0 引言

当新建隧道穿越高压富水区时，隧址区地下水水头高、蕴藏量丰富，为保证隧道施工、运营安全，满足环保要求，不能完全自然排水。由于隧址区地下水水头高，外水压力成为影响隧道支护结构设计参数的主要因素之一，确定外水压力值是隧道支护结构设计的重要前提^[1-2]。不同于围岩压力，外水压力不因围岩成拱效应而降低，而与地下水水头和地下水处理方式密切相关^[3-4]。

在隧道工程中，地下水处理主要分为排导式和全封堵式两种类型。排导式能有效降低，甚至完全消除隧道支护结构外水压力，使支护结构设计更经济；但如果地下水的排放量控制不力，极有可能破坏隧道周边的生态环境^[5-6]。全封堵式支护结构需要承受与该位置地下水水头相当的水压力，适用于埋深较浅、地下水水头较小的隧道^[6-8]。根据类似工程的实践经验，当地下水水头小于60 m时，宜采用全封堵式；当地下水水头大于60 m时，宜采用排导方式^[7-9]。

房倩等^[8-15]对隧道注浆堵水技术进行了大量研究，在实际工程中也取得了较为广泛的应用，但基于“堵水限排”理念对复合式衬砌隧道渗水量和外水压力的影响因素及其影响规律进行的研究较少，没有明确隧道渗水量及支护结构外水压力与各影响因素间的定量关系。对高压富水区堵水限排复合式衬砌隧道而言，主要通过注浆圈和初期支护堵水，由排水系统排水；一般不考虑二次衬砌堵水作用，而视为安全储备。高压富水区堵水限排复合式衬砌隧道的渗水量和外水压力不但与地下水水头和围岩渗透性等密切相关，而且与注浆圈厚度及渗透系数等参数有关。若注浆圈太薄或渗透性较大，则无法有效减少渗流到二次衬砌背后的地下水量。当渗流到二次衬砌背后的地下水量大于排水系统的最大排水能力时，将导致支护结构外水压力升高，影响支护结构安全，影响隧道结构安全性。

本研究依托华蓥山隧道工程，基于“堵水限排”理念，深入分析隧道渗水量和外水压力的影响因素及其影响规律，得出了一些有益的结论，可作为高压富水区隧道工程防排水设计的参考。

1 工程概况 1.1 工程概况

特长华蓥山隧道是南充—大竹—梁平(川渝界)高速公路重难点控制性工程。隧道采用分离式双洞布置，左、右线长度分别为8 151 m, 8 168 m，两线间距35 m，最大埋深611 m。隧道开挖跨度12.6 m，其横断面形式如图 1所示。

华蓥山隧道地质条件异常复杂，施工难度极大。隧道右线K107+610—K107+660段，围岩破碎程度高，节理裂隙、溶隙发育，裂隙水发育，且局部有充填型溶腔。该段地下水丰富，最大静水水头达125.6 m，现场试验测得围岩渗透系数为k_s=3.84×10^-6 m/s，隧道最大涌水量Q_max=231 310.7 m³/d。

隧道施工至107+610里程附近时，对掌子面涌水量进行了监测，具体监测数据如表 1所示。

如果华蓥山隧道的防排水方式为全封堵式，衬砌将承受高达125.6 m的巨大水头，隧道结构设计与施工难度极高；如果以排为主的排导式，将引起隧址区地下水水位大幅下降，对隧道周围环境造成巨大影响，甚至还可能导致地面大面积塌陷或开裂。为避免隧道施工破坏周边环境，对华蓥山隧道采用“堵水限排”理念进行防排水设计。

1.2 “堵水限排”理念

隧道施工“堵水限排”理念是指通过注浆等方式堵水，大幅减少渗流到二次衬砌背后的地下水，由排水系统排出隧道，以较小的排水量明显降低隧道支护结构外水压力。其中，“堵”是为了控制地下水的排放量而封堵地下水渗入，“排”是通过排水系统排出地下水，从而降低作用在支护结构上的外水压力。

