CN102678174B - 穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统的设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统及其设置方法。在多年冻土段隧道下方设置防寒泄水洞，防寒泄水洞施工扰动会使多年冻土发生融化，导致地层融沉及冻胀，影响隧道整体结构安全。本发明在与多年冻土相接非冻土段设置单层隔热层防冻，设置中心深埋水沟或防寒泄水洞排水；在多年冻土段设置内外双层隔热层防冻与防融化，设置双侧保温边沟排水。通过在多年冻土段与非冻土段交界处设导水洞将洞内非多年冻土段的地下水引至位于隧道下方以外的防寒泄水洞引至洞外，从而不需在多年冻土段隧道下方增加任何排水设施，减少了泄水洞施工对主洞结构安全和施工进度的影响，同时保护冻土的原始状态，利于隧道结构的稳定。

Description

穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统的设置方法

技术领域

    本发明涉及一种隧道排水系统及其设置方法，具体涉及一种穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统及其设置方法。 

背景技术

寒区隧道冻害现象普遍比较严重，常导致隧道内路面结冰，形成冰柱，衬砌结构破坏甚至报废，严重影响隧道的正常运行和安全，而水是寒区隧道产生冻害的根源，必须解决好寒区隧道的排水问题。当隧道既穿越多年冻土区又穿越非冻土区时，是最为复杂的一类隧道，在多年冻土段既要保护多年冻土，不被融化，防止季节融化层的冻融作用；在非冻土段应保温防冻，防止围岩被冻结以及冻融作用，防止地下水渗入。此类隧道的关键是要是排水系统畅通，防止寒季渗漏水并防止冻结，防止暖季多年冻土融化发生融沉。 

为了顺利排除寒区隧道的地下水，防止地下水冻结，一般在隧址最大冻结深度以下修建深埋中心水沟或防寒泄水洞，利用地温达到使水流不冻结的目的。当隧道既穿越多年冻土区又穿越非冻土区时，则需要在隧道非冻土段下修建深埋中心水沟或防寒泄水洞。为保证隧道排水沟（洞）的排水坡度，需在多年冻土段隧道下修建防寒泄水洞或深埋中心水沟，与非多年冻土段的深埋中心水沟相连接，将地下水排至洞外。以上排水系统布置方式存在的问题为：首先在隧道多年冻土段下修建的防寒泄水洞或深埋中心水沟，施工扰动会成为一个热源，会使多年冻土区的冻土融化，可能导致地层融沉变形，给隧道的整体结构安全带来影响；第二，当防寒泄水洞和深埋中心水沟直接穿越多年冻土区时，需要采用相应的保温隔热措施来防止水流被冻结以及防止周围冻土融化，如果处理不当，冬季会导致水流冻结，失去排水功能；夏季出现水流渗漏会使泄水洞周围多年冻土融化，形成融化圈，可能使衬砌基础发生不均匀沉降；第三，在隧道多年冻土区下部修筑防寒泄水洞时，若防寒泄水洞先行，因其断面小，施工进度慢，会影响主洞的开挖进度，而若主洞先行，再修筑防寒泄水洞，则会影响主洞的结构安全。 

发明内容

本发明的目的是为了解决多年冻土区修建泄水洞的不足之处，提供一种能适应多年冻土区与非冻土区衔接过渡区域，避免隧道排水系统发生冻结的穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统及其设置方法。 

本发明所采用的技术方案是： 

一种穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统，其特征在于：

所述的隧道排水系统分为多年冻土段和非冻土段；

所述非冻土段隧道左、右线各自设置有沿隧道环向铺设的环向排水盲管，环向排水盲管接入位于隧道拱脚的纵向排水盲管，纵向排水盲管通过横向导水管接入位于隧道路面下方中央位置的深埋中心水沟；

所述的隧道左、右线的两条深埋中心水沟在非冻土段和多年冻土段的交界处通过导水洞接入位于隧道左、右线之间中心位置最大冻结深度以下的防寒泄水洞中；

所述的多年冻土段的隧道左、右线各自设置有沿隧道环向铺设的环向排水盲管，环向排水盲管接入位于隧道拱脚的纵向排水盲管，纵向排水盲管通过横向导水管接入位于隧道路面两侧的保温水沟中。

当在隧道多年冻土段与非冻土段的交界处有比经由洞口引排短的出口时，防寒泄水洞从该处直接引至山体表面。 

当隧道左、右线间距较大时，防寒泄水洞在隧道左、右线中间处最大冻结深度以下，从多年冻土段和非冻土段的交界处，穿过多年冻土段引到隧道洞外； 

当隧道左、右线间距较小时，防寒泄水洞在左线或右线的外侧一定距离处最大冻结深度以下，从多年冻土段和非冻土段的交界处，穿过多年冻土段引到隧道洞外；

当为单线隧道时，防寒泄水洞在隧道轴线外侧一定距离处最大冻结深度以下，从多年冻土段和非冻土段的交界处，穿过多年冻土段引到隧道洞外。

在多年冻土与非冻土段形成的过渡区中，深埋中心水沟可通过一道或多道导水洞接入防寒泄水洞中。 

一种穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统的设置方法，其特征在于： 

由以下步骤实现：

步骤一：隧道开挖后,首先对开挖范围内的围岩进行预加固，采用机械开挖或弱爆破开挖，开挖后及时喷射低温混凝土、架立钢拱架、打设锁脚锚杆的初期支护，变形量超过警戒值时增加临时仰拱；

步骤二：在多年冻土段初期支护及二衬仰拱完成后，沿隧道环向铺设环向排水管，拱脚处铺设纵向排水管，并通过横向排水管与保温水沟连接；然后再铺设防水板、保温层，最后施作二衬及衬砌内表面隔热保温层；

