随着我国基础交通的建设和发展,隧道工程被大量采用并逐渐朝深埋、超长方向发展,隧道高水压问题日趋突出。目前隧道建设者们提出了“以堵为主,堵排结合”的隧道设计和施工理念,既可以减少由于地下水引起的高水压问题,又可以缓解因为地下水的过度排放引起的环境问题。如何既不影响隧址区生态环境,又能安全可靠地进行隧道建设,研究隧道外水压力的计算及分布规律便成为需要解决的问题。本文在统计分析我国61个已发生涌突水灾害隧道的基础上,归纳出隧道所处的地质环境条件及施工中水压与涌水量情况,通过对影响隧道外水压力的地质环境因素的分析,提出越岭隧道水文地质结构概念,并对越岭隧道水文地质结构类型进行划分;然后对均匀水文地质结构、近水平层状水文地质结构、单斜层状水文地质结构及复杂水文地质结构实例进行研究,提出均匀水文地质结构和近水平层状水文地质结构毛洞状态和堵排结合状态两种情况的隧道外水压力计算方法,并得出计算公式,同时得到单斜层状水文地质结构中隧道外水压力的分布规律;最后以三都隧道为例,研究复杂水文地质结构隧道外水压力分析方法。在系统的研究工作中取得以下主要成果:(1)从隧址区地层岩性、地质构造入手,分析我国高水压隧道所处的地质环境条件。研究发现,越岭隧道容易遭遇高水压地段的围岩多为可溶岩和砂岩;各种构造作用下均有出现高水压的可能。(2)在前人对矿山、滑坡、河谷等水文地质结构研究的基础上,结合越岭隧道工程的特点,建立越岭隧道水文地质结构分类体系。根据渗透主体介质空间结构特征及岩体产出状态、空隙类型等将越岭隧道水文地质结构类型划分为六大类型,分别为均匀结构、层状结构、脉状结构、断裂型复合结构、岩溶型复合结构和混合型复合结构。(3)均匀水文地质结构中开挖隧道,毛洞状态时开挖段周边隧道外水压力降低,且岩体渗透性越强,外水压力减少值越大,渗透性越弱,外水压力减小值越小;堵排结合状态时开挖段周边隧道外水压力降低幅度比毛洞状态时小,且岩体渗透性越强,外水压力减小值越小;渗透性越弱,外水压力减小值越大。岩体渗透性明显影响外水压力的减小程度。(4)近水平层状水文地质结构上强下弱型中隧址区渗流场受隧道与岩层渗透性变化边界的距离影响。距离越小,渗透性较强的岩体对隧道周围渗流场影响越大,反之,距离越大,影响越小。隧道与岩层渗透性变化边界的距离越近,外水压力越大,距离越远,外水压力越小;当隧道与岩层渗透性变化边界的距离增大到某一个值时,外水压力不再随距离的增大而变化。毛洞状态和堵排结合状态下,隧道外水压力的计算分为隧道与岩层渗透性变化边界的距离大于外水压力影响距离和隧道与岩层渗透性变化边界的距离小于外水压力影响距离两种情况。(5)近水平层状水文地质结构上弱下强型中隧址区渗流场主要受渗透性较强岩体的控制。隧道与岩层渗透性变化边界的距离越近,外水压力越小,距离越远,外水压力越大。当距离增大到一定值后,外水压力不再随隧道与岩层渗透性变化边界的距离增大而变化。无论是毛洞状态还是堵排结合状态,外水压力均可以偏保守的用轴对称解析解公式计算。(6)单斜层状水文地质结构直立岩层中开挖隧道,毛洞状态可分为“前强,后弱”、“前弱,后强”、“独立”三种模式,堵排结合状态可分为“前强,后弱”、“前弱,中强,后弱”、“前强,中弱,后强”、“前弱,后强”四种模式,每种模式的外水压力有其自身的规律。(7)单斜层状水文地质结构45°倾角岩层中开挖隧道,毛洞状态时在渗透性较弱的岩体内,研究断面与岩层渗透性变化边界的距离越近,隧道外水压力越大,在变化边界处达到最大值。隧道外水压力在岩体渗透性变化边界处大于边界外的其他位置。堵排结合状态时,在渗透性较弱的岩体里,隧道外水压力随着与弱强渗透性变化边界的距离的减小而增加,在渗透性较强岩体里保持不变。(8)以三都隧道为研究实例,总结出穿越复杂水文地质结构的隧道外水压力分析方法。首先根据渗透主体介质空间结构特征及岩体产出状态、空隙类型将隧道划分为几段不同的水文地质结构类型,然后根据不同水文地质结构类型分析隧道外水压力的大小及分布规律。