基于“堵水限排”理念设计的隧道防排水体系主要由注浆堵水圈、初期支护、防排水系统和二次衬砌4个部分组成^[11]，如图 2所示。

在高压富水区隧道“堵水限排”防排水体系中，注浆圈是隧道堵水的第一道防线，主要起到加固地层以提高地层稳定性和降低围岩渗透系数以堵截地下水渗流的作用；初期支护联合注浆圈封闭地下水，控制隧道渗水量，保证施工期间隧道稳定；排水系统排出渗流到二次衬砌背后的地下水；二次衬砌作为安全储备，需考虑承受一定的外水压力^[12-16]。当隧道排水系统确定，即排水能力一定时，加强注浆堵水可以降低支护结构外水压力^[16-17]。隧道施工过程中应根据实际情况选择合适的注浆材料、注浆工艺和注浆参数。随着隧道开挖，由于施工的扰动，注浆圈会出现一定范围的松弛变形，甚至产生较大的裂缝，其堵水效果会变差。因此，隧道初期支护设计时除要考虑承受一定的外水压力外，还需要考虑其防渗能力，同时还应加强初期支护背后的回填和径向注浆，修复因开挖引起的注浆圈裂缝，确保其受力整体性及堵水效果，使注浆圈和初期支护密贴，更好地联合堵水。

2 渗水量及支护结构外水压力计算 2.1 隧道渗水量及支护结构外水压力计算公式推导

基于前人的研究^[9-16]，综合考虑围岩、注浆圈及复合式衬砌结构，建立复合式衬砌隧道渗流场模型。对该模型进行以下假定：(1)隧道围岩及支护结构为各向同性均匀连续介质；(2)隧道支护结构及围岩均匀渗水，不考虑二次衬砌渗水，由排水系统排水；(3)地下水流为稳定流，且服从达西定律；(4)地下水渗流方向以径向为主。此时，渗流体积力中浮力影响较小，不予考虑，因此可近似按轴对称平面应变问题求解。

目前还没有完全适用于复杂多心圆断面形式的隧道地下水渗流问题解析公式，可以通过面积等效近似等效成圆形洞室计算^[17]，如图 3所示。

根据地下水水力学理论^[18]，有微分方程：

(1)

其中φ=-k_sh，边界条件为：r=r₀时，h=h₀；r=r_g时，h=h_g。对式(1)积分有：

(2)

又渗流速度，代入式(2)，有：

(3)

渗水量Q=-2πrν，代入式(3)，有：

(4)

代入边界条件，整理得：。同理可得：。由地下水渗流的连续性可得：

(5)

(6)

则有隧道单位长度渗水量Q的计算公式：

(7)

由于隧道衬砌厚度远小于地下水水头，作用在支护结构上的渗流力可简化为作用在支护结构外侧的面力，近似取为支护结构外侧的孔隙水压力^[11]。则有初期支护外水压力P₁的计算公式：

(8)

二次衬砌外水压力P₂=γ_wh₂，h₂由二次衬砌外水压力设计值确定。

式中，n_g=k_s/k_g，为围岩和注浆圈渗透系数之比；n₁=k_s/k₁，为围岩和初期支护渗透系数之比；r_a为隧道内半径；r₂为二次衬砌外半径；r₁为初期支护外半径；r_g为注浆圈外半径；h₂为二次衬砌外水头；h₁为初期支护外水头；h_g为注浆圈外水头；h₀为隧道中心点地下水水头；r₀为稳定渗流场水头，取r₀=h₀；γ_w为水的重度，取10 kN/m³；k_s为围岩渗透系数；k_g为注浆圈渗透系数；k₁为初期支护渗透系数; C₁, C₂为待定系数；Q_s为围岩渗流量；Q_g为注浆圈渗流量。

