在隧道设计中?各种规范对水压力荷载计算的规定有所不同?下面简要介绍地铁、铁路隧道、水工隧道对水压力荷载计算的规定。

（1） 《地铁设计规范 》（ＧＢ50157）

用盾构法修建的地铁隧道采用全封堵方式?即通过衬砌管片接头处的密封装置?将地下水完全封堵在衬砌背后。因此?要求 “按静水压力 ”计算水压力荷载。即

现在的问题有以下几点：

（1）从防止地表不均匀沉降和生态环境保护出发?运用 “浅理矿山法”修建地铁隧道时也常常像盾构隧道那样采用全封堵的 “全包方案 ”?在衬砌背后沿全环设置橡胶或聚合物防水板而不再设置盲沟、 排水管等排导设施。

但是?在这种情况下?习惯于山岭隧道设计的工程师们有时仍然会基于某种考虑?不经意地袭用铁路隧道设计的做法?将水压力忽略掉。这样做的严重后果已在某些工程中显现。

例如?某地铁区间隧道 ［1］ 在衬砌背后沿全环设置 “全包 ”防水结构?不设排导系统。而在衬砌设计时却未考虑水压力?衬砌采用厚度为30ｃｍ的 Ｃ20素混凝土。隧道建成后发现在底部产生了贯通的纵向裂缝。本工程之所以未计算水压力?据说是设计者考虑到本隧道围岩渗透系数小?渗透性差?加以地下水水头本来就不高?传到衬砌背后的地下水压力经折减后可以忽略不计?并认为水工隧洞设计规范中的 “外水压力折减系数 ”表 （见表 1）可作为依据。

（2）即便是在山岭隧道工程中?地下水的排放对地表生态环境造成负面影响也屡见不鲜?例如大瑶山 9号断层、中梁山隧道等。从可持续发展战略出发?对水资源的保护的要求越来越严格?人们痛感 “以排为主 ”的地下水处治原则必须改变。因而常常采用地层注浆、降低围岩的渗透系数等方法。在 这种情况下?如何正确地计算作用在衬砌上的水压力？

例如?渝怀铁路歌乐山隧道围岩地下水发育?开挖后出现涌水现象?最高水压 2．2ＭＰａ。经地层注浆及施作初期支护 （锚喷支护 ）后?壁面上仅有渗水及局部滴水。因此曾经打算不再设置排导系统?而作成“全封堵”衬砌?并认为可按 《水工隧洞设计规范 》中 “外水压力折减系数 ”表中的折减系数?将水压力折减为 1．0ＭＰａ?采用 ｄ＝80ｃｍ钢筋混凝土衬砌。还认为由于围岩中存在厚度为 6．0ｍ“注浆加固圈”可以分担水压力。

幸运的是?为稳妥计?本隧道最后还是设置了排导系统。

在这种情况下?在二次衬砌背后到底还要不要设置地下水排导系统？如果不设置?不透水的全封堵衬砌是否可按照水工隧洞设计规范中的折减系数 表计算衬砌水压力？

（3）对于高水头的深埋隧道?既要防止控制地下水的流失?又要避免衬砌承受过大的水压力?排水系统应如何设计？什么是合理的方案？

如果将岩体在水力特性上视为连续介质?那么地下水对围岩和衬砌结构的作用应该用分布在围岩和衬砌中的场力 （体积力 ）来表示?称为渗流力。

在岩石介质渗透特性的连续介质假定以及 Ｄａｒ- ｃｙ定理的基础上?我们可以从渗流理论出发计算地下水对围岩和衬砌的作用。

采用“荷载—结构物 ”模型?问题的关键是 “水压力”?即衬砌背后的孔隙水压力 ｐ的推求。

根据 （8）式?折减系数 β值还应该同隧道半径、衬砌厚度和远场水力势 （地下水水位 ）有关。

假定隧道内径为6．0ｍ?衬砌厚度为0．5ｍ。对于地下水相对水位分别为 500ｍ、100ｍ及 50ｍ算得折减系数 β一并示于表 2中。

再回到水工隧洞设计规范的外水压力折减系数 表。按照笔者的理解?表中对 “地下水活动状态 ”的描述实际上定性地给出了围岩的渗透性?如果认为普通混凝土的渗透系数是某个既定值?那根据二者的比值关系即可得出表中建议的折减系数大致范围。其实?在规范条文 6．2．5中已明确指出折减系数表适用于估算 “作用在混凝土、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土衬砌结构上的外水压力”。

（8）式中?令 ｋｓ ＝∞?得 β＝0?Ｆ＝－ｐ＝0；令ｋｓ＝0?得 β＝1?Ｆ＝－ｐ＝Ｈ。

分别对应于衬砌 “完全透水 ”和 “全封堵 ”两种典型情况?同水工隧洞设计规范中外水压力折减系数表 （表 1）无涉。

模型试验的目的是为了进一步说服设计人员相 信：无论围岩的渗透性多么小?只要采用全封堵衬 砌?作用在衬砌上的水压力荷载不能折减?在这种情 况下?围岩注浆圈并不能分担水压力荷载。

