当地下结构工程穿越地下水丰富区域时，由地下水引发的一系列工程问题时有发生。因此，处理好地下结构与地下水的关系，是地下结构工程设计、施工中的最基本问题和前提条件，也是地下结构工程领域的基础科学问题之一。水工隧洞围岩渗流特征和衬砌结构外水压力分布是穿越富水区水工隧洞工程设计的两个重要基础，防渗排水是影响水工隧洞施工成败的关键。目前，有关水工隧洞地下水渗流场分布的研究多以圆形隧洞工程为依托，而且水工隧洞围岩的防渗排水措施还主要参考公路隧道。鉴于此，本文以富水区不同断面形状水工隧洞为研究对象，采用理论分析、数值模拟及现场监测相结合的方法，研究了水工隧洞渗流场分布规律及作用于衬砌上的外水压力。主要研究内容和成果如下：
　　（1）依据无限含水层井流理论，采用复变函数保角映射方法，提出了一种考虑断面形状的隧洞渗流场分布及渗流速度解析计算方法；在此基础上，分别从隧洞断面高宽比、地下水、围岩特性三个方面进行了隧洞渗流特性影响因素分析，结果表明，对于矩形隧洞，角点部位渗流速度最大，随着远离角点部位渗流速度逐渐变小；对于直墙圆拱隧洞，边墙墙脚部位渗流速度最大，顶拱部位渗流速度次之，随着远离边墙墙脚部位渗流速度逐渐变小，在边墙和底板中部达到低值。
　　（2）利用有限差分法，开展了富水环境下水工隧洞渗流特征的三维数值模拟，并将数值模拟得到的隧洞渗流场分布规律与解析计算结果进行了对比分析，结果一致性较好。在此基础上，利用数值模拟，探究了不同外水压力、内水压力作用下圆拱直墙隧洞围岩的渗流和衬砌结构受力特征，结果表明随着隧洞施工开挖掌子面的不断推进，周边围岩孔隙水压力下降，地下水向洞内渗流，在隧洞四周由于水压力差形成了漏斗形的水压力分布曲线。
　　（3）针对隧洞工程中为降低施工期涌水量而采取的开挖前预灌浆技术，推导了半无限含水层中圆形隧洞涌水量解析解。通过对解析解的相关性分析，得到了隧洞毛洞涌水量与探测孔涌水量比值的简化解；同时分析了灌浆隧洞涌水量与隧洞毛洞涌水量比值（灌浆防渗效果）与封孔效率的相关性。在此基础上，根据隧洞允许排水量，并结合现场预灌浆技术可达到的封孔效率，来确定灌浆圈的厚度。
　　（4）依据无限含水层井流理论对圆形隧洞衬砌结构外水压力的变化规律展开了理论推导及分析，分析结果说明随着灌浆圈厚度的增加、渗透系数的减小、隧洞排水量的增大，衬砌结构外水压力不断减小；当隧洞排水系统的排水量能够大于透过灌浆防渗圈的渗流量时，衬砌结构外水压力值就能降到比较小的量值。
　　（5）通过数值试验模拟了马蹄形断面隧洞衬砌结构防渗性能劣化和排水系统失效状态下的外水压力分布规律。模拟结果表明，考虑衬砌防渗时，衬砌劣化对外水压力分布的影响与衬砌劣化程度紧密相关，随衬砌渗透系数的增加，外水压力减小；在排水系统失效状态时，与防渗排水正常状态时外水压力相比，当环向透水盲管堵塞失效时拱顶部位的外水压力增幅显著，当纵向排水管堵塞失效时边墙中部的外水压力增幅较大，当环向透水盲管或纵向排水管堵塞失效时仰拱中部的外水压力均增幅较大。
　　（6）以直墙圆拱引水隧洞依托工程为研究背景,开展了现场监测与数据分析，结果表明回填灌浆与固结灌浆封堵地下水的通道降低了隧道涌水量，衬砌上的外水压力减小；采用穿透固结灌浆层的排水孔和底板下的中心排水沟时，衬砌外水压力进一步减小。数值模拟分析结果，与现场监测结果基本一致。