《富水隧道设计与工程实例 以京张高铁正盘台隧道为例》吕刚，张鹏，王迎超，于晨昀，刘建友作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《富水隧道设计与工程实例 以京张高铁正盘台隧道为例》

【作　者】吕刚，张鹏，王迎超，于晨昀，刘建友作

【丛书名】中铁设计集团隧道及地下工程技术丛书

【页 数】 223

【出版社】 北京：中国铁道出版社 , 2021.06

【ISBN号】978-7-113-27965-3

【价 格】98.00

【分 类】富水性-隧道施工-富水性-隧道工程-设计

【参考文献】 吕刚，张鹏，王迎超，于晨昀，刘建友作. 富水隧道设计与工程实例 以京张高铁正盘台隧道为例. 北京：中国铁道出版社, 2021.06.

图书封面：

图书目录：

《富水隧道设计与工程实例 以京张高铁正盘台隧道为例》内容提要：

本书以富水隧道为研究对象，探讨富水隧道建设中的关键技术难题，详细阐述围岩分级方法、施工稳定性及渗流理论，系统研究富水隧道突水灾变演化机理，并以正盘台隧道为例，归纳总结了富水隧道结构设计、通风设计、施工组织设计、防排水及注浆控制关键技术等，为我国类似隧道及地下工程的设计、技术、科研提供参考和经验借鉴，促进富水隧道建设技术的发展。 本书可供隧道工程专业及相关专业的工程技术人员、高等院校师生学习和参考。

《富水隧道设计与工程实例 以京张高铁正盘台隧道为例》内容试读

1绪

论

1.1研究背景与意义

近年来，随着西部大开发和“一带一路”倡议的加速实施，加快交通建设的要求日益显著，隧道和地下工程被广泛地运用于交通物流、市政设施、水利水电、资源存储、矿产开发、国防建设等多个领域，因此也越来越多地被人们所重视，大量的隧道工程被修建。截至2020年底，国内运营的最长隧道为秦岭隧道群，全长98km,于2020年建成通车：位于秦岭终南山的终南山隧道为目前国内运营的最长公路隧道，长18.02km。2017年7月7日贯通的港珠澳大桥水下沉管隧道，长达5.66km,最大覆水深度44m,是迄今世界上最长的海底沉管隧道。在可见的未来，仍有大量隧道工程即将落成。目前我国在建铁路隧道2950座，总长6419km。大理一瑞丽铁路高黎贡山隧道，全长34.54km,是我国最长的在建铁路隧道。北京一张家口高速铁路八达岭地下车站，地下建筑面积3.6万m2,是迄今世界上最大的高铁地下车站，车站两端的渡线隧道开挖跨度32.7，是国内单拱跨度最大的暗挖铁路隧道。截至2020年底，我国已列入建设规划的铁路隧道6354座，总长约16255km。近5年来每年新增运营公路隧道皆在1000km以上。

隧道建设的高速发展，不可避免地要求在地质条件更复杂、埋深更大、洞线更长等条件下进行开挖、建设。由于我国土地辽阔，地形条件和气候条件复杂，隧道建设过程中，不良地质导致的地质灾害频发，诸如崩塌、滑坡、塌方、岩爆、瓦斯突出和爆炸等，其中隧道穿越富水区域导致的突涌水灾害大约可以占到灾害总数的40%，是最常见的灾害事故之一。突涌水灾害一旦发生，不但造成工期延误、设备损坏等经济损失，同时也会导致施工人员伤亡，对于现场施工安全构成威胁，且随着突涌水灾害而来的还有大量次生灾害，例如塌方、地表塌陷以及水资源枯竭等。近年来，随着我国隧道及地下工程修建数量逐渐增多，施工过程中所遇到的突涌水灾害越来越多，富水隧道施工安全问题引起人们的极大关注。

突涌水灾害给国家大量的工程建设造成影响，以下是典型案例。2018年某盾构区间右线工地突发透水，引发隧道及路面坍塌，造成11人死亡、1人失踪、8人受伤，直接经济损失约5323.8万元。2018年某隧道发生一起突泥突水事件，当地连日降雨，受降雨补给，洞内涌水与地表连通导致突泥涌水量骤然增大，造成洞内2名作业人员遇难。2018年7月14日，湖北省随州市广水市鄂北地区水资源配置工程宝林隧洞发生事故，6人被困，洞内积水淤泥5200余立方米。2002年9月10日，圆梁山隧道进口正洞下导坑开挖，爆破后施工混凝土挡墙时，突然发生大规模突水突泥，突泥量4200m3,最大涌水量710m3/h,淤积导坑244m,造成多名作业人员遇难，工程损失惨重，影响施工一年之久。2006年1月21日，马鹿箐隧道出口平导挖到3174m,注浆加固后开挖出渣时，突然发生突水突泥，突泥量

