管道型喀斯特地区隧道周围的水压分布以及降雨引起的衬砌响应特性

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Water pressure distribution around tunnels in pipeline-type karst and lining response characteristics induced by rainfall

降雨条件下管道状喀斯特地层隧道衬砌后水压力分布及结构响应规律研究，构建三维模型模拟降雨与排水系统影响，揭示水压力峰值出现时间（排水系统下右侧拱腰达3701秒）、土拱效应与有效应力耦合作用机制，分析孔隙水压力非线性增长（14.4-28.8小时快速响应阶段）、渗透系数比（100-500）及腔体位置对围岩压力和衬砌应力的影响。

　　

安鹏涛|范琳|马绍坤|张家兵|黄振|傅海琳

广西大学，中国南宁市，530000

摘要

降雨事件可能导致管道型喀斯特地层中隧道衬砌后方的水压积累，从而威胁到运营安全。因此，研究这种水压的分布模式以及在这种降雨条件下的相应结构响应机制至关重要。首先，构建了一个三维模型来模拟这一情景，揭示了降雨持续时间和排水系统如何影响衬砌后方的水压分布、围岩压力以及隧道支护系统的应力状态。在此基础上，进行了数值计算，以研究管道型喀斯特空洞的空间位置及其渗透性对隧道周围水压分布特征和相应衬砌响应的影响。结果表明，在有排水系统的条件下，右侧拱部的水压在降雨3701秒时达到3.61千帕，大约是在无排水条件下471秒时2.71千帕峰值之后的八倍。在排水条件下，土壤拱效应与有效应力原理相互作用，导致荷载路径的动态重构。相比之下，在无排水条件下，孔隙水压的持续积累会导致围岩软化并重新分配应力，从而引发隧道中的渐进性水淹灾害。随着降雨持续时间的增加，地层中的孔隙水压和衬砌应力呈现非线性增长，在降雨14.4小时到28.8小时之间有一个快速响应阶段，之后响应趋于稳定。当管道型喀斯特与围岩之间的渗透系数比值在100到500之间时，对隧道周围渗流和应力场的影响最为显著，而喀斯特空洞的位置决定了关键响应区域。

引言

随着西部开发战略的进一步实施，中国西南部喀斯特地区的隧道建设规模不断扩大。在全球气候变化背景下，极端降雨事件的频率增加，管道型喀斯特地层中隧道衬砌后方的水压积累对隧道安全构成了重大威胁（张等人，2022a）。这种情况迫切需要研究降雨条件下隧道周围水压的分布模式及相应的衬砌响应特性，以减少这些隧道在运营过程中的衬砌裂缝和失效频率（田等人，2025；吴等人，2025）。

