高铁长大隧道与隧道群对地下水环境的影响与控制研究

By means of data investigation, theoretical analysis, numerical simulation, laboratory test, field measurement and test, engineering demonstration and other research methods, the distribution and circulating characteristics of wide-area groundwater of long tunnels and tunnel groups in typical hydro-geological units, the features of fluid-solid coupling and the rules of groundwater disaster during construction, the influence of drainage system subjected to loading and lining degradation on flow field during operation, the influential mechanism of groundwater loss on surface and groundwater ecological balance and correspondingly protective technology are investigated based on one or two typical high-speed railway tunnels and tunnel groups which are proposed to be constructed or under construction. Through research, the mechanism of four water cycle transformation(atmospheric water, surface water, suspended water and groundwater) in typical wide-area hydrogeological units is revealed, the control technique of water gushing disaster during construction and the design technique of water controlling and drainage during operation in rich high-pressure water area is proposed, the dynamic influence law and adjustment mechanism of long tunnels and tunnel groups in typical hydrogeological units for groundwater environment is ascertained and the control technology system for groundwater environment during tunnel construction is formed finally.

结合艰险山区高铁长大隧道和隧道群建设，以在建和拟建干线铁路1-2处典型隧道和隧道群为依托和示范，采用资料调研、理论分析、数值仿真、室内试验、现场测试与试验，工程示范等研究手段，开展典型水文地质单元长大隧道与隧道群广域地下水分布及其循环特性、施工期围岩流固耦合特性与地下水致灾机理、运营期防排水体系受荷与衬砌劣化对流场的影响机制、地下水流失对地表和地下水生态平衡的影响机制与保护技术等方面的研究。通过研究，揭示隧址广域典型水文地质单元大气降水-地表水-包气带水-饱和带地下水四水循环转化机理，构建富水高水压隧道施工涌突水灾变控制与隧道营运控排水设计技术，探明典型水文地质单元长大隧道与隧道群对地下水环境的动态影响规律和平衡调节机制，最终形成隧道建设地下水环境的控制技术体系。

目前，我国已进入铁路建设的高速发展时期，随着铁路由东中部地区向生态环境脆弱的西部艰险山区延伸，一大批深长隧道及隧道群陆续出现，而隧道建设引起的地下水流失会打破隧址区地下水资源的平衡，可能会导致生态环境遭到严重破坏。因此，如何厘清隧道工程与地下水环境两者之间的影响机制，是生态脆弱地区长大隧道建设有待解决的关键技术难题。鉴于此，本项目采用资料调研、理论分析、数值仿真、室内试验、现场测试与试验等相结合的方法，以渝昆高铁中梁山隧道等十座隧道、渝湘高铁平阳盖隧道、叙永至毕节铁路斑竹林隧道、以及重庆中梁山铁路公路隧道群等单洞双线单洞单线隧道为工程背景，开展了长大隧道与隧道群对地下水环境的影响与控制研究。通过单裂隙和交叉裂隙渗流试验，提出了以压力梯度-流量曲线的斜率变化特征来判断达西-非达西流临界点的方法，初步提出了稀疏裂隙岩体隧道涌水预测模型；基于复变函数保角映射理论以及地下水水力学原理，推导了渗流各向异性条件下深埋富水圆形隧道的渗流场解析解；基于裘布依假设，推导了单一地层潜水含水层、垂直层状潜水含水层、以及水平层状潜水含水层疏干隧道稳态涌水量和地下水位的近似解析解；提出了一种潜水含水层隧道稳态渗流场模型试验的浸润线测量方法，并通过渗流模型试验系统研究了浅埋隧道和深埋隧道在不同注浆圈渗透系数和不同水平补给距离的隧道渗流场分布；建立了渗流-应力-损伤耦合模型，分析了围岩材料参数损伤演化对流固耦合的影响；开展了冻胀力、振动荷载、以及膨胀性岩土对隧道结构劣化的影响研究；建立了大气降水、地表水、非饱和带水（包气带水）、饱和带地下水之间的“四水”循环转化模型；通过土柱试验和箱体试验，研究了地下水水位与土壤水分含量、隧道排水与渗流场、土壤水分场之间的响应关系。研究结果可为隧道和隧道群的选线设计、施工组织、结构防排水设计以及水生态环境保护提供理论和技术支撑。