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矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024收稿日期：2023-05-17修回日期：2023-10-23基金项目：国家自然科学基金（U2034205）；中央高校基本科研业务费专项资金（2682022CX073）；浙江省交通科技项目（2021051）；四川交通科技项目（2021-MS1-030,2021-B-01）；国铁集团系统性重大项目（P2022G055）；中国铁路设计集团有限公司科技开发课题（2020YY240610）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目重大课题（K2020G033）.作者简介：靖一峰（1999-），男，硕士研究生，主要从事隧道与地下工程相关研究工作，E-mail：.通讯作者：梅 洁（1991-），女，博士，讲师，主要从事富水深埋隧道工程及裂隙岩体力学特性相关研究工作，E-mail：.矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究靖一峰1汪 波1梅 洁1,2熊文威1孟庆余3（1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学城市轨道交通学院，成都 611756；3.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）摘要：高水压及上覆淤泥层等复杂地质条件是影响海底隧道渗流特征与防排水设计的关键因素。为系统研究海底隧道周围水压分布规律及涌水量特征，基于水力学理论，推导考虑上覆淤泥层的海底隧道渗流场解析解，并建立相应的数值模型，通过与理论结果的对比分析，验证数值模型的适用性和准确性。通过数值模拟，获得海域段隧道最优限量排水方案与合理泄压值，进一步探究淤泥层厚度和覆盖率等因素对隧道涌水量及衬砌背后水压力分布特征的影响规律，揭示上覆淤泥层对海底隧道渗流特征的作用机理。结果表明：（1）随着泄压值的增大，隧道排水量呈线性递减趋势，衬砌背后水压力呈线性增大；在相同泄压值条件下，随着环向排水盲管间距的增大，隧道排水量逐渐减小，衬砌背后水压力逐渐增大。（2）在淤泥厚度为12 m时海域矿山法段隧道最优限量排放方案为半包防水型式，排水方式选取“间隔6 m环向排水盲管+纵向排水盲管”，泄压值为400 kPa。（3）淤泥层厚度和覆盖率的增加可以减小排水量并在一定程度上降低衬砌背后水压力；在弱风化花岗岩与淤泥覆盖层交界处，衬砌背后水压力出现一定程度的突变，应重点考虑通过确定的淤泥层覆盖率或局部淤泥层厚度来合理优化排水系统的排水参数。关键词：海底隧道；淤泥覆盖层；排水量；水压力分布；限量排放中图分类号：U453.6文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）01-0084-12DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.008引文格式：靖一峰，汪 波，梅 洁，等.矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究J.现代隧道技术,2024,61(1):84-95.JING Yifeng,WANG Bo,MEI Jie,et al.Study on Water Pressure Distribution Pattern and Limited Drainage Design ofMined Subsea TunnelJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):84-95.1引 言随着国家“交通强国”与“海洋强国”战略的实施，一大批海底隧道工程建设正深入推进。相较于山岭隧道，海底隧道的修建面临无限海水补给、海域高水压和地质构造多变等难题1，由此引发的渗漏水、突涌水等工程灾害严重威胁海底隧道建设和运营安全2，3。已有研究表明，合理的防排水措施可有效降低高水压对隧道结构的危害3。因此，明确海底隧道周围水压分布规律，优化防排水设计方案，是海底隧道建设和运营安全的必要前提和保障。