随着国民经济的快速发展，隧道地质条件^[1-3]日益复杂、施工难度不断加大。富水隧道尤其是海底隧道，地下水丰富，容易诱发各种工程灾害，围岩结构稳定性、富水隧道突涌水、衬砌结构受力不均匀等问题的研究，已然迫在眉睫^[4-6]。

富水隧道区域，围岩物理力学强度因水力弱化作用而降低，同时，施工扰动也会导致围岩应力场和渗流场重新分布，流固耦合作用下衬砌结构和围岩变形均会加剧^[7-8]，杨晓芳等^[9]通过对某高速公路扁平化、大断面、深埋隧道穿越断层构造的区段进行研究发有围岩大变形为变形速度快、稳定时间长、下沉变形较位移变形更突出、“双峰型”间断累进式的特征，因此，最优防排水形式的选取至关重要。目前，隧道防排水技术主要包括全包型、防排结合(半包)型、全堵型等几种^[10-12]。丁燕平等^[13]通过对深埋山岭富水公路隧道进行模拟研究，分析了不同隧道衬砌结构形式的受力特征，提出了基于水压进行分段设计的研究思路；雷波等^[14]以厦门海底隧道为依托，对不同防排水条件下的衬砌结构开裂情况进行了研究，提出了高水压并不是衬砌结构开裂的主要原因；谭忠盛等^[15]依托厦门翔安海底隧道，对衬砌结构水压力和受力特征进行了研究；王志杰等^[16]采用了自制均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架，实现了围岩压力及外水压力的加载控制，并利用ANSYS进行了验证；李伟等^[17]研究了围岩注浆加固圈、初期支护和排水系统对地下水渗流场的影响规律，并分析了高水压山岭隧道衬砌水压力特征；王秀英等^[18]通过模型试验研究了不同排水方式下衬砌结构的水压力分布规律，得到全封堵衬砌背后水压力不折减，而半包式排水衬砌背后水压力较小的结论。

基于前人的研究基础，本研究将以汕头湾海底隧道为背景，采用室内试验参数标定与数值模型相结合的方式，针对目前设计方案提出的两种防排水型式，考虑隧道流固耦合效应，研究防排水型式对隧道稳定性的影响，同时考虑到地质条件的复杂性，分析不同围岩级别对衬砌结构水压力、应力场及位移场的影响规律，研究成果将为类似工程施工提供参考。

汕头湾海底隧道位于广东省汕头市濠江区和龙湖区境内，线路北东至北东东走向。场区以剥蚀丘陵为主，地形起伏，局部陡峭，沟谷狭长。隧道全长9 191 m，沿线地面标高-10~150 m，隧道地质构造及水文地质条件较复杂，属控制性重点隧道工程。隧道谷地地面高程5~10 m左右，丘陵地面高程50~185 m，自然坡度约为20°~30°。

本研究区段为DK160+570~DK160+720，隧洞中心位置埋深约为85 m，属于陆域段，岩层主要为微风化花岗岩、强风化花岗岩及全风化花岗岩，穿越雄鸡山断裂带，与隧道正洞相交于DK160+640附近，断层切燕山期第3次侵入花岗岩，断层倾向大里程，该断裂及影响带宽度约50 m，断层破碎带内节理发育，岩体较为破碎。DK160+570~DK160+720区段围岩依次穿越Ⅱ级、Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅱ级，如图 1所示。其中，Ⅱ级区段采用全断面开挖方式，Ⅳ级、Ⅴ级区段采用二台阶法开挖方式。地下水多以基岩裂隙水、第四系孔隙水及松散岩类孔隙潜水为主，海平面标高在0 ~-1.5 m。

图 1 研究区段围岩地质条件 Fig. 1 Geological conditions of surrounding rock in research section

图选项

有限差分分析方法中，流固耦合数学方程认为围岩为等效连续介质体，地下水运动需满足达西定律以及Biot固结方程，相关计算方程主要包括^[19-20]：

(1) 达西运动方程

(1)

式中，q_i为渗流量；k为渗透系数；A为过水断面面积；J为水力坡度。

三维状态下渗流速度微分如式(2)~(4)所示：

(2)

(3)

(4)

式中，v_x，v_y，v_z分别为渗透速度在x，y，z方向上的分量；k_x，k_y，k_z分别为渗透系数在x，y，z方向上的分量；，，分别为水力坡度在x，y，z方向上的分量; h为地下水的高度差。

(2) 平衡方程

(5)

式中，q_{i, j}为流体的渗流速度；q_v为被测体积的流体源强度；ξ为单位体积孔隙介质的流体体积变化量；t为时间。

(6)

