1衬砌水压问题

1.1隧道规范对水压的考虑

我国较早提出的衬砌水压荷载问题主要集中在水工隧道行业。与水工部门相比，交通部门对隧道水荷载问题的认识水平和研究深度存在明显差距。随着人们对地下水与隧道现场周围生态环境密切相关的深入了解，深入思考了隧道工程中地下水处理的原则。在渝怀铁路建设中，铁道部第二勘察设计院提出了隧道地下水处理的“限量排放”新理念。到目前为止，隧道工程的水压荷载问题已经完全突出。

在隧道设计中，各种规范对水压荷载计算有不同的规定：

(1)地铁设计规范(GB50157-2003)

采用盾构法修建的地铁隧道采用全封堵方式，地下水通过衬砌管接头处的密封装置完全封堵在衬砌后面。

(2)铁路隧道设计规范(TB10003-2001)

采用矿山法修建的山地隧道采用排水方式，通常通过设置在衬砌背面的透水垫层、盲沟或排水管，将围岩中的地下水引至设置在衬砌墙脚的出水口。

(3)公路隧道设计规范(JTGD70-2004)

本规范提到，“当隧道位于正常水位以下，不适合排放时，隧道衬砌应采用耐水压衬砌。隧道防排水应遵循“防、排、截、堵、因地制宜、综合治理”的原则，但没有明确的方法考虑衬砌水压。

1.2水压计算方法

目前，隧道衬砌水压的计算方法可概括为以下三个方面。

1.2.1折减系数法

所谓水压折减系数，是指作用于衬砌的外水压头与隧道中心地下水位线的高度比。目前，水压折减系数法可分为三种类型：

(1)只考虑围岩渗透性的单一因素，如围岩渗透系数、岩溶发育程度等。

主要出现在水工隧道行业，只适用于混凝土衬砌渗透系数为常数的情况，如水工隧道，不适用于设置防水板的公路、铁路隧道。

（2）考虑围岩的渗透性和衬砌轮廓的应力特征，如围岩的渗透性和所谓的“衬砌轮廓受水面积”。

（3）综合考虑各种影响水压的因素，主要包括围岩、衬砌渗透性、隧道尺寸、水头等因素。

1.2.2.理论研究方法

在中国，王建宇通过轴对称解推导出稳定流条件下各向同性和均质介质衬砌背后的围岩孔隙水压和作用在衬砌范围内的渗流力。通过衬砌渗流力的积分，得出衬砌范围内渗流力的合力与衬砌背后的围岩孔隙水压相当。

在国外，日本学者在计算青函隧道衬砌水压时，将围岩视为均质、各向同性的弹性塑性体，其初始应力视为静水压力状态。Darcy定律推导出隧道衬砌和灌浆加固圈区域的孔隙水压。

1.2.3数值分析方法

数值分析方法是研究水压的有效方法之一。在中国，王建秀提出了分析数值法，该方法认为深埋隧道，当截面远小于水头时，可处理为点井，通过建立隧道排水水文地质概念模型，采用经验分析法预测隧道涌水量，然后将涌水量进入隧道围岩渗流截面二维模型，模拟隧道排水围岩渗流场的分布，然后采用减少系数的方法得到隧道衬砌的外部水压。

2水荷载下围岩及衬砌的应力状态

随着高水头富水隧道和水下隧道的增多，隧道围岩和衬砌在水荷载下的稳定性越来越突出。由于外部水压的作用，衬砌墙、仰拱角和仰拱处存在明显的应力集中和突变，降低了隧道的安全性。隧道开挖造成的渗流影响边界大于机械影响边界。渗流引起的渗流力增加了围岩的应力和位移。考虑到围岩支护结构的共同作用原理，在设计隧道支护结构时应考虑渗流效应。围岩与衬砌的机械反应主要受衬砌与围岩的相对渗透性影响，是减少围岩预注浆相互作用的有效措施。

地下水对衬砌的作用一般被认为是作用于其外缘的边界荷载，但随着隧道设计理论的发展，对地下水的作用有了新的认识。事实上，一般来说，隧道外的水荷载作用于地下水位以下的整个空间（包括围岩和衬砌），通常被称为渗流力。

根据地下水处理方法的不同，建在地下水位线以下的隧道通常可分为“全堵型”、“排水型”有两种。在“全堵”隧道中，衬砌完全不透水，衬砌上的水压为静水压，确实是一种表面力；对于“排水型”隧道，围岩和衬砌是透水的，地下水是流动的，衬砌上的水压是渗流力，是一种体积力。通过对圆形隧道衬砌范围内渗流力的分析，王建宇证明了衬砌中渗流力的作用也可以用作用在衬砌和围岩界面上的表面力来表示，其量值可以称为衬砌背后围岩中的孔隙水压，使隧道水压计算模型简化为“荷载-结构”模型，便于设计人员使用。当然，渗流力对围岩的作用仍然用体积力来表示。

3高水头隧道地下水处理原则-“堵水限排”

隧道工程中地下水的处理方法有两种:“排水型”和“全封堵型”。高水头富水区隧道不同于浅埋低水头隧道。对于高水头深埋隧道，显然不能采用全封堵的衬砌结构来保护地下水。如果采用全封堵防水衬砌，由于水压不能降低，衬砌会承受很大的水压荷载。但是，它不能自由排放(或“以排为主”)，因为地下水的自由排放会对隧道周围的生态环境产生不利影响，这种处理地下水的方法违背了生态环境保护的原则，与现代隧道的设计理念极不相容。

因此，高水头富水区隧道的地下水处理设计一方面要限制地下水的排放，另一方面要尽量减少衬砌结构上的水压荷载。围岩灌浆能有效限制地下水排放，达到“堵水限排”的目的。“堵”是控制地下水排放，“排”是降低隧道内作用的衬砌压力。

采用“堵水限排”的防排水设计原则，可以显著降低衬砌上排水量小的外水压力，使隧道结构设计更加经济。隧道防排水系统采用“堵水限排”，需要确定灌浆圈厚度、渗透系数等参数值。这些参数不仅与地下水头的大小有关，还与地层渗透系数和地下水排放控制标准有关。如果不符合设计要求，灌浆圈将无法有效控制渗透到隧道衬砌背面的地下水量。当衬砌背面的地下水量超过衬砌的排水能力时，衬砌的外水压力会上升，最终不利于隧道结构的安全。此外，保证衬砌中设置的排水系统的畅通性非常重要。

只有当隧道排水系统有能力排出所有渗透到衬砌背面的地下水时，才能完全消除衬砌上的外部水压，否则在隧道结构设计中不能忽视衬砌上的外部水压。

由于隧道处于复杂的地质环境中，排水系统可能会随着时间的推移而堵塞，从而降低隧道的排水率，导致衬砌上作用的外部水压升高，对隧道结构的安全产生不利影响。因此，在设计隧道排水系统时，应考虑其可维护性，衬砌可承受一定的水荷载，以承受排水系统不良引起的外部水压，避免衬砌外部水压升高对隧道结构的破坏。