截至目前，一些学者采用理论分析、数值模拟和模型试验等方法对隧道涌水量预测和衬砌背后水压力的分布规律进行研究，分析了围岩、注浆圈和支护结构等关键因素对隧道渗流场的影响，并建立相应的解析解和计算方法47。相对而言，考虑特殊地质及防排水措施影响的隧道排水量和衬砌背后水压力分布规律问题更为复杂。为此，一些学者进行了有益探索。成国文等8利用镜像叠加原理，对断层影响区域内的隧道涌水量进行预测，并推导了隧道渗流场的Goodman解析解。苏培东等9分析了花岗岩蚀变带地区隧道涌水的成因机理，并采用模糊数学建立模型对隧道涌水量进行预测。傅鹤林等10考虑支护结构内缘承担的水头，并基于地下水力学理论及达西定律构建了涌水量计算模型，揭示各结构及排水体系对隧道涌水的影响机制。何本国等11考虑盲管限量排水和防水板的隔水效应，通过理论推导出支护体系承担的水荷载解析解。特别是在高水压条件下（0.5 MPa12），探84矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版明水压力分布规律及优化限量排放设计尤为重要。黄 锋等13针对高压富水区限排隧道不同防水条件下的衬砌水压力分布规律进行研究。张顶立等14建立由复合支护结构和复合围岩组成的水荷载计算模型，以渗水量和水荷载为控制目标，建立海底隧道防排水系统的设计方法。此外，在一些特殊地质段，海底隧道围岩上方往往分布有淤泥层，由于岩层高度不一，淤泥层厚度和分布区域也有所不同，进一步加剧了地质条件和隧道渗流特征的复杂性。截至目前，许多学者针对海底隧道防排水设计开展了大量研究，然而，考虑深厚淤泥覆盖层条件下隧道水压分布规律的研究还较为匮乏，缺少对海底隧道涌水量的深入量化分析，难以为实际工程提供有效的指导。相对于理论分析和室内试验，数值模拟为海底隧道渗流规律的深入研究提供了有效方法，通过数值模拟可以处理复杂地质条件下的渗流问题，并可量化分析隧道排水量变化和水压力的分布规律。本文依托汕头湾海底隧道，开展高水压及上覆淤泥层作用下矿山法海底隧道的水压力分布规律与限排设计研究。首先，推导了考虑上覆淤泥层的海底隧道渗流场解析解，分析了隧道涌水量和衬砌背后不同位置处水压分布特征；进而，基于数值模拟方法，以最大排水量为限定标准，获得了防水型式、排水盲管间距与泄压值等合理限量排放方案；最后，探究了淤泥层厚度与覆盖率两个关键因素对隧道排水量和水压力的影响机制。主要研究成果对复杂地质条件下海底隧道防排水设计及工程安全性评价具有一定的理论意义和参考价值。2深厚淤泥覆盖层渗流场研究2.1工程概况汕头湾海底隧道海域矿山法段（DK160+795DK161+851）下穿汕头湾海域，全长1 056 m。图1（a）为汕头湾海底隧道海域矿山法段纵断面示意图。区域内受燕山期花岗岩侵入，所处地层主要为弱风化花岗岩，局部区域分布有中粗砂、强风化花岗岩和全风化花岗岩，且在全区域广泛分布有淤泥和淤泥质土。隧底最低处距海面高度为 97 m，水压高达0.985 MPa。海底下方分布有深厚淤泥覆盖层，层厚为0.812.3 m。该隧道在2号斜井底部设计有一处蓄水池，为海域段与陆域段共用（图1（b），该蓄水池的最大隧道排水量初步拟定为1 040 m3/d。隧道前期进行排水设计时，陆域段隧道排水量约为255m3/d，海域段最大隧道排水量为785 m3/d，并考虑蓄水池4 d图1 汕头湾海底隧道海域矿山法段纵断面及蓄水池位置示意Fig.1 Schematic diagram for the profile of the mined tunnelsection and the location of the impounding reservoir in Shantoubay subsea tunnel抽水一次的拟定作业频率15，故海域段隧道排水量限定为196.25 m3/d。该限定值为初步计算设定，后续可根据工程现场实际情况与排水方案，动态优化限定条件，综合考虑确定泵房和抽排水方案。2.2渗流场解析计算为研究高水压及上覆淤泥层作用下海底隧道涌水量及水压力分布特征，选取海域段隧道结构及周围岩体纵断面，进行渗流场解析计算。图2为隧道渗流场解析计算模型，海水深为hw，r0为二次衬砌内径；r1为初期支护内径；r2为注浆圈内径；r3为注浆圈外径；R为隧道开挖引起的渗流场扰动范围半径；h1为淤泥覆盖层厚度；h2为隧道中心至淤泥覆盖层底面距离。