步骤三：根据隧道左右线间距情况选择防寒泄水洞的布设位置，从洞口处开始采用暗挖法按设计埋深在隧道左右线中间或一侧施工防寒泄水洞，挖至多年冻土与非冻土段交界处；

步骤四：在非冻土段下台阶落底后，分段施作或临时封闭初支仰拱, 开挖隧底中心深埋水沟，预埋横向排水管，水沟埋设后完成中间剩余初支仰拱，浇筑二衬仰拱；然后再铺设防水板、保温层，最后施作二衬；在多年冻土与非冻土交界段，施作导水洞与中心深埋水沟相接，导水洞与防寒泄水洞相接；

步骤五：当山体地貌有条件在多年冻土与非冻土段交界处直接引至山体一侧时，则从山体表面出口处开始开挖防寒泄水洞，开挖至多年冻土与非冻土交界处时，施作导水管与深埋中心水沟连接；

步骤六：当隧道开挖至非冻土段，按设计深度及尺寸施工深埋中心水沟，埋深横向排水管与拱脚处的纵向排水管相连接，施作初支仰拱，然后施工二次衬砌仰拱，铺设防水板浇筑二次衬砌，铺设二次衬砌内表面隔热保温层。

    本发明具有以下优点和效果： 

    本发明在隧道左、右线中间或轴线外一侧设置防寒泄水洞，在多年冻土段与非冻土段交界处将非多年冻土段的地下水不经多年冻土段而引至洞外，从而不需在多年冻土段隧道下部增加任何排水设施，极大的减少了排水设施施工对主洞结构安全和施工进度的影响，同时保护了多年冻土的原始状态，有利于隧道结构的长期稳定。此外，用一条防寒泄水洞替代左右两条隧道冻土段下部的排水设施，还可以节省建设投资。当隧道多年冻土段与非冻土段交界处有比从洞口排水短的山体表面出口时，可以通过防寒泄水洞直接将深埋中心水沟中的地下水引至一侧出口，避免对隧道下方多年冻土的扰动，保护多年冻土，防止融沉；同时，这种排水系统的布置方式既不会影响主洞施工进度，又不会影响主洞结构安全；此外，防寒泄水洞埋置在与隧址围岩最大冻结深度之下，利用地温使水流不冻结，达到隧道排水通畅的目的，为今后类似工程提供了借鉴。

四、附图说明

图1 为隧道多年冻土段与非冻土段排水系统纵向剖面图。

图2为防寒泄水洞布置在隧道左右线之间的排水系统横向布置剖面图。 

图3为防寒泄水洞布置在隧道左右线之间提前出洞排水系统平面布置图。 

图4为防寒泄水洞布置在隧道左右线之间从洞口侧出洞排水系统平面布置图。 

图5为防寒泄水洞布置在隧道右线或左线外一侧的排水系统横向布置剖面图。 

图6为防寒泄水洞布置在隧道右线或左线一侧提前出洞排水系统纵向剖面图。 

图7为防寒泄水洞布置在隧道右线或左线一侧从洞口侧出洞排水系统平面布置图。 

图8为隧道多年冻土段排水系统横向布置剖面图。 

图9为隧道非冻土段排水系统横向布置剖面图。 

图中，1-纵向排水管，2-横向导水管，3-深埋中心水沟，4-环向排水盲管，5-防寒泄水洞，6-导水洞，7-隧道多年冻土段，8-隧道非冻土段，9-隧道主洞，10-保温水沟，11-隔热保温层。 

五、具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明提供一种穿越多年冻土区和非冻土区的寒区隧道排水系统，能减少对多年冻土的扰动，防止多年冻土融化，保证隧道结构的整体安全，避免寒区隧道排水系统发生冻结，保证地下水顺畅排出，同时为隧道正常运营提供保障。 

该系统的基本工作原理是使隧道多年冻土段与非冻土段的排水管沟相互独立，减少防寒泄水洞施工对多年冻土的扰动破坏以及对隧道结构安全和施工进度的影响。在隧道非冻土段，环向排水盲管与纵向排水管相互连接，并通过横向导水管将衬砌背后的水引至中心深埋水沟，中心深埋水沟埋置于隧址最大冻结深度之下，利用地温达到使水流不冻结的目的；在隧道多年冻土段，环向排水盲管与纵向排水管相互连接，并通过横向导水管将多年冻土融化产生的少量地下水引至保温水沟排出洞外；在多年冻土段与非冻土段交界处，根据隧道左、右线间距、地形、地貌等因素，分为二种情况将非多年冻土段的地下水不经多年冻土段隧道正下方的防寒泄水洞引至洞外：一是在隧道多年冻土与非冻土段交界处，通过防寒泄水洞直接将深埋中心水沟中的地下水排至一侧山体之外（见图2、图3、图5、图6），提早出洞；二是通过导水洞将隧道左右线深埋中心水沟内的地下水汇集到左右线中间或隧道轴线一侧的防寒泄水洞中沿隧道轴线方向排出洞外（见图1、图2、图4、图5、图7）。隧道多年冻土段排水系统布置见图8，非冻土段排水系统布置见图9。 

本发明所述的一种穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统的具体布置方案如下： 

隧道排水系统分为非冻土段和多年冻土段：非冻土段的隧道左、右线各自设置有沿隧道环向铺设的环向排水盲管4，环向排水盲管4接入位于隧道拱脚的纵向排水管1，纵向排水管1通过横向导水管2接入位于隧道路面下方的深埋中心水沟3；隧道左、右线的两条深埋中心水沟3在非冻土段和