时的；反之，则会造成地下水环境不可逆转的永久破坏。由此可见，如果在进行高压富水地层隧道设计时，根据隧道施工影响范围内地下水的补给量和渗漏量大小，在保证隧道施工引起的实际渗漏水量小于外界对地下水补充量的前提下，施工引起的渗漏量将是有限的，不会破坏地下水环境的平衡。当隧道施工引起的地下水渗漏量超出地下水补给量时，设计可根据地下水补给量与渗漏量的大小差值，

式中：Qsj为隧道施工后实际渗漏水量（m3）；Qwb为。 外界对隧道开挖影响区域内地下水补充量（m3）

3.2 Qsj和kg的计算

3.2.1 隧道施工后实际允许渗漏水量Qsj的确定

隧道施工后实际允许渗漏水量Qsj应当小于或等于设计的允许渗漏水量Qyx，即

Qsj=Qyx （2） Qyx=Qwb/K （3）

采用“定量堵水”措施，从而保证地下水环境的 式中：K为安全系数，设计可取2～3。

3.2.2 围岩注浆圈内的渗透系数kg的计算 平衡。

根据地下水环境平衡的思想，对高水压地层的隧道设计可以采用所谓“分区排水，有限排放，定量堵水”设计原则：即不必将象过去那样试图将隧道周围一定半径范围内的地下水进行全面封堵，因此，运用这一设计理念来设计高水压地层隧道，可以达到既能保护生态环境，又能降低隧道建设投资并加快施工速度的目的。

3 防排水设计参数的拟定

运用地下水环境的平衡的理念设计高水压隧道，关键是确定合理的注浆参数，控制隧道周边围岩注浆后的渗透系数，从而定量控制施工后隧道实际渗漏水量。为此，讨论设计中主要防排水参数的确定方法。

3.1 隧道开挖影响区域渗漏水量

隧道地勘报告一般会提供隧道开挖影响区域渗漏水量Qss数据。但应用Qss数据时应注意地勘报告中Qss所采用的预测方法；目前隧道渗水量的测算有许多方法，选择测算方法时应关注含水层的水文地质条件。严格的说，隧道涌水属于非稳定流，文献[3]认为，非完整埋藏条件非稳定流采用佐腾邦明法较好；而对于深埋承压含水层的情况，则还应用大岛洋志公式或铁路勘测的经验公式进行校核。

外界对隧道开挖影响区域内地下水补充量Qwb

的测算设计，通常依据水文地质报告提供的相关数据（如年平均降雨量、河流沟谷地表水汇入量、地下水汇入量等）确定。

假如Qss≥Qwb，隧道施工将破坏周边地下水环

将围岩视作各向同性和均质的多孔介质。忽略重力场对深埋隧道的初期涌水的影响，围岩渗水主要为弹性释水，隧道附近的流线方向垂直于隧道轴线并呈放射状指向结构物中心，因此，深埋隧道初期涌水可以概括为承压水向垂直井的运动。同时，由于埋深隧道的渗漏水的流速度极小；因此，可以

把问题简化成无应用渗流连续性方程和Darcy定律，

。 限含水层中的竖井的稳定流模型（见图1）

图1 简化模型 Fig.1 Simple model

根据Darcy定理和水流连续性方程可写出隧道施工后实际渗漏水量Qsj满足以下方程：

Qsj=

2πHkr

（4）

Hkrrgkrr1ln+ln+lnrgkgr1k1r0

krQsjln

rgr1

由式（4）可推得：

kg=

境平衡，必须通过适当注浆堵水措施减小和改变隧道围岩的渗透系数，从而使地下水的渗漏量小于外界对地下水补充量。也就是说，必须确定围岩注浆圈的允许渗透系数kg来控制隧道施工后实际渗漏水量Qsj，使得

Qsj<Qwb （1）

rHk

2πHkr ln rln1

rgk1r0

式中：H为远场水势；rg为围岩圈外半径；r1为围岩圈内半径；r0为初期支护内径；kr为围岩渗透系kg为围岩注浆体的渗透系数；k1为初期支护（指 数；

喷射混凝土）渗透系数。

（5）

将维持地下水环境平衡的设计理念应用于高水压隧道的设计中。对设计中防排水参数和抗水压衬砌计算方法进行了探讨。以梨树湾隧道为实例介绍了具体设计方法。该隧道施工结果表明：应用地下水环境平衡的理念设计高水压隧道,对于保护环境、降低隧道造价、加快施工速度都是合理、安全和有效的。