此外，二次衬砌渗透系数、初期支护渗透系数、注浆圈渗透系数、淤泥渗透系数分别为k1、k2、k3、km。解析计算时满足如下假设：（1）模型处于稳定渗流状态，满足达西定律；（2）将围岩视为均匀连续各向同性介质。根据水力学渗透理论和裘布依水井理论，得到考虑多种地层的围岩平均渗透系数17，如式（1）所示。85矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024-k=2i=1nkimi2h-sw（1）式中：ki为某含水层渗透系数；mi为某含水层厚度；h为地层计算高度；sw为水头降落高度。图2 海域矿山法段隧道渗流场解析计算模型16Fig.2 Analytic calculation model for seepage field of minedsubsea tunnel16考虑海底隧道sw=0，故由式（1）求得考虑上覆淤泥层的围岩平均渗透系数为：-k=i=1nkimih（2）依据达西定律和拉普拉斯方程，得到渗流连续方程18：2Pwr2+1rPwr+2Pwz2=0（3）式中，Pw为水压力。汕头湾海底隧道沿轴向里程足够长，可认为处于平面应变状态，故2Pwz2=0，则式（3）可简化为：2Pwr2+1rPwr=0（4）利用边界条件的连续性可以得到水压力分布计算公式18：当r0rr1时，Pw=k2k3-klnrr0k1k2k3lnRr3+k1k2-klnr3r2+k1k3-klnr2r1+k2k3-klnr1r0Pi（5）当r1rr2时，Pw=k1k3-klnrr1+k2k3-klnr1r0k1k2k3lnRr3+k1k2-klnr3r2+k1k3-klnr2r1+k2k3-klnr1r0Pi（6）当r2rr3时，Pw=k1k2-klnrr2+k1k3-klnr2r1+k2k3-klnr1r0k1k2k3lnRr3+k1k2-klnr3r2+k1k3-klnr2r1+k2k3-klnr1r0Pi（7）当r3rR时，Pw=k1k2k3lnrr3+k1k2-klnr3r2+k1k3-klnr2r1+k2k3-klnr1r0k1k2k3lnRr3+k1k2-klnr3r2+k1k3-klnr2r1+k2k3-klnr1r0Pi（8）式中，Pi为初始水压力。因此，衬砌背后水压力（r=r1）为：Pw=k2k3-klnr1r0k1k2k3lnRr3+k1k2-klnr3r2+k1k3-klnr2r1+k2k3-klnr1r0Pi（9）隧道衬砌内某点的涌水量17为：qi=k1d()Pw/dr（10）根据文献17,18可进一步在衬砌内积分，推得隧道单位长度涌水量为：Q=02qird（11）Q=2()1-klnRr3+1k3lnr3r2+1k2lnr2r1+1k1lnr1r0Pi（12）3隧道数值模型建立与准确性验证3.1数值模型的建立图3（a）为隧道横断面设计图，隧道二次衬砌内径r0=6.59 m，初期支护厚度为0.15 m（采用C25混凝土），二次衬砌厚度为0.4 m（采用C50混凝土），注浆圈厚度为3 m，防水层采用土工布+EVA防水板。海底下方设置有12 m厚的淤泥覆盖层，淤泥质土厚度为2 m，中粗砂厚度为2 m，全风化花岗岩厚度为3 m，强风化花岗岩厚度为1 m，其余均为弱风化花岗岩地层。依据汕头湾海底隧道工程地质勘察报告、文献调研及工程经验，围岩和支护材料物理力学参数见表1。基于有限单元法，采用 Abaqus 软件建立三维渗流模型，充分考虑边界效应的影响，模型尺寸为1 950 m（长）1 020 m（宽）380 m（高），隧道全长为1 056 m（具有一定坡度）。数值模型和网格划分情况如图3（b）、（c）所示，模型网格划分采用四节点和八节点孔压实体单元（C3D4P、C3D8P），共划分为86矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版表1 围岩和支护材料物理力学参数Table 1Physical and mechanical parameters ofsurrounding rock and support materials材料名称淤泥淤泥质土中粗砂全风化花岗岩强风化花岗岩弱风化花岗岩注浆圈初期支护二次衬砌弹性模量/GPa0.0060.0150.0111.256.9910.2622834.50泊松比0.450.350.300.250.250.250.300.200.20渗透系数/（md-1）0.020.02220.500.300.085.610-4110-4110-5842 429个网格，在淤泥覆盖层和隧道处划分细密网格以确保渗流参数计算和数值模拟的精度。