涌水灾害是隧道建设中倍受关注的问题之一。随着隧道设计水平、施工技术及机械的更新提高，运用长大隧道乃至特长大埋深越岭隧道的设计方案应运而生，使这一问题变得日益突出和迫切需要解决。
1 涌水机理
隧道作为地下线性建筑物，修建过程中将不可避免地穿越不同水文地质、工程地质条件的裂隙岩体。当隧道通过裂隙岩体的含水区段时，由于人为破坏了原有地下水的渗流条件，使隧道洞身成为地下水以不同形式（渗出、滴流、股流及大范围突水等）向外排泄的地下廊道，形成涌水灾害。对于大埋深的越岭隧道来说，裂隙岩体处于相对较高的地应力场中；同时，穿越含水区段的裂隙岩体有地下水渗流场的存在，与地应力场构成一种特定的动态平衡体系。由于隧道的开挖，人为破坏了原有含水裂隙岩体所处地下水渗流场与地应力场的动态平衡体系。含水裂隙岩体为了维持自身的稳定性，会通过地下水的渗流运动，借助含水裂隙岩体中地下水渗流场与地应力场之间的耦合作用，重新达到双场之间新的动态平衡体系。因而针对隧道（尤其是特长大埋深隧道）含水裂隙岩体的水力学及力学特性，如何解决渗流与应力耦合环境下的涌水量预测研究问题，就成为当今隧道裂隙岩体水力学特性研究的崭新课题。
2 涌水量预测研究的工作程式
对于渗流与应力耦合环境下裂隙岩体隧道涌水量的预测计算问题，考虑到其本身的复杂性，笔者基于大量系统理论研究并结合具体工程实例计算，尝试性提出了以下研究工作程式［1］：
(1) 分析研究隧道裂隙岩体水文地质、工程地质条件，确定隧道可能穿越的裂隙岩体含水区段；
(2) 研究含水区段的裂隙岩体结构特征，确认所研究含水裂隙岩体的结构类型；
(3) 建立与含水裂隙岩体结构类型相适应的水文地质概念模型，研究含水区段的地下水渗流场；建立与含水裂隙岩体结构类型相适应的地应力场概念模型，研究含水区段的地应力场；
(4) 以特定的耦合方式研究含水区段裂隙岩体地下水渗流与应力之间的耦合作用；
(5) 预测计算渗流与应力耦合环境下的裂隙围岩隧道涌水量。
3 涌水量的预测计算
在渗流与应力耦合环境下进行裂隙围岩隧道涌水量的预测计算时，考虑到地下水渗流场与地应力场之间耦合作用的复杂性和研究程度所限，结合具体工程实践和验证，提出了确定性数学模型法（包括解析法和水文地质数值模拟法两种，其中解析法又可分为理论解析法和经验解析法）。
3．1 解析法
解析法是在把渗流与应力耦合环境下含水裂隙岩体渗流特性处理为在等效连续介质的前提下，用连续介质的理论方法对隧道涌水量进行求解。按裂隙结构面相互交切对岩体的切割影响作用，隧道裂隙岩体可划分为完整结构、块状或层状结构、碎裂状结构及散体状结构三类［2］，其中完整结构裂隙岩体类属连续介质，块状或层状结构裂隙岩体类属不连续介质，碎裂状结构及散体状结构裂隙岩体类属似连续介质。对以上三类裂隙岩体渗透性能进行等效连续介质处理时，可采用渗透张量方法和野外抽、压水试验方法，其中渗透张量方法是从岩体中裂隙结构面网络的几何形态角度出发，进行渗透性能连续介质化等效处理的；野外抽、压水试验方法则是从水文地质学模拟试验的角度，对渗透性能进行连续介质化等效处理的。
3．1．1 渗流与应力耦合作用对裂隙岩体渗透性能的影响
隧道含水裂隙岩体的渗透性能主要由渗透系数K表示，研究表明，渗流与应力耦合环境下渗透系数K受应力σ变化影响的定量关系式可表示为
K=f(σ) (1)
式(1)的确定通常可采用实验室和野外两类试验方法获取［3］。
考虑到渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算模型的简化性，需对式(1)进行简化处理，即将此定量关系式在渗流区域Ω内用一常数(Constant)代替。笔者建议用几何平均的方法予以处理，从而有
(2)
3．1．2 涌水影响半径R的确定