学者们对隧道水淹灾害的引发机制和演变特性进行了广泛研究：例如，薛等人（2025）研究了不同填充材料的管道型喀斯特空洞中水淹灾害的形成机制；范等人（2022）研究了管道型喀斯特直径、位置和水头高度对高水压条件下衬砌结构的影响；李等人（2022a）考察了富水条件下隧道渗流场的水淹分布模式；郑等人（2025）基于水淹风险的形成机制开发了一个综合评估指标体系；董等人（2023）提出了高效处理方案、新型防水材料以及相应的防水和防渗技术；吴等人（2024）提出了一种结合改进的云模型（CM）、证据推理（ER）和蒙特卡洛模拟的风险评估方法；罗等人（2024）通过缩比模型试验研究了降雨强度和排水系统堵塞对隧道衬砌外部水压及由此产生的结构变形的影响；杨等人（2024a）利用水文模型和层次分析法（AHP）开发了地表径流的综合风险评估算法；沈等人（2025）建立了地下水渗流的数学模型，推导出水淹事件期间的流量解析解，并使用物理信息神经网络（PINN）进行了求解；王等人（2021）探讨了断层填充材料粒径分布对隧道水淹现象的影响；唐等人（2025）研究了降雨条件下地下水迁移的时空演变特性及隧道变形和失效机制；杨等人（2024b）利用水文模型和层次分析法（AHP）构建了地表径流的综合风险评估算法；高等人（2021）建立了一个改进的基于边缘的模型，用于模拟喀斯特隧道中岩体渐进性失效导致的水淹通道形成过程；李等人（2016）使用FLUENT软件对五种隧道底部水淹案例进行了数值模拟，讨论并总结了此类事件后的流动特性；叶等人（2016）提出了基于分形理论的适用于隧道开挖的高耦合分形分析模型；孟等人（2022）基于杜普伊特假设和积分方法推导了垂直分层包气含水层中排水隧道稳态水位和流量的近似解析解；夏等人（2024）开发了一个改进的平滑粒子流体动力学（SPH）框架，用于模拟隧道施工期间富水层的水淹灾害；陈等人（2024）结合现场调查和数值模拟分析了隧道施工和运营过程中的水流、围岩变形及衬砌力学性能的演变；李等人（2022b）利用薄板理论构建了关键防水层的力学模型，并采用莫尔-库仑强度准则开发了水淹风险指数（WIRI）模型；孙等人（2022）结合解释结构模型（ISM）-K2算法、copula理论和非参数方法评估了隧道水淹风险；欧等人（2024）采用现场调查和理论分析相结合的方法对喀斯特地层隧道中的水淹机制进行了定性和定量分析；罗等人（2022）利用水文地质、水化学和同位素方法确定了隧道水淹的来源；张等人（2024）研究了富水和深埋喀斯特地层中隧道施工期间的水淹风险；徐等人（2024）创建了一个分阶段评估模型，用于施工前和施工期间水淹风险的评估；李等人（2025）使用自开发的三维流体-固体耦合模型测试系统研究了位于隧道前方和周围的喀斯特洞穴对围岩稳定性的影响机制。

总之，学者们对降雨环境下喀斯特隧道衬砌后方静水压的分布及其相应的响应特性进行了广泛研究，这有效指导了喀斯特地层中隧道的设计和施工（张等人，2022b；张等人，2022c）。然而，管道型喀斯特空洞下方隧道衬砌后方静水压的分布模式及衬砌响应特性仍待进一步探索（魏等人，2023）。为了解决这一问题，构建了一个三维模型试验，以研究降雨持续时间和排水系统对隧道衬砌后方静水压分布、隧道衬砌应力以及围岩稳定性的影响机制。在此基础上，通过数值建模进一步揭示了降雨持续时间、管道型喀斯特空洞的空间位置、空洞与围岩之间的渗透系数比值以及空洞与围岩之间的清晰距离对衬砌后方静水压分布以及衬砌应力和变形演变机制的影响。本研究为降雨条件下管道型喀斯特地层中隧道衬砌的安全评估奠定了基础。

部分摘录

实验平台和相似性关系

本实验使用了一个尺寸为80厘米（长）× 60厘米（宽）× 80厘米（高）的钢化玻璃罐。罐体顶部是开放的，前面有一个直径20厘米的圆形开口，用于安装测试模型。在模型罐的一侧放置了一个100升的水储存罐，位置高于模型罐，以提供测试所需的水头。在储存罐的底部开有一个开口，并通过

衬砌周围土水压的分布模式

在喀斯特地层中，强降雨会显著改变地下渗流场，在衬砌后方产生高孔隙水压，对隧道结构安全构成威胁（郑等人，2022c）。因此，研究由此产生的土水压的耦合机制和时空演变对于有效预防和控制衬砌裂缝和失效至关重要。

数值模拟

为了进一步研究降雨持续时间和水压对隧道衬砌力学行为和变形的影响机制，开发了一个三维数值模型，以研究降雨条件下管道型喀斯特地层中隧道周围水压的分布模式及相应的衬砌响应特性。

结论

通过模型试验，本研究首先研究了降雨引起的管道型喀斯特地层中隧道周围水压的分布模式及相应的衬砌响应特性。在此基础上，建立了一个数值模型，分析了降雨持续时间、管道型喀斯特空洞的空间位置、空洞与围岩之间的渗透系数比值以及空洞与隧道之间的清晰距离对

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文得到了广西青年科学基金（2025GXNSFBA069511）、广西科技重大计划（AA23073018）、2024年广西“青苗计划”（第一批）以及广西科技基地和人才项目（AD23026104）的共同资助。作者感谢这些财政支持。