在数值模拟研究中，模型边界条件为底部设置竖向位移约束，四周设置水平位移约束，顶部海平面设置孔压为零的边界，隧道开挖后，设置衬砌内表面为自由排水边界，通过设置防水层为不透水材料，模拟防水层的防水效果。3.2数值模型准确性验证基于建立的数值模型进行渗流计算，获得隧道衬砌背后水压力与相应的涌水量，并与解析解进行对比分析。为避免边界效应的影响，选择距离模型边界 250 m 位置（里程为 DK161+045）作为监测断面，在拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、拱底5处设置监测点，如图4所示。在进行解析计算时，材料参数与数值模拟保持一致。另外，由隧道纵断面图可知，监测断面处海水深度为hw=26.7 m，淤泥覆盖层厚度为h1=12 m，隧道图4 隧道监测点分布Fig.4 Distribution of tunnel monitoring points中心至淤泥覆盖层底面距离为h2=43 m。为保证计算准确，应尽量增大隧道开挖引起的渗流场扰动范围半径R，使边界远离隧道但不超过水位线17，故R取为55 m。图5为隧道渗流场数值模拟结果与2.2节衬砌背后水压力和隧道单位长度涌水量解析解对比图。由图5（a）可知，衬砌背后水压力从拱顶至拱底逐渐增大，其数值模拟计算结果与解析解的最大误差为1.36%。图5（b）所示为隧道监测断面单位长度的涌水量计算结果对比，数值模拟与解析解计算结果分别为0.068 m2/d和0.076 m2/d，两者之间相差较小。由此认为，数值模拟结果与解析解具有较好的一致性，验证了数值模型的准确性。4合理防排水方案确定为了确定海域矿山法段限量排放方案和防水型式，首先计算不同防水型式下各限量排放方案的隧道排水量，然后获得满足海域矿山法段最大设计排水量要求时衬砌背后所承担的最小水压力，进而确定合理防水型式及泄压值，最后结合抽排水费用，确定最优限量排水方案。图3 海域矿山法段隧道横断面、数值模型及网格划分Fig.3 Cross section,numerical model and mesh generation of mined subsea tunnel87矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024海域矿山法段综合采用防水板以及环向排水盲管、纵向排水盲管进行防排水，并且在隧道底部设置泄压阀系统使排水盲管达到特定的泄压值，以实现限量排水方案。图6所示为泄压阀系统示意图，泄压阀具备流体单向控制性能，即当隧底排水管道中水压力达到泄压值时，通过单向阀系统将隧底排水管道的水排入中心沟中，降低外围水压力对隧道结构的破坏。图6 隧道泄压阀系统示意Fig.6 Schematic diagram for pressure relief valve system of tunnel为确定合理限量排放方案，选取淤泥覆盖层厚度为12 m的隧道为研究对象，设置全包和半包2种防水型式，0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400kPa、500 kPa、600 kPa、700 kPa 8种泄压值，以及3种排水方式，包括：（1）间隔6 m环向排水盲管+纵向排水盲管；（2）间隔12 m环向排水盲管+纵向排水盲管；（3）纵向排水盲管，共计48种工况。图7（a）为隧道防排水系统数值模型示意图，在前文数值模型基础上，设置环向排水盲管、纵向排水盲管和防水板等防排水措施。考虑到环向排水盲管与纵向排水盲管约有一半面积接触结构排水，故将环向排水盲管简化成宽度为0.25 m的矩形面单元，纵向排水盲管简化为宽度是一半波纹管周长的矩形面单元19，排水盲管模型简化示意如图7（b）所示。并且，在数值计算中通过设置整个排水盲管面单元的孔压值与泄压值一致来模拟泄压阀系统的限量排放措施20。同时围岩-初期支护-排水盲管矩形面-防水板-二次衬砌之间通过设置绑定（tie）约束条件进行模拟。