根据地下水动力学理论，隧道穿越含水裂隙岩体区段时，因涌水而影响隧道开挖前原有地下水的渗流场，该影响范围就称之为隧道涌水影响半径R。
就目前国内外研究状况而言，隧道涌水影响半径R的确定一直是难以突破的水文地质问题。结合大量具体的工程实践，铁道部第一勘测设计院《铁路供水水文地质勘测规则》编写组的朱大力、李秋枫(1995)开发了用以粗略评估隧道涌水影响半径R的经验计算式
R=215.5+510.5 (3)
式中，为渗流与应力耦合环境下裂隙岩体的等效渗透系数(m/d)，计算依据式( 2 )。
3．1．3 理论解析法
理论解析法是预测计算渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量的最基本方法，理论性较强，在应用于实际问题时，应特别注意条件的适用性，以保证研究结果的可靠度和相对准确性。
用理论解析法预测计算隧道涌水量，首先按含水层在水平方向上的分布和补给条件，把隧道裂隙岩体中的含水层划分为无限补给和有限补给两种情况，后者又可分为直线补给和直线隔水两种边界考虑；再根据隧道位置与含水层隔水底板间的相互关系，将隧道分为完整型和非完整型两种形式。上述含水层分布及补给条件与隧道形式的组合，就构成了理论解析法预测计算渗流与应力耦合环境下隧道涌水量表达式的不同形式如表1。
表1 渗流与应力耦合条件下隧道涌水量预测计算的理论解析法一览
含水层类型隔水底板隧道形式隧道单位长度涌水量q计算公式示图无限补给
潜水含水层水平完整型q=
．(H2-h20)／R1-(a)非完整型
1-(b)倾斜(i)完整型
1-(c)非完整型
1-(d)无限补给
承压含水层水平完整型
1-(e)非完整型
1-(f)倾斜(i)非完整型
1-(g)直线补给边界
潜水含水层水平完整型
1-(h)非完整型
1-(i)直线补给边界
承压含水层水平完整型
1-(j)非完整型1-(k)直线隔水边界
半无限含水层 用映射法把半无限含水层处理为无限含水层，
采用无限含水层方法。
图1 理论解析法预测隧道涌水量模型图示
3．1．4 经验解析法
经验解析法是在理论研究及工程实践的基础上，考虑到实际隧道含水裂隙岩体网络结构特征及其中地下水渗流场的复杂特性，结合隧道所处渗流与应力之间的耦合作用环境，提出的一系列隧道涌水量预测计算经验关系式。根据隧道穿越含水围岩区段时涌水量的实际历时曲线（图2），其涌水阶段可分为初期涌水、递减涌水和经常涌水三个阶段，从而经验解析法预测计算涌水量如表2，包括初期最大涌水量q0、递减涌水量qt和经常涌水量qs。
图2 隧道实际涌水量历时曲线
图3 隧道通过含水层横断面示意图
表2 渗流与应力耦合条件下隧道涌水量预测计算的经验解析法一览
阶段涌水量公式来源隧道单位长度涌水量计算式备 注施工初期
最大涌水量q0大岛洋志m为转换系数，一般取0．86；
其余符号意义见图3。铁路勘测规范q0=0.0255+1.9224H递减涌水量qt佐藤邦明一般取12.8；
λ为裂隙率；
B为衬砌前洞宽。经常涌水量qs落合敏郎h0为排水沟假设水深。铁路勘测规范qs=H(0.676-0.06)
3．2 水文地质数值模拟法
在以上解析法研究中，考虑到计算模型的简化和可操作性，对渗流与应力耦合环境只进行了单方面的研究（即应力对渗流的影响作用），故而从全面角度讲，上述解析法又被称为渗流与应力非完全耦合环境下的裂隙岩体隧道涌水量计算方法。为克服这一不足，同时又兼顾到渗流的复杂性和应力的真实性，笔者结合系统理论研究和工程实例运用验证，提出了渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算的水文地质数值模拟法。
水文地质数值模拟法预测计算涌水量的基本流程为：