式中，M为比奥模量；P为孔隙水压力；α为比奥系数；ε为体积应变；T为温度；β为颗粒热胀系数。

动量平衡方程为：

(7)

式中，ρ为体积密度；g_i为重力矢量；v_i为速度矢量的分量；σ_{ij, j}为应力。

(3) 本构方程

(8)

式中，Δσ_ij为应力增量；H_ij为应力应变函数表达式；Δε_ij为应变增量。

(4) 相容方程

(9)

式中，ζ_ij为总应变，v_{i, j}和v_{j, i}为某点的速度矢量的分量。

DK160+570~DK160+720区段隧道分别穿越围岩Ⅱ级(40 m)、Ⅳ级(20 m)、Ⅴ级(30 m)、Ⅳ级(20 m)、Ⅱ级(40 m)。FLAC3D模型建立时，提取该地区真实等高线来确定模型表面形态，模型长度为150 m，宽度为230 m，顶部最高点高程为175 m，底部高程为121 m，共计1 219 681个单元，全三维仿真模型如图 2(a)所示。模型下边界施加竖直法向约束，前后、左右边界施加水平法向约束，顶部为自由面。流固耦合分析时，假设水位以下岩体处于饱和状态，左右两侧和底部均默认为不透水边界，模型采用Mohr-Coulomb本构模型。

图 2 三维地质仿真模型 Fig. 2 Three-dimensional geological simulation model

图选项

根据设计方案，防排水体系分为全包与半包两种工况。数值模拟中，全包防水为隧道全环设置不透水实体单元，而半包防水仅在拱顶及边墙部位设置不透水实体单元，仰拱部位允许透水，其中，不透水实体单元厚1.5 mm。因此，全包与半包的区别主要在于仰拱部位是否允许透水。陆域段隧道采用复合式衬砌支护，模拟中初期支护采用三维实体单元，锚杆采用cable单元，超前小导管采用beam单元，支护体系如图 2(b)所示。

试验岩样采自汕头湾隧道，加工成标准试件，充分浸水后利用TAW-1000D岩石流变扰动试验仪进行力学性能测试，破裂形态如图 3所示。试件在压缩作用下，主要产生剪切破坏，破坏面与最大主应力作用面夹角约70°，周围伴有局部的张拉裂纹。

图 3 室内试验与数值模拟结果对比 Fig. 3 Comparison between results of laboratory test and numerical simulation

图选项

结合现场地质勘测资料，基于室内试验结果，对数值模拟所需参数进行优化，调参的准绳就是达到模拟结果和试验结果基本一致。优化后参数如表 1所示，数值模拟和室内试验结果对比如图 3所示。由图 3可以看出，数值模拟中岩体破裂形态和试验结果高度一致，破裂角度也大致相同，峰值强度基本吻合，变形曲线误差在允许范围之内，综上，优化参数可以较好地模拟汕头湾隧道区段围岩性质，本研究方法可以得到较为合适的模拟参数。

汕头湾海底隧道陆域段复合式衬砌支护参数根据设计方案和相关规范^[21-22]取值，如表 2所示。

由于所选取区段隧道穿越围岩依次为Ⅱ级、Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅳ级、Ⅱ级，隧道轴向方向围岩级别大致对称，因此，仅分析入口方向Ⅱ级、Ⅳ级和Ⅴ级隧道区段即可满足研究需要。

不同围岩级别下，全包与半包两种防排水体系隧道衬砌结构的渗流场分布如图 4所示，其中孔隙水压力负值为受拉，正值为受压，孔隙水压力变化曲线如图 5所示。

图 4 隧道衬砌渗流场分布特征(单位: Pa) Fig. 4 Seepage field distribution characteristics of tunnel lining(unit: Pa)

图选项

图 5 孔隙水压力曲线 Fig. 5 Curves of pore water pressure

图选项

由图 4可得，各围岩级别下，半包防排水体系与全包防排水体系相比较，边墙与仰拱交接部位水压力较为集中，数值较大，其原因是该处为边墙防水板铺设的边界处，受防水板的影响，地下水从其他部位流向仰拱部位导致。建议施工中适当加固边墙与仰拱交接部位，以免发生突涌水灾害。

由图 5可得，各围岩级别下，衬砌结构各部位孔隙水压力绝对值的大小关系为：仰拱>边墙>拱顶。围岩级别对孔隙水压力大小的影响较为显著，Ⅱ级围岩区段各部位的孔隙水压力变化较为平缓，水压力最大值发生在仰拱部位，为0.15 MPa左右；Ⅳ级围岩区段受雄鸡山断裂带的影响，孔隙水压力逐渐增大，最大值仍为仰拱部位，达到0.7 MPa左右；Ⅴ级围岩区段全部处于雄鸡山断裂带范围，水压力数值显著增大，最大处达到1.0 MPa，仍然为仰拱部位。