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富水隧道设计与工程实例一以京张高铁正盘台隧道为例

8万m3,最大涌水量72万m3/h,淤积长度平导1600m、正洞1000m,造成多名作业人员遇难，工期停工一年，经济损失巨大。2007年8月5日，野三关隧道出口开挖出渣时，突然发生突水突泥突石，瞬间涌出泥砂与块石约5万m3,最大涌水量约15万m3/h,将洞内机械设备冲出500m后解体，造成多名作业人员遇难，经济损失巨大，工期延误一年。2008年4月30日，大支坪隧道进口注浆完成后进行开挖时，发生大规模突水涌砂，涌砂量约4000m3,最大涌水量4万m3/h,淤积长度200m。2008年7月21日，云雾山隧道出口进行超前探孔时，突然发生突水涌砂，涌砂量约1000m3,涌水量约780m3/h,造成I线淹井1035m、Ⅱ线淹井710m。2009年3月14日，梁山隧道进口开挖至2505m,发生小型突泥，突泥量约200m3,4月6日再次发生大规模突泥，突泥量约2万m3,淤泥长度230m,突泥后地表坍塌，陷坑面积50m2,深20m。2009年12月24日，象山隧道进口注浆完成后开挖时，初期支护开裂、掉块，发生坍塌约600m3,最大涌水量约7000m3/h。突水后地表大面积沉降、坍陷、房屋开裂、倒塌，搬迁800余人，经济损失较大。2010年1月14日，白云隧道爆破后发生小型突水突泥，突泥量约200m3,清淤时，再次发生大规模突水突泥，突泥量约2000m3,突水量约300m3/h,淤积长度150m,造成多名作业人员遇难。突泥点对应地表坍陷，陷坑面积300m2,深20m。

富水隧道所处的工程环境复杂，现有的大量突水突泥灾害案例和工程实践表明，特殊地质条件是灾害频发的重要原因。例如，隧道开挖穿越富水断层时，极易发生突水突泥灾害，2009年3月14日，厦深铁路梁山隧道进口开挖穿越富水断层时，发生小型突泥，突泥量约200m3。清淤时，突然再次发生大规模突水突泥，突泥量约8000m3。同年4月6日再次突泥，突泥量约2万m3,淤积长度230m。另外，在隧道通过岩溶发育区，由于围岩稳定性不足，也容易发生灾害。

由以上突水突泥案例可知，突涌水灾害难以预测，发生突然，一旦发生往往造成严重的人员伤亡以及经济损失。因此，对于富水隧道突涌水机制进行研究，探究富水隧道围岩渗流规律、突涌水机理，对围岩稳定性进行分级，对突涌水的发生时间与位置进行合理预测，是现在亟需解决的问题。对富水隧道灾害进行深入研究，可以在设计阶段提前采取合理的预防措施，避免灾害的发生。研究富水隧道突涌水机制，可以为判断突涌水灾害发生的主要原因判断提供依据，为富水隧道结构设计提供技术保障，为预测突涌水灾害发生的时间与位置预测提供分析方法，为灾后的治理与救援提供建议。因此，本书介绍的研究成果对于富水隧道工程快速、安全建造具有重要指导意义。

1.2国内外研究现状

富水隧道所处的工程地质和水文地质环境复杂，建设难度大。国内外许多学者对富水隧道建设中的难题开展了大量研究，主要有以下几个方面：

(1)渗流理论。了解富水隧道围岩渗流规律，是对隧道突水研究的第一步，通过对围岩渗流场的探究，才能推断突涌水灾害发生的潜在风险，并提出相应的预防措施。

(2)突涌水机理。突水机理研究是对富水隧道突水灾害分析的重要一环，目前国内外对富水隧道突水突泥机理研究远远不够，探究隧道突水机理，分析隧道突水过程中现象以及

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绪论

各类参数的变化规律，对于减少和控制隧道灾害的发生有着重大意义。

(3)防排水。在我国，高水压导致隧道衬砌病害的案例时有发生，研究岩溶隧道衬砌水压力特征和衬砌结构受力特征，并在此基础上研究防排水设计，对保证岩溶隧道结构安全具有重要意义。因此，有必要开展岩溶隧道衬砌结构受力特征和防排水设计的研究