分别用粗砂、中砂和水泥砂浆模拟不同渗透性 的围岩?将其装入容器中。介质高度取 1ｍ?相当于原型地层厚 14ｍ。顶部注入稳定水位的水?在容器底部用水压计和测压观管测量水压 （图 4）。

图 4 模拟试验示意

从地下水资源和生态保护出发对山岭隧道采用的 “以排为主 ”的地下水处治理念是必须改变的。但对地下水位高的深埋隧道?采用全封堵防水结构将会使衬砌承受过大的水压力?也是不合理的。

例如?园梁山隧道长 1 ．068ｋｍ?在岩溶强烈发育的富水段地下水水位高度可达 450～50  ｍ。

从环境保护和隧道的可靠耐久出发采用了不设排导系统的 “全封堵 ”衬砌。为了承受同地下水水位相应的 4．5ＭＰａ的水压力?采用内直径为 8．34ｍ的圆形横断面?而全封堵衬砌的厚度竟达 1．0ｍ?并在其中按 0．3 ｍ间距设置了双环 50ｋｇ／ｍ的钢轨作为“劲型钢筋”。

但是?这样强大的衬砌最终还是没有有效地将地下水“拒之门外 ”－－隧道建成后发现水透过破损的防水板从衬砌接头缝或混凝土衬砌本身渗入隧 道内。看来还得再采取排导措施。不过?既然是采用排导?水压力就不会有那么大?当初修建的 “巨型”衬砌实在是太浪费了！

对于高水头的深埋山岭隧道?采用 “全封堵 ”衬砌是否可行？什么是合理的方案？正确的做法是通过地层注浆减小围岩的渗透系 数?在此基础上?施做排导结构。这样一方面可以控制地下水排放流量?另一方面又可以避免过大的水压力荷载。可谓之“大堵小排”。

对于在围岩中注浆的情况?同样可以从轴对称简化假定推得

此式可用于在施工中通过对衬砌前后排水量的 监测对水压力的折减系数进行“反分析”。

对于复合式衬砌?在设计初期支护要考虑渗透力的作用。对此?锚杆可以起到重要作用。必要时通过地层注浆降低围岩的渗透系数。在此基础上? 修建二次衬砌时应通过疏导系统将剩余的渗水尽可能顺畅地排出?以缓解作用在二次衬砌上的水压力。

日本青函海底隧道是采用 “大堵小排 ”方案的一个范例。该隧道海底段长 23．3ｋｍ?最大水深 140ｍ?地层厚 10 ｍ?如果采用全封堵?衬砌须承受2.3 ＭＰａ的水压力。通过注浆?全隧道涌水量从预测可能值的1560ｍ3降低到 30ｍ3 （按主隧道长度均摊?每米每天涌水量为0．81ｍ3?按坑道总长均摊?每米每天涌水量为0．27ｍ3 ）?小于泵站抽水能力。全隧道地层注浆总量84．7×104 ｍ3。围岩注浆后?渗出的少量地下水通过排导系统引入隧道水沟?这就缓解了衬砌的水压力荷载?模注混凝土衬砌厚度仅为 70ｃｍ。

一般认为?可以将40～60ｍ作为采用全封堵结构的临界水头。只有当地下水位高度小于此临界值 时?采用全封堵防水才是合理的。

（1） 在埋置较浅的地铁或其他市政隧道?为 保护环境?即使是采用矿山法修建的隧道工程也要象盾构隧道那样施做全封堵的 “全包 ”防水结构。在这种情况下无论围岩的渗透性多么小?作用在衬砌上的水压力荷载不能折减。水工隧洞规范提供的外水压力折减系数表不适用于这种情况。

（2） 只有透水的衬砌才可考虑水压力荷载的折减。衬砌水压力的折减系数主要取决于衬砌渗透 系数同围岩渗透系数的比值。

对于复合式衬砌防水板背后设置无纺布渗透层 和盲管排水系统的情况?地下水虽然不能经由衬砌混凝土本身渗出?但仍然可以通过衬砌背后设置的排导系统排出?从而可以等效地认为衬砌是透水材料。在分析中?似可采用 “等效渗透系数 ”来反映复合式衬砌地下水排导特性。可以根据衬砌前后排水流量的实测运用 （1 ）式来估算折减系数。

（3） 对地下水位高的深埋隧道?采用全封堵防水结构将会使衬砌承受过大的水压力。正确的做法是通过地层注浆减小围岩的渗透系数?在此基础上? 施做排导结构。这样做?一方面可以控制地下水排放流量?另一方面又可以避免过大的水压力荷载。

一般认为?可以将40～60ｍ作为采用全封堵结构的临界水头。只有当地下水位高度小于此临界值 时?采用全封堵防水才是合理的。

（参考资料：〈1〉不同防排水方式下衬砌背后水压力特征的模型试验?见 203年 中铁西南科学研究院研究报告 ）