从数值上来看，Ⅱ级围岩区段孔隙水压力数值较小，两种防排水体系都可保证围岩稳定，但全包和半包相比较，没有明显的优势，所以从经济上和施工难度上考虑，建议Ⅱ级围岩区段采用半包防排水体系。Ⅳ级和Ⅴ级围岩区段，两种防排水体系下，仰拱部位最大水压力值都严重威胁到了隧道稳定性，因此该区域，仰拱部位需要加设泄水阀，控制排水、降低衬砌结构水压力。

不同围岩级别下，全包与半包两种防排水体系隧道衬砌结构的最大应力场分布如图 6所示，衬砌结构最大应力极值如表 3所示。

图 6 隧道衬砌最大主应力云图(单位: Pa) Fig. 6 Nephograms of maximum principal stress in tunnel lining(unit: Pa)

图选项

由图 6可得，各围岩级别下，半包防排水与全包防排水相比较，衬砌结构仰拱部位应力偏大，规律与孔隙水压力分布特征相似，原因也大致相同，都是因为半包防排水体系仰拱部位未设置防水板，导致衬砌结构周围地下水渗流方向朝向仰拱部位，因此，对于半包防排水体系而言，仰拱是关键部位。

由表 3可得，Ⅱ级围岩区段，两种防排水体系下，最大应力极值都较小；Ⅳ级和Ⅴ级围岩区段由于受到雄鸡山断裂带的影响，最大应力极值显著增加。3种围岩级别下，半包型防排水体系与全包型防排水体系相比较，衬砌结构最大应力极值更小，所以从应力的角度考虑，对于陆域段，半包型防排水体系要优于全包型防排水体系。

不同围岩级别下，全包与半包两种防排水体系隧道衬砌结构的位移场分布如图 7所示，位移变化量曲线如图 8所示。

图 7 隧道衬砌位移场分布特征(单位：m) Fig. 7 Displacement field distribution characteristics of tunnel lining(unit: m)

图选项

图 8 衬砌位移变化曲线 Fig. 8 Curves of displacement of tunnel lining

图选项

由图 7可得，Ⅱ级围岩区段，最大位移在拱顶和仰拱部位，呈波纹状向四周扩散，位移量梯度逐渐减小；Ⅳ级围岩区段，最大位移在隧道轴向末端，因为末端更靠近雄鸡山断裂带，该区域仰拱和拱顶位移也较大；Ⅴ级围岩区段，受到雄鸡山断裂带的影响，位移量大幅增加，位移变化梯度明显，拱顶和仰拱部位变形量显著增加。

由图 8可得，围岩等级越差，衬砌结构的位移量越大，Ⅳ级和Ⅴ级围岩区段，受到雄鸡山断裂带的影响，变形量显著增加，相对于Ⅱ级围岩区段，最大处增加量达到13.58倍。其中，Ⅳ级围岩区段，变形量呈现先平稳后急速增长的特征，亦是因为该区段末端受到了断裂带的影响。3种围岩级别下，半包型防排水体系与全包型防排水体系相比较，位移有不同程度的减少，Ⅱ级围岩区段最大处减少了7.4%左右，Ⅳ级围岩区段最大处减少了20%左右，Ⅴ级围岩区段最大处减少了3.4%左右。

(1) 衬砌结构各部位孔隙水压力绝对值的大小关系为：仰拱>边墙>拱顶。受到断裂带的影响，Ⅳ级和Ⅴ级围岩区段，仰拱部位水压力值过大，仰拱部位应该加设泄水阀，控制排水、降低衬砌结构水压力。

(2) 由于半包型防排水体系仰拱部位未设置防水板，因此地下水会集中涌向仰拱部位，导致仰拱部位应力较大，仰拱成为关键部位。

(3) 受断裂带的影响，Ⅳ级和Ⅴ级围岩区段孔隙水压力、应力以及变形量远远大于Ⅱ级围岩区段。Ⅱ级围岩区段，现有设计方案可以保证隧道的稳定性，Ⅳ级和Ⅴ级围岩区段需要加强防护措施。

(4) 综合考虑隧道衬砌结构的渗流场、应力场和位移场特征，半包型防排水体系要优于全包型防排水体系，因此对于类似海底隧道陆域段，建议采用半包型防排水体系。