图7 隧道防排水系统数值模型和排水管简化模型示意Fig.7 Schematic diagram for numerical model of tunnelwaterproofing and drainage system and simplified model ofdrainage pipe图5 数值模拟结果与解析解对比Fig.5 Comparison between numerical simulation result and analytical solution88矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版4.1隧道排水量分析图8为深厚淤泥覆盖层条件下不同防排水型式及泄压值的隧道排水量曲线。由图8可知，隧道排水量随泄压值的增大呈线性递减趋势。在相同泄压值条件下，隧道排水量随环向排水盲管间距的增大而减小，说明随着泄压值增大和环向排水盲管间距的增加，隧道排水系统的排水作用减弱，隧道排水量随之减小，并且环向排水盲管对排水量的贡献大于纵向排水盲管。此外，当泄压值为700 kPa时，不同图8 不同防排水型式及泄压值条件下隧道排水量曲线Fig.8Curve for tunnel water drainage in different waterproofing and drainage systems and under different depressurizationvalues排水方式的排水量相差不大，说明泄压值对于排水量的控制要大于排水盲管间距的影响。对比图8中半包和全包两种防水型式可知，半包防水型式的隧道排水量稍大于全包防水型式，分析认为是，防水板半包型式相较于全包型式具有更多的排水面积。综合考虑海域段蓄水池的最大隧道排水量，由此可以得到满足海域段排水系统排水能力的工况，见表2。表2 满足蓄水池最大设计排水量条件的工况Table 2 The cases meeting maximum design waterdrainage of impounding reservoir防水型式半包半包半包全包全包全包排水方式6 m环向+纵向排水盲管12 m环向+纵向排水盲管纵向排水盲管6 m环向+纵向排水盲管12 m环向+纵向排水盲管纵向排水盲管泄压值/kPa400700200700070040070010070007004.2衬砌背后水压力分析隧道衬砌背后水压力受泄压值和排水方式的影响显著，图9为不同防排水条件下水压分布规律。相同排水方式作用下，衬砌背后水压力随泄压值的图9 3种泄压排水方式在不同泄压值下的衬砌背后水压力Fig.9 Water pressure behind the lining in 3 depressurization and drainage systems under different depressurization values89矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024增大呈线性增大。此外，在泄压值一定时，随着环向排水盲管间距的增加，衬砌背后水压力也逐渐增大。这说明通过降低泄压值和增加环向排水盲管的密集程度都可以达到降低衬砌背后水压力的效果，且通过选择合理的泄压值，可以优化环向排水盲管的布设密度。通过对比可知，全包防水型式的衬砌背后水压力要稍大于半包防水型式。随泄压值的改变，隧道衬砌背后水压力最大值的位置有所不同，表3列出了不同工况下隧道衬砌背后水压力最大值位置。表3 不同工况下衬砌背后水压力最大值位置Table 3 Maximum water pressure points behind the liningin different cases防水型式半包半包半包全包全包全包全包全包全包排水方式6 m环向+纵向排水盲管12 m环向+纵向排水盲管纵向排水盲管6 m环向+纵向排水盲管6 m环向+纵向排水盲管12 m环向+纵向排水盲管12 m环向+纵向排水盲管纵向排水盲管纵向排水盲管泄压值/kPa070007000700030040070002003007000100700最大值位置拱腰拱腰拱腰拱腰拱脚拱腰拱脚拱腰拱脚由表3分析可知，多数情况下，水压最大值分布在拱腰和拱脚，并且随着泄压值增大，最大值位置从拱腰逐渐向拱脚移动。