(4)注浆控制。注浆作为现如今最常用的加固措施，在隧道突水防治中广泛使用，但由于注浆过程不可见，其扩散方式、防治机理等都是一个黑盒子，同时，针对不同防治要求，需要不同类型的注浆材料，因此，对注浆控制进行研究，有利于提高隧道突水防治有效性，提高施工安全性。

(5)通风。在隧道及地下工程的施工阶段，通风是与外界进行空气交换的必需途径，是为作业人员提供新鲜空气及维持机电设备正常运行必不可少的保障措施，尤其对于处于特殊情况下的隧道，如高温高湿隧道、瓦斯隧道等，必须保证洞内充足风量，稀释降低洞内有害物质的浓度并将污浊空气排出洞外，避免对人员健康造成伤害和灾害的发生。通风常常对整个工程的施工方案和施工组织设计起不可忽视的甚至是决定性的作用。

(6)结构设计。由于地下水的存在，富水区域隧道衬砌结构往往都要承受较高的水头压力，受到高水压的作用，衬砌中的任何缺陷都有可能成有渗漏水的通道，影响隧道的性能和寿命。因此，隧道防排水工程的设计与施工极为重要，其质量的好坏直接关系到隧道结构的稳定性、耐久性、安全性。

(7)施工方案。通过对富水隧道突水案例和灾害机理的归纳总结，扰动被认为是造成隧道突水的最主要的原因之一，因此，开挖工法作为人为影响因素，是造成突水的主要原因，同时也是易于控制改进的因素。

(8)施工组织设计。随着隧道工程的迅速发展，但是随着施工环境越来越复杂，地质条件的特殊性、结构形式的复杂性给隧道施工带来了一定的难度，要想保证隧道的施工质量，做好隧道施工组织设计与施工管理至关重要。

1.2.1渗流理论

富水隧道突涌水灾害的发生，与隧道围岩水的渗流有着密切关系，因此，准确了解富水隧道围岩渗流规律，对于探究突涌水灾害的成因有着至关重要的作用。

渗流理论起源于19世纪，l856年法国工程师达西(Henri Darcy)首次进行砂土渗流试验，提出了著名的达西定律，成为渗流理论的开端。随后，多名学者在达西定律的基础上，对渗流理论进一步的推导与拓展。1857年，法国学者杜平(Dupuit)以达西定律为基础，推导出了杜平公式，将渗流理论推广到非均匀渐变渗流中。1931年，理查兹(Richards)将达西定律推广应用到非饱和渗流中，并推导建立了Richards方程。l889年，俄国学者H.E茹可夫斯基首次推导了渗流微分方程，并提出了渗流分析的解析解法。

随着现代化工程的发展，隧道工程的数量越来越多，地铁、公路、铁路等，都与隧道工程密切相关，而隧道施工与运营过程中，突水突泥灾害频发，约占所有灾害数量的40%，因此，渗流理论被引入隧道工程中，用于对隧道周围渗流场，衬砌水压力、水头分布等进行预估。并根据计算结果，对施工与运营过程中隧道稳定性进行预测，并通过在设计阶段对隧道防水、支护等措施进行安全设计，以保障隧道的安全性，例如潘以恒基于复变函数和渗流力学

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富水隧道设计与工程实例一以京张高铁正盘台隧道为例

理论，采用保角变换将半无限平面围岩渗流场解析问题转化为二维圆环域的Laplace方程求解问题，根据边界条件和流量连续条件，对围岩、衬砌及注浆圈的渗流场进行联立求解，推导出半无限平面含注浆圈深埋隧道渗流场解析解，通过与镜像法解析解及数值解进行对比，验证了该解析解的可靠性，运用该解析解分析含注浆圈深埋隧道渗流场对注浆参数变化的敏感性。黄戡在分析渗流场基础上，结合强度折减法和极限分析上限法，推导存在渗透力的掌子面稳定安全系数公式，并应用于实际隧道工程，同时分析了水位高度、帷幕注浆长度等参数对渗透力与掌子面稳定性的影响规律。

同时，渗流理论也被用来对不同情况下隧道涌水情况进行预测，现阶段主要方法有采用复变函数进行保角变换，镜像法和达西定律相结合，无限含水层竖井理论和达西渗流定律相结合等。丁亮斌在预测煤炭井下探放水钻孔涌水量中，假设钻孔涌水过程为小孔薄壁出流模型，采用伯努利方程，考虑钻孔中的沿途损失，求解了井下探放水涌水量的解析解公式，并与实际测得涌水量值进行对比。并以此为依据，确定安全的施工方法，并在灾害发生后确定良好的施救与修补方案。张成平、王秀英针对山区高水位隧道建立了研究隧道排水量及衬砌外水压力的简化模型，经过理论推导得出隧道排水量以及衬砌、注浆加固圈外水压力的解析公式，并将其应用于圆梁山隧道涌水量预测及排水量与衬砌水压关系研究。房倩针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件，对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析，并且以青岛胶州湾海底隧道为工程背景，采用数值方法分析应力场对渗流场的影响，以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。