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式（5）表示当设计的注浆堵水措施使隧道围 岩注浆圈内的渗透系数由kr减小到kg时，隧道施工

环向肓沟塑料防水板钢筋混凝土

后实际渗漏水量Qsj将等于设计的允许渗漏水量

Qyx；从而保证隧道施工后实际渗漏水量小于外界

对地下水补充量。 3.3 高水压隧道衬砌结构设计

3.3.1 衬砌外水荷载的确定 纵向肓沟 以往在高压富水地层中采用注浆堵水方式设计

的隧道其衬砌结构都要设计成所谓“抗水压衬砌”。

对于外水荷载计算，国内已有多种计算方法研究成

， 果[14 8]，归纳起来有以下几种方法：

（1）折减系数法。借鉴《水工隧洞设计规范》 （SD134－84）[9]的有关规定采用折减系数法，按围岩类别和围岩的渗透性取相应的水头折减系数来计算外水荷载。

（2）解析数值方法。根据经验解析法所计算出的涌水量代入隧道围岩渗流的剖面二维模型，模拟排水时围岩渗流场的分布，再按作用系数方法计算出隧道衬砌的外水压力。这一方法的本质仍然属于折减系数法。

（3）渗流理论分析方法。从渗流理论出发直接通过分析隧道开挖引起的地应力和地下水渗透力对围岩和衬砌的耦合作用来计算水对围岩和衬砌的作用。这一方法理论先进、物理概念清晰，但计算量大，有些计算参数难以获得。此外，这一方法目前还难以用于地层中存在溶洞、管道流和大的裂隙的水文条件复杂的情况。

目前在工程设计中，主要还是根据不同围岩和注浆结石体的渗透性采用折减系数方法确定外水荷载。

[5]

隧行

道车 中道 心 中 线

横向排水管横向排水管

纵向肓沟

中心水沟

钢筋混凝土衬砌塑料防水板

图2 常见隧道的排水系统设置方式 Fig.2 Familiar tunnel drainage schemes

然而，此时由于衬砌背后排水盲沟会把渗透到衬砌背后的地下水排走，将影响二次衬砌表面外水荷载大小和分布，在此条件下外水荷载的大小目前尚无一致的意见，故大多数设计者设计时仍然将传递到围岩注浆圈内侧衬外水荷载作用于二次衬砌表面[10

，11]

，当地下水压较高时，其设计结果将使二衬

厚度和用钢量大大增加，以至于采用常规钢筋混凝土配筋难以设计[11]。

尽管衬砌所承受的外水荷载的大小是随衬砌背 后排水系统单位时间内排水量Qps和围岩注浆体渗透至初期支护与防水板之间间隙的地下水渗入量Qbj变化的，但是通过分析Qps与Qbj大小关系可以 发现，外水荷载的大小只有以下两种情况：

（1）当Qps<Qbj时，则经过一定时间，衬砌背 后存储地下水越来越多，衬砌所承受的水压力随之逐渐增大，最终维持一个稳定外水压力值，衬砌墙脚的排水孔的连续排水只对排水孔周围局部小范围流场产生影响，而衬砌外水荷载总体分布和数值不会产生明显影响。

（2）当Qps>Qbj时，衬砌支护与防水板之间的 地下水被快速排空，从而使得地下渗水产生的外水荷载趋近于0。

由此可见，设计时只要使二衬背后Qps大于透过注浆加固圈Qbj，则二次衬砌所承受的外水荷载 实际上可以忽略不计。

那么，在满足Qps>Qbj的条件下，衬砌水外压 力是否可以完全忽略不计。对此，可以再看一下目前常见道路隧道的防排水系统设置方式（见图2）。沿隧道轴向每隔一定距离敷设的环向盲沟与设在两边墙脚的纵向盲沟相连，通过沿隧道轴向每隔一定距离布置环向排水管将衬砌背后的地下水引入隧道

3.3.2 结构计算模型的选择

关于计算模型，主要有两种：一种是将外水荷载与结构分别考虑，即将外水荷载作为表面力作用于衬砌表面，采用“荷载-结构”模型进行计算。这种计算模型概念明确、计算简单，易于为设计人员接受，在实际设计应用最广；另一种是将外水荷载水的作用与衬砌结构、注浆结石体以及围岩视为一个整体，同时按不同施工方法考虑衬砌、围岩与水相互耦合作用。