依据排水泄压作用下隧道衬砌背后水压力变化机理（图10），分析认为，主要原因在于纵向排水盲管的泄压作用。当无纵向排水盲管排水时，衬砌背后水压力主要受水头控制，此时水压由拱顶至拱底依次增加，拱底处水压最大。当纵向排水盲管排水时，衬砌背后水压力主要与水头和图10 排水泄压作用下隧道衬砌背后水压力变化机理Fig.10 Change mechanism of water pressure behind the tunnellining under the effect of drainage and depressurization纵向排水盲管的泄压作用有关，此时拱底处水压最低，由拱底至拱顶，泄压作用影响逐渐减小，水压逐渐增加。且越靠近纵向排水盲管的位置，水压降低得越多。随着泄压值增大，水头对衬砌背后水压力影响的贡献更大。在后续研究中，将最大值位置作为控制点，并将对应的隧道轴线方向衬砌背后水压力分布情况进行进一步分析。4.3合理限量排放方案确定基于确定的隧道衬砌控制点位置处水压力沿里程的分布情况，进而获得不同工况下最不利断面位置的水压力值，综合排水量、排水费用并考虑水压力对隧道结构的影响，确定最优限量排放方案。图11为隧道衬砌控制点水压力沿里程变化曲线，由图11可知，衬砌背后水压力随里程的增加而逐渐减小。分析认为，由于海域矿山法段隧道具有一定的坡度，隧道高程随里程的增加而随之增加（图1）。不同工况下，水压力最大值均出现在里程为0 m处，该位置为海域矿山法段隧道高程最低点，该处为海域段隧道的最不利断面，但为了避免边界效应的影响，将距离边界250 m位置处（DK161+045）作为限排方案的水压力选择控制断面。图11 隧道衬砌控制点水压力沿里程变化曲线（半包防水型式）Fig.11 Curve for variation of water pressure at tunnel liningcontrol point along the mileage(semi-closed waterproofingmethod)对比分析各工况下监测断面处的衬砌背后水压力，半包防水型式和全包防水型式均在采用排水方式为“间隔6 m环向排水盲管+纵向排水盲管”、泄压值为400 kPa时取得水压力最小值，分别为668.347 kPa和733.763 kPa，对应的排水量分别为184.292 m3/d和161.18 m3/d。全包防水型式排水量稍小于半包防水90矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版型式，但衬砌背后水压力较半包型式相差较大。结合经济效益认为选择半包防水型式较为合理，同时考虑到隧道排水系统的完整性，选择环向与纵向排水盲管相结合的方案。此外，结合运营期间机械抽排费用调研结果，主要依据排水量，按照1 m3水提升100 m所需费用为1元的标准，对考虑电费和机械设备费等的排水费用进行计算。其中，对于半包防水型式下“间隔6 m环向排水盲管”的排水方案，泄压值为400 kPa相比于500 kPa泄压值工况，排水费用每年增加不到5 000元。综合分析认为，虽然减小泄压值，会增加一部分排水费用，但由图11可知，相同排水方案下，增大泄压值对衬砌背后水压力的增加影响较为明显。考虑到汕头湾海底隧道的高水压特点，对隧道衬砌的耐久性具有一定影响，为了保障隧道结构与排水系统的安全，防止隧道突涌水的发生，选择泄压值相对较小且环向排水盲管较密集的方案。因此，在满足隧道最大设计排水量的前提下，上覆淤泥层厚度为12 m时，海域矿山法段隧道最优限量排放方案为：半包防水型式，排水方式选取“间隔6 m环向排水盲管+纵向排水盲管”，泄压值为400 kPa。同时，可以根据不同区段的实际排水量，以及排水泵房数量、集水池规模进行动态调整。5淤泥覆盖层厚度和淤泥层覆盖率对隧道排水量及水压力的影响5.1淤泥覆盖层厚度对隧道排水量及水压力的影响由图1可知，上覆淤泥层厚度不均，其对隧道渗流特征影响规律不明。为研究不同淤泥覆盖层厚度对隧道排水量和衬砌背后水压力的影响规律，将淤泥层厚度t定义为淤泥层上表面到下表面之间的距离，如图12所示。