随着隧道建设的增加，所遇到的地质问题也越来越多，隧道工程环境越来越复杂，单纯的渗流理论在地质条件复杂的情况下，得出的结论精确度不够，无法适应现有工程所遇见的地质环境。因此，在渗流场的基础上，温度场、裂隙分布、围岩变形各种条件都被引入考虑范围。刘远桢研究了倾角层理岩体在渗流应力耦合作用下的稳定性，基于等效连续介质模型和Lous经验公式，建立了渗流应力耦合模型。范鹤针对高水压条件下，突涌水灾害及岩体失稳问题，以大理岩为例，研究了剪切裂隙渗流规律。伍国军基于多孔介质有效应力原理，建立了饱和岩体孔隙率、渗透系数的动态演化模型，模拟围岩体受力破坏全过程的水力完全耦合。

从现有的研究看，很多学者都对富水隧道渗流理论进行了大量研究，通过对围岩渗流场的探究，推断突涌水灾害发生的潜在风险，并提出相应的预防措施。但是，近年来，随着隧道开挖遇到工程环境越来越复杂，不同环境下围岩渗流过程也存在差别，而渗流场的解析是预测突涌水灾害的重要基础，因此，围岩在不同赋存环境下的渗流特性研究是目前岩石力学领域一个重要的研究课题，探究富水隧道不同围岩支护在不同赋存条件下的变化，例如引入注浆圈、防排水设计、结构衬砌、温度场、应力场、节理裂隙等因素的研究还不足。

1.2.2突涌水机理

国内外学者通过室内和现场试验、理论分析、数值仿真等方法系统开展了突水突泥灾变机制研究，取得了丰富的理论认识和工程经验，有效地指导了地下工程突水突泥灾害的科学预判与防治。

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(1)理论分析

突涌水灾害作为富水隧道主要灾害之一，要想探究其发生规律，对突涌水发生时间与空间做出准确的预测，理论分析必不可少。近年来，国内外专家学者对于突涌水灾害发生的类型进行了分类，对突涌水发生的条件、构成要素、力学机制进行了分析。路为针对岩溶充填性致灾构造，建立了强渗透弱胶结介质渗流控制方程、弱渗透强胶结充填介质的力学模型及失稳判据，系统分析了充填介质的渗透失稳演化机理。李利平运用断裂力学、岩溶地质学、工程水力学等理论，分析了岩溶地区水岩相互作用对突涌水的影响，揭示岩溶地区裂隙在突水前后过程的力学机制，并对最小岩石防突厚度进行了定义，得到了最小岩石防突厚度半解析解。

2017年，李术才总结现有突水案例，提出了隧道突水灾害的概念、类型、构成三要素，总结了隧道突水灾害力学模型、致灾机理、失稳判据的研究成果，并从构成三要素角度归纳了隧道突水致灾机理方面的现状与问题，提出了今后的发展趋势与方向。

(2)室内与现场试验

室内试验是研究富水隧道突涌水灾害的一项重要手段，可以真实而准确地反映出富水隧道施工过程中，各项参数的变化。近年来，国内外学者通过室内和现场试验开展了许多突涌水研究，揭示了不同情况下的隧道突水机理，不仅对隧道突水模式进行了分类，同时，路为根据隧道不同位置的岩溶发育，自主研发了三维组合式固液耦合试验平台和水压加载控制系统，开展了施工过程中隧道岩溶突涌水的物理模型试验，揭示了隧道开挖诱发不同位置溶洞突水的灾变演化机理，提出了溶洞突水前兆多元信息的演化规律及临突特征。张艳博开展了粉砂岩试样在水压条件下的双轴加载试验，采用声发射系统、红外热像仪和高速照相机实时监测了粉砂岩巷道掘进面突水过程中多元信息的变化，揭示了粉砂岩巷道突水过程中前兆信息演化规律。在此基础上，根据对隧道突水机理、突水发生的前兆信息的研究成果，结合理论分析，对于隧道突水的突水风险，突水量，以及突水形式进行预测，建立了工程预警机制。

物理模型虽然可以较为真实地反映突涌水灾害发生前后富水隧道的各项物理参数变化，然而试验也存在一定的局限性，室内模型试验建模困难，且由于室内模型试验并不能完全模拟现场实际工程情况，因此所得结果必然与实际有所出入。而现场试验虽然结果贴近实际，但工程现场干扰因素较多，试验结果准确度不易把控，且现场试验条件需根据实际工程情况决定，因此得到的结论不具有普适性。