由于道路隧道一般在初期支护与二次衬砌之间设置了塑料防水板和排水盲沟以排泄由注浆结石体下渗的地下水（见图2）。防水板把通过注浆结石体渗透下来的外水荷载与二次衬砌相互隔开，此时外水荷载是以面力形式作用在二次衬砌表面，在此情况下采用“荷载-结构”计算模型显然是合适的。

将维持地下水环境平衡的设计理念应用于高水压隧道的设计中。对设计中防排水参数和抗水压衬砌计算方法进行了探讨。以梨树湾隧道为实例介绍了具体设计方法。该隧道施工结果表明：应用地下水环境平衡的理念设计高水压隧道,对于保护环境、降低隧道造价、加快施工速度都是合理、安全和有效的。

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的边沟（或中心水沟）。由于纵向盲沟的位置设置标高通常与路面标高不相上下，显然，从纵向盲沟至仰拱底面必然还将承受一定静水压力（图3）作用在墙脚和仰拱间的静水压力）。但是，由于从纵向盲沟至仰拱底面的距离一般也就2～3 m左右，因此其静水压力十分有限，最大也就大约有3 m左右静水头。而3 m左右静水头压力对衬砌结构的影响是非常有限的。

段共设置n=L/s环排水管。环向排水管直径为φh，每延米流量为Qh，排水管连接到两侧纵向排水管每一环长度为Lh，设计安全储备系数Kh=2.5~3；则设计要求隧道一侧环向排水管的排水量应满足：

ahmhnLhQh≥KhQbj （7） 式中：mh为每一环排水管的根数，一般mh=1~3；

ah为多排水管透水影响系数，ah=0.6~0.8。

4 梨树湾高水压隧道设计实例

4.1 工程概况

梨树湾隧道是渝-遂高速公路上单向双洞汽车专用隧道。隧道单洞长约3.8 km；隧道由东向西穿越中梁山背斜（见图4）。隧道有1.5 km长的洞身

处于高水压地层，静水压力为1.0~1.5 MPa。洞身地下水来源主要为岩溶管道、地下暗河与地表下渗等。隧道设计贯彻了地下水环境平衡的理念，隧道防排水依据“分区防水，定量堵水，有限排放”的原则设计。

图3 作用在墙脚和仰拱间的静水压力

Fig.3 The hydrostatic pressure on wall feet and

static water pressue

综上所述，对高压富水段衬砌结构设计得出以下认识：

（1）当衬砌背后设置全封闭塑料防水板时，可将外水荷载视为面力，采用“荷载-结构”计算模型分析；

（2）在设计确保衬砌背后设置的排水系统排水 能力能满足Qps>Qbj条件下，衬砌传授的的外水荷 载可以忽略不计；

（3）在纵向排水管至仰拱底部范围内仍将承受一定的外水荷载，但由于其荷载非常小，因而对衬砌结构的影响很小。

图4 梨树湾隧道地理位置 Fig.4 Loacation of Lishuwan Tunnel

3.3.3 二衬背后防排水系统的设计

（1）纵向排水管：设洞身长L的高水压地层经 “定量堵水”后的渗水量为Qbj，直径为φz的纵向 排水管在纵坡为i的条件下每延米流量为Qz，设计安全储备系数Kz=1.5；则设计要求隧道一侧纵向排水管的排水量应满足：

azmzLQg≥KzQbj （6） 式中：mz为单侧纵向排水管的根数，一般mz=1~2；az为多排水管透水影响系数，az=0.7

4.2 隧道防排水方案要点

（1）二衬外采用全包塑料防水板，按注浆堵水后围岩的渗透系数设计衬砌背后排水盲沟排水量， 以满足Qps>Qbj，并留有足够安全富裕量。 （2）隧道左右两侧纵向排水管均采用两根直接分别为φ150 mm和φ100 mm的透水管。 （3）环向排水管每环采用3根φ50~φ80的透水管，并与两侧纵向排水管交错连接。