选取上述确定的最优限量排放方案，在保持泄压值400 kPa和“间隔6 m环向排水盲管+图12 淤泥覆盖层厚度模型示意Fig.12 Schematic diagram for silt overburden thickness model纵向排水盲管”的排水方式恒定的条件下，将淤泥覆盖层厚度t分别设置为0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m，计算不同淤泥层厚度条件下的排水量和水压力。5.1.1淤泥覆盖层厚度对隧道排水量的影响图13所示是不同淤泥层厚度条件下海域矿山法段隧道排水量及围岩平均渗透系数，由图13可知，淤泥覆盖层厚度对排水量有一定影响。随淤泥层厚度增加，隧道排水量逐渐降低，且在淤泥覆盖层厚度为0 3 m范围内，排水量减小程度最为明显。淤泥厚度为3m时隧道排水量较无淤泥条件下减小了0.2 m3/d，说明淤泥覆盖层可以减小隧道排水量。分析认为，淤泥覆盖层的渗透性小于弱风化花岗岩的，淤泥层可视为一种隔水介质，实现对隧道排水量的降低。在厚度为315 m范围内，随着淤泥层厚度的增加，隧道排水量持续减少，并近似呈线性变化。分析认为，在渗流区域内随淤泥厚度增加，围岩平均渗透系数减小，渗入隧道的总水量减少，进而通过排水系统排出的水量也随之减小。图13 不同淤泥覆盖层厚度下隧道排水量及围岩平均渗透系数Fig.13Water drainage of tunnel and average coefficient ofpermeability of surrounding rock under different silt overburdenthickness values5.1.2淤泥覆盖层厚度对衬砌背后水压力的影响图14为不同淤泥覆盖层厚度下隧道控制点处衬砌背后水压力，由图14可知，水压力最大值均出现在里程为0 m处，即最不利断面。随着淤泥层厚度增加，衬砌背后水压力持续减小，但降低幅度不明显。分析认为，在渗流区域内仅靠隧道的排水系统进行排水，随着淤泥层厚度t的增加，渗入隧道的总水量减少，在相同泄压值与排水系统作用下，衬砌背后水压力也随之减小。然而，在稳定渗流状态下，采用合理的泄压排水方案及泄压值时，地层平均渗透性的微小改变对海底隧道衬砌背后水压力影响程度有限。91矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图14 不同淤泥覆盖层厚度下衬砌背后水压力Fig.14 Water pressure behind the lining under different siltoverburden thickness values5.2淤泥层覆盖率对隧道排水量及水压力的影响通过图1可知，海底面覆盖有一层淤泥，然而在实际情况中淤泥可能并非全部覆盖，有些位置海底为裸露的弱风化花岗岩。为研究不同淤泥层覆盖率对隧道排水量和衬砌背后水压力的影响规律，将淤泥覆盖区域长度a与总里程长度A的比值定义为淤泥层覆盖率P，如图15所示。选取上述确定的合理排水量限量排放方案，在保持泄压值400 kPa和“间隔6 m环向排水盲管+纵向排水盲管”的排水方式恒定的条件下，固定淤泥覆盖层厚度t=12 m，并将淤泥层覆盖率P分别设置为0%（无淤泥）、20%、40%、60%、80%、100%，计算不同淤泥层覆盖率条件下的排水量和水压力。图15 淤泥层覆盖率模型示意Fig.15 Schematic diagram for silt layer coverage rate model5.2.1淤泥层覆盖率对隧道排水量的影响图16为不同淤泥层覆盖率条件下隧道排水量，由图16可知，淤泥层覆盖率对排水量有一定影响。随着淤泥层覆盖率的增加，隧道排水量随之减少，呈现近似线性变化。淤泥层全覆盖（P=100%）条件下隧道排水量较无淤泥（P=0%）情况减小了0.81 m3/d，图16 不同淤泥层覆盖率的隧道排水量Fig.16 Tunnel water drainage under different silt layercoverage rates说明淤泥覆盖率提升能够减小隧道排水量。分析认为，淤泥的渗透性小于弱风化花岗岩的，故在淤泥覆盖区域内渗入隧道的总水量较弱风化花岗岩区域明显降低，淤泥覆盖区域对排水量有一定的减弱作用。5.2.2淤泥层覆盖率对衬砌背后水压力的影响图17为不同淤泥层覆盖率下衬砌背后水压力。由图17（e）可知，淤泥层覆盖率为0%和100%时，衬砌背后水压力最大值分别为762.24 kPa和760.97 kPa，说明淤泥层覆盖率可以减小衬砌背后水压力，但不同淤泥层覆盖率作用下衬砌背后水压力变化不大。