(1) 确定隧道裂隙岩体的渗流区域Ω（包括含水层类型、水位、涌水最大影响半径R），建立渗流与应力在Ω内的耦合数学模型；
(2) 运用数值模拟方法求解耦合数学模型，并在最终渗流场计算结果下预测计算隧道涌水量。
以裂隙围岩隧道渗流与应力耦合作用的等效连续介质模型式( 4 )为例，其计算流程如图4所示。
(4)
式中，［k］为总渗流矩阵；{H}为地下水水头列阵；{Q}为裂隙岩体渗流区域源（汇）项列阵；［μ］为给水度矩阵；为地下水水头随时间变化率列阵；［Kn］为总刚度矩阵；{u}为裂隙岩体节点位移列阵；{R}为裂隙岩体节点荷载列阵；{Δps+Δpd}为节点静水压力和标量化动水压力改变量列阵，具“点荷载”特征；{σ}为应力列阵；［G］为应力矩阵；［f(σ)］为渗透系数K随应力σ变化的函数形式矩阵；［g (σ)］为给水度μ随应力σ变化的函数形式矩阵；{h(H)}为节点静水压力和标量化动水压力改变量随地下水水头H变化的函数形式列阵。
图4 水文地质数值模拟法计算流程
4 计算实例
为检验渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算方法的合理可靠性，选取南昆铁路二排坡隧道涌水灾害实例进行计算，计算用参数及相应的概化模型见图5和表3。根据选用上述的计算方法，其中水文地质数值模拟法中模型的剖分图式见图6（左侧渗流区域），得到最终计算结果见表4。
图5 南昆铁路二排坡隧道涌水区段概化模型
图6 涌水区段相应剖分图式
表3 南昆铁路二排坡隧道涌水量计算用参数一览表
涌水区段里程
DK717+850～
DK718+350DK718+350～
DK718+750含水裂隙围岩岩性
白云质灰岩夹页岩
白云质灰岩
含水层类型
潜水含水层
承压含水层
静止水位至洞底H1/m68.50100.92洞底至含水层隔水底板h/m97.5014.30隧道底板以上承压含水层厚度M′/m—18.91含水层总厚度hc/m166.0033.21排水沟假设水深h0/m0.500.50隧道横断面等价圆半径r0/m3.523.52隧道横断面等价圆直径d0/m7.047.04含水裂隙岩体各向同性渗透系数K/m．d-10.1780.336含水裂隙岩体耦合环境下等效各向
同性渗透系数／m．d－10.1090.206洞宽B／m6.006.00含水层水位降深sw／m68.0018.41影响半径R／m350.00450.00隧道通过含水岩体长度L／m500400 注：表中资料引自铁道部第二勘测设计院南昆线二排坡隧道设计文件。
表4 南昆铁路二排坡隧道经常涌水量不同方法预测计算结果对比一览表
预测计算方法计算经常涌水量
／m3．d－1实际经常涌水量
／m3．d－1预测误差
／%考虑地下水渗流场与
裂隙岩体地应力场耦合环境理论解析法5895.5 22.43经验解析法7975.07600.04.93水文地质二维数
值模拟法7922.0 4.24
注：表中实际涌水量资料引自铁道部第十五工程局三处南昆线二排坡隧道施工记录。
5 结论
通过对渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算方法的研究，结合工程实例的运用验证，可得到以下几点结论：
(1)对裂隙岩体隧道涌水量的预测计算应当考虑渗流与应力耦合作用环境的影响。
(2)理论解析法计算模型对实际隧道裂隙岩体渗流特征的复杂性考虑不足，从而造成预测误差比较大。
(3)经验解析法在类似工程实例经验的基础上对理论解析法模型进行了修正，使得预测结果较为接近实际。
(4)水文地质数值模拟法建立了基于完全耦合意义上的计算模型，且能考虑到实际渗流的复杂性，预测结果更为符合实际情况，是一种值得推荐的涌水量预测方法