(3)数值模拟

隧道突涌水灾害形成机理较为复杂，模型试验与现场试验皆有其局限性，因此数值模拟方法越来越多地被应用于隧道工程，并取得较好研究效果。对于隧道突水机理，突水灾害预警，突水量预测，多种数值模拟软件都发挥了很重要的角色：同时，利用数值模拟的优势，针对不同工程实际情况进行研究，数值模拟结果可以为隧道设计、施工过程提出指导性意见。

胡义新等采用考虑渗流一损伤耦合机制的RFPA软件，建立非线性渗流突水模型，基于两种

不同岩体渗流率工况，分析了渗流作用下隧道断层破碎带突水通道形成的演化过程，最后基于突水灾变演化规律提出了小净距隧道断层破碎带防治突涌水的技术。王勇采用有限元软

件ANSYS模拟了某岩溶隧道开挖过程，建立了溶洞顶板安全厚度预测模型，为岩溶隧道的

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富水隧道设计与工程实例一以京张高铁正盘台隧道为例

设计及施工方案的确定提供依据和参考。傅立磊结合Visual MODFL0有限差分软件，建立了一种基于连通示踪试验的地下水集中渗漏通道数值模型，分析断裂破碎带区地下水溶质运移规律，并建立断裂活动性、断裂力学性质、断裂规模、断裂两盘岩性以及地下水的埋深5种优势指标及其量化体系，根据优势指标确定文兴隧道工程中突涌水等级，针对划分的突涌水优势断裂等级采用相应的工程对策，确保隧道安全施工，对类似工程问题的处理有指导作用和借鉴意义。

尽管国内外学者在富水隧道突涌水方面进行了大量的研究，但伴随着隧道埋深的不断增加，深部岩体经常伴随着高地应力、高水压溶洞与裂隙等复杂的环境，遇到的地质问题更加复杂，以往的经验尚显不足，现有研究水平还不足以满足工程建设的需要，因此，迫切需要针对深部复杂条件下富水隧道突水机理进行更加深入的研究，为隧道的突涌水治理提供经验。

1.2.3防排水

隧道施工过程中，为防止突涌水灾害的发生，对于富水区域的水如何处理，一直是研究者非常重视的问题，随着时代的发展，富水隧道防排水技术基本经历了以排为主、以堵为主、排堵结合三个阶段。

(1)完全排水，以排为主

在施工过程中设计泄水孔，完全排净周围的水，可以有效地避免施工过程中突涌水灾害的发生，规避了灾害风险，但是，水的疏干对于当地生态环境将会造成极大的不良影响，水分流失，动植物缺水死亡，对当地生态系统造成不可逆的破坏，得不偿失，在隧道工程发展早期，主要采用这种方法。

(2)完全堵水，以堵为主

以堵为主的方案可以将隧道建设对于周边环境的影响降至最低，完全堵水的设计方案现如今主要运用于海底隧道。例如，我国厦门海底隧道，在海底隧道结构防排水原则和标准的基础上，按照临界地下水位原则，通过数值分析计算出厦门海底隧道设置盲管排水系统后的排水量和衬砌背后水压，并在计算结果基础上，采用在主隧道不良地质地段和整个服务隧道采用全封堵方案，在主隧道完整围岩地段采用限量排放方案的防排水设计。但全堵水方案，由于没有排除水，隧道需抵抗大规模的水压力，对于支护以及防水结构有着较高的要求，且施工过程中发生灾害的概率较大。

(3)排堵结合，限量排放

随着隧道开挖技术的不断研究，近年来，学界开始提出“排堵结合、限量排放”的概念，开挖前对于隧道掌子面前土体进行预加固，增加待开挖土体的土体强度以避免软弱围岩在开挖过程中发生坍塌，同时衬砌背后敷设排水系统，可以达到限量排水的效果，从而将作用在隧道衬砌上的水压力降至可以承受的范围。基于这一概念，在对不同工况进行研究，分析了地下水渗流场，衬砌水压力等物理参数，针对不同情况，多种防排水设计方案也被提出，例如隧道基层排水+连续配筋混凝土层防水，全环注浆加固圈形成隔水圈作为“严堵”，设置排导系统缓解衬砌上的水压力作为“畅排”，仰拱下设排水沟防排水方式。

随着隧道工程规模的扩大，根据现有监测隧道防排水设计的经验和成果，防排水效果主

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