分析认为，在渗流区域内，仅靠隧道的排水系统进行排水，故洞周附近是渗流场主要的变化区域。在稳定渗流状态下，随着淤泥层覆盖率P的增加，在淤泥区域内隧道的渗流量减少，在相同排水方案作用下，衬砌背后水压力也随之减小。但是，采用合理的泄压排水方案及泄压值时，由于淤泥分布的不均匀性导致地层平均渗透性的区域性微小改变对海底隧道衬砌背后水压力影响程度有限。此外，通过对比不同淤泥覆盖率与无淤泥条件下水压力沿隧道里程的分布可知，在有淤泥覆盖区域，衬砌背后水压力较弱风化花岗岩裸露区显著降低，且随着覆盖率增大，水压力降低范围逐渐扩大，与淤泥覆盖区域基本重合。分析认为，淤泥覆盖层渗透性小于弱风化花岗岩渗透性，具有一定的隔水作用，因此，在两区域交界处，隧道周围渗流作用存在差异，在排水系统与泄压值相同的条件下，淤泥覆盖层区域的隧道衬砌背后水压力将有所降低。综合分析认为，淤泥层可视为对海底隧道排水系统的补充，对渗入隧道的总水量和衬砌背后水压力具有减弱作用。淤泥层覆盖率在局部覆盖区域具有同样的效果。淤泥层厚度和淤泥层覆盖率对排水量具有一定影响，且在淤泥与弱风化花岗岩交界处92矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版存在水压力的突变，应重点考虑通过确定的淤泥层覆盖率或局部淤泥层厚度来合理优化排水系统的排水参数。在水压力突变的区域，结合抽排水费用、排水量以及衬砌背后水压力，可适当减小排水盲管的布设密度，以满足赋存淤泥环境的海底隧道不同区域的实际防排水设计需求。此外，对于衬砌背后水压力而言，较大的淤泥层厚度和淤泥层覆盖情况可以在一定程度上降低衬砌背后水压力，从而降低高水压对隧道结构的影响。6结 论基于水力学理论，推导了考虑上覆淤泥层的海底隧道渗流场解析解，并建立了相应的数值模型，通过数值模拟对海底隧道的水压力分布规律与限排设计进行研究，主要结论总结如下：（1）随着泄压值和环向排水盲管间距的增大，隧道排水系统的排水作用减弱，排水量随之减小，衬砌背后水压力逐渐增大。泄压值对于排水量的控制要大于排水盲管间距的影响，因此，通过选择合理的泄压值可以优化环向排水盲管的布设密度。（2）在满足最大隧道排水量的前提下，上覆淤泥层厚度为12 m时，海域矿山法段隧道最优限量排放方案为半包防水型式，排水方式选取“间隔6 m环向排水盲管+纵向排水盲管”，泄压值为400 kPa。（3）淤泥层厚度和淤泥层覆盖率的增加，减小了围岩平均渗透系数，对排水量具有减小作用。在限量排放方案设计中，通过确定的淤泥层分布情况来合理优化排水系统的排水参数，可达到控制排水量的效果。（4）在弱风化花岗岩与淤泥覆盖层交界处，衬砌背后水压力出现一定程度的突变，且水压力减小的范围随淤泥层覆盖率的增加而随之增加。对于衬砌背后水压力而言，较大的淤泥层厚度、较高的淤泥层覆盖率可在一定程度上降低衬砌背后水压力，进而降低高水压对隧道结构的影响。图17 不同淤泥层覆盖率下海底隧道衬砌背后水压力Fig.17 Water pressure behind the lining of subsea tunnel with different silt layer coverage rates参考文献References1 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策J.岩石力学与工程学报,2012,31(10):1945-1956.QIAN Qihu.Challenges Faced by Underground Projects Construction Safety and CountermeasuresJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(10):1945-1956.93矿山法海底隧道水压力分布规律及限排设计研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.20242 LIU Yang,FENG Yongneng,XU Mo,et al.Effect of an Incremental Change in External Water Pressure on Tunnel Lining:a CaseStudy fro