（4）由于该隧道的地下岩溶管道和暗河错综复杂，勘察设计工期紧迫，摸清地下水补给、排泄量

~0.8。

（2）环向排水管：洞身长L的高水压地层段环向排水管间距按每s米一环设置；则洞身长L的地

将维持地下水环境平衡的设计理念应用于高水压隧道的设计中。对设计中防排水参数和抗水压衬砌计算方法进行了探讨。以梨树湾隧道为实例介绍了具体设计方法。该隧道施工结果表明：应用地下水环境平衡的理念设计高水压隧道,对于保护环境、降低隧道造价、加快施工速度都是合理、安全和有效的。

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和径流通道十分困难。设计初拟给出的区域内地下水补充量和允许地下水渗漏量与实际存在误差。故设计制定实施了动态定量注浆堵水方案：①通过在地表对重要水库、鱼塘和重要井、泉水位的监测，并结合掌子面涌水量量测实时调整地下水的允许排 放量和围岩注浆圈渗透系数kg；②根据超前探水结 果确定注浆措施；当掌子面前方可能发生危及施工安全的突水、突泥时，采用超前帷幕注浆；③如果掌子面虽涌水量较大，但不危及施工安全则采用在掌子面后方的径向注浆方案；

4.3 隧道衬砌结构设计原则和方案的确定

涌水量超过11 000 m3/d；地表水文监测发现有

400～800 m2鱼塘水位下降，现场迅速采取径向全环双液注浆堵水，4周后鱼塘水位恢复正常；目前隧道营运良好，地表水环境和居民生产生活用水均未因隧道施工受影响。

5 结 论

（1）应用地下水环境平衡理念设计高水压隧 道，不仅能够在避免环境破坏保证安全的条件下，节省工程造价，降低施工难度，缩短施工工期。 （2）设计时应在衬砌背后设置足够的排水系统盲沟以确保排水量大于渗水量，从而基本消除外水荷载对衬砌结构的影响；

（3）对于衬砌背后设置全封闭塑料防水板的高水压地层的隧道，可将外水荷载视为面力，采用“荷载-结构”计算模型分析；

（4）建议今后应加强对高水压长期作用下注浆结石体的耐久性研究，为高水压地层段的衬砌设计提供依据。

参 考 文 献

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[3] 蒋忠信. 隧道工程与水环境的相互作用[J]. 岩石力学

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砌结构试验分析[J]. 铁道工程学报，2006，（4）：62－67.

初期支护参数按工程类比预设计，通过现场监控量测反馈信息进行验证和调整。表1为高压富水地层隧道支护参数表。严格地说，初期支护的计算是“固”-“液”耦合的问题，应按“渗流荷载增量

[3]

；理论分析隧道应力外水荷载作用下的隧道应力”

但这一理论和算法尚处于探索阶段，特别是对于中梁山这种存在溶洞、大的裂隙和管道流的复杂的水文地质条件环境，目前的各种理论模型都还无法解决。因此，在目前情况下采用工程类比和现场监控量测反馈信息进行验证和调整是可行的方法。

表1 高压富水地层隧道支护参数表

Table 1 The table of support parameter for the stratum

of high pressure and abundant water

围岩 级别 （新规范）

初 期 支 护 二次衬砌 辅助施工措施

锚杆 钢筋网 C30钢筋φ42 mm超喷混

凝土 长度 间距间距混凝土 前导小管钢格栅

长度 /cm/cm /cm /cm×cm /cm×cm /cm

/

/ 1榀

400

/0.8 m/ /

Ⅲ 10 250 120×120 25×25 40 Ⅳ 15 300 100×100 25×25 50 Ⅴ 24 350 100×80 20×20 60

二次衬砌结构采用荷载-结构模型计算。需要说明的是：根据前面分析可知，衬砌墙脚和仰拱可能但由于目前承受最大外水压也仅有0.03 MPa左右，

对双液注浆结石体在高压水环境下的长期耐久性的研究成果和实测资料极少，从安全的角度考虑设计计算时人为给衬砌加上0.1～0.2 MPa外水荷载。计算表明：按上述计算模型所得最小安全系数为3.47（位于V级围岩的左右墙脚处），与穿越中梁山的渝―怀铁路歌乐山隧道和成―渝高速公路中梁山隧道相应抗水压衬砌相比，梨树湾隧道抗水压衬砌的厚度减小30 %～50 %，衬砌配筋量也显著减少。

梨树湾隧道于2003年12月底开工，2005年2月贯通。施工期间至Zk4+060，遇岩溶管道涌水，

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