2.2 隧道渗水量计算 2.2.1 计算参数

选取华蓥山隧道右线K107+610—K107+660段结构设计参数，经开挖面积等效后得本研究计算参数，详见表 2。

2.2.2 隧道渗水量与初期支护渗透系数关系

将表 2计算参数代入式(7)计算得隧道渗水量随初期支护渗透系数变化曲线如图 4所示。

由图 4可知，注浆圈抗渗能力一定，隧道渗水量(Q)随着初期支护渗透系数(k₁)的降低而减小，且注浆圈抗渗性越差，减小趋势越明显。不考虑注浆及初期支护时，即取n_g=1，n₁=0时，由式(7)计算得Q=81.59 m³/(m·d)；不考虑注浆但考虑初期支护，认为初期支护抗渗性较好，取其渗透系数k₁=7.68×10^-9 m/s，即n₁=500时，由式(7)计算得Q=9.85 m³/(m·d)，渗水量仍然较高。这说明高压富水区隧道不能仅靠初期支护降低隧道渗水量。

2.2.3 隧道渗水量与注浆圈厚度关系

同第2.2.1节，取h₂=0，k₁=7.68×10^-9 m/s，即n₁=500时，由式(7)计算得渗水量随注浆圈厚度(t_g)变化曲线如图 5所示。

由图 5可知，当注浆圈渗透性相同时，注浆圈厚度(t_g)越大，隧道渗水量越小；当注浆圈厚度(t_g)相同时，注浆圈渗透系数越小，隧道渗水量越小。这说明注浆的确可以有效减少渗水量，而且改变注浆圈的厚度和渗透系数均可以调节隧道渗水量。但当t_g≥8 m，n_g≥200时，增大注浆圈厚度或降低其渗透系数对降低隧道渗水量的作用效果不再明显，这说明隧道注浆圈的厚度和渗透系数存在一个兼顾堵水效果和经济性的合理取值范围。

2.3 隧道支护结构外水压力 2.3.1 初期支护外水压力与注浆圈厚度关系

同第2.2.3节，取h₂=0，n₁=500，由式(8)计算得初期支护外水压力(P₁)随注浆圈厚度(t_g)变化曲线见图 6。

从图 6可以看出，初期支护外水压力(P₁)随注浆圈厚度(t_g)的增加及其渗透系数(k_g)的减小而降低。这表明隧道排水能力相同时，注浆圈抗渗性越强，初期支护外水压力降低越明显。当n_g≥200，t_g≥8 m时，增大注浆圈厚度或提高注浆圈抗渗能力对降低初期支护外水压力的作用效果不再明显，验证了2.2.3节的计算结果。

由第2.2节和2.3.1节的计算结果，综合考虑堵水效果和经济性，取华蓥山隧道注浆圈厚度t_g和渗透系数k_g分别为：t_g=6 m，k_g=1.92×10^-8 m/s。

2.3.2 二次衬砌外水压力与渗水量关系

由第2.3.1节，取t_g=6 m，n₁=500，由式(7)计算得二次衬砌外水压力(P₂)随隧道渗水量(Q)变化曲线见图 7。

由第2.2.2节可知，与第2.3.2节计算条件相同时，要使h₂=0，不设注浆圈渗水量为9.85 m³/(m·d)；而当设置厚度为6 m，渗透系数为1.92×10^-8m/s即n_g=200的注浆圈时，渗水量降至1.49 m³/(m·d)。这说明“堵水限排”可以实现以较低的地下水排放量有效降低支护结构外水压力。

3 隧道地下水渗流场模拟分析 3.1 隧道计算模型建立

选择华蓥山隧道右洞K107+610处地下水渗流场作为研究对象，建立三心圆断面和开挖面积等效的圆形断面两种计算模型如图 8所示。为对比分析公式的适用性，两种模型除断面形状不同外，其余参数均相同。模型尺寸为140 m×115 m×60 m(长×高×宽)。模型中注浆圈厚度为6 m。

取隧道计算模型纵向中间断面(Y=30 m)为监测断面，监测点布置如图 9所示。

边界条件：模型上表面孔隙水压力为0.64 MPa，二次衬砌不透水，由排水系统排水，左、右边界均为透水边界。其余条件与解析计算一致，数值模型开挖面积等效的圆形隧道圆心处地下水水头为125.6 m。其余相关计算参数详见表 3。

3.2 计算结果分析

隧道二次衬砌外地下水渗流矢量如图 10所示，二次衬砌外水压随渗水量变化的数值解与解析解对比见图 11。

从图 10和图 11可以看出，隧道上半断面地下水渗流速度略小于下半断面；数值解中隧道渗水量随着二次衬砌外水压力的增大而逐渐减小，二者呈线性关系，与解析法结论一致；二次衬砌外水压力解析解与数值解的误差较小(拱腰处误差小于2%)，吻合较好。二次衬砌外水压力不同时隧道渗水量的解析解与数值解对比见表 4。

从表 4可以看出，三心圆断面隧道渗水量略大于开挖面积等效圆形断面，这是由于断面形状的影响，三心圆断面仰拱弧线半径较大，隧道中心位于下半断面。

总体来看，虽然解析法和数值模拟边界条件不同，但数值解与解析解中渗水量和二次衬砌外水压力的数值大小和变化规律基本一致，两种方法相互印证了其合理性。

4 华蓥山隧道注浆堵水设计与应用

根据第3.2节和第3.3节隧道渗水量与支护结构外水压力计算分析结果，华蓥山隧道右洞K107+610~K107+660段注浆堵水圈厚度设计为6 m，渗透系数设计为1.98×10^-8 m/s左右。综合考虑浆液凝胶时间、扩散半径等选用C-S双液浆，主要采用前进式注浆，注浆终压为1.5 MPa，隧道注浆孔布置如图 12所示。

由于该段隧道埋深较大，地下水水头高，为确保隧道施工及运营安全，该段隧道支护结构设计时考虑外水压力。其中，初期支护采用厚度为25 cm的C25网喷混凝土、工20b型钢加强，按设计要求施作注浆锚杆；二次衬砌按可抗0.8 MPa静水压力设计，C40钢筋混凝土，厚度为55 cm，抗渗等级为S10。初期支护与二次衬砌之间按要求设置全环防水层和排水系统，同时为满足施工缝的抗渗要求，二次衬砌施工缝均按要求作抗渗处理。

将注浆圈设计参数代入式(7)计算得隧道涌水量Q≈1.49m³/(m·d)，满足隧道渗水量的控制标准。在华蓥山隧道施工注浆完成后测得该段隧道涌水量均值约为1.57 m³/(m·d)，略大于公式计算值，但相差较小，说明按本研究解析法设计隧道注浆圈的厚度和渗透系数满足隧道渗水量的控制标准。

5 结论

基于“堵水限排”理念，深入分析高压富水区复合式衬砌隧道渗水量和支护结构外水压力与注浆圈厚度、渗透系数之间的关系，得出以下结论：

(1) 合理控制注浆圈的厚度和渗透系数，并辅助设计具有抗渗性能的初期支护，设置适当的排水系统，可以有效降低隧道渗水量及支护结构外水压力，提高隧道支护结构抗水压力能力。

(2) 基于地下水力学，通过隧道面积等效，推导高压富水区复合式衬砌隧道渗水量和支护结构外水压力的计算公式，并通过数值计算分析，得到的理论公式解析解与数值计算结果具有较高吻合度。

(3) 高压富水区隧道渗水量和支护结构外水压力的主要控制因素为注浆圈及初期支护的厚度和渗透系数；高压富水区隧道衬砌结构设计时须考虑注浆圈与初期支护抗渗性能，降低二次衬砌背后渗水量，合理设置排水系统，在满足环保要求的前提下实现“堵水限排”，以保证隧道施工、运营安全。

(4) 根据理论解析法给出了华蓥山隧道注浆圈参数推荐值：注浆圈厚度为6 m，其渗透系数为1.92×10^-8 m/s，与现场采用的注浆堵水参数基本一致，取得了良好的经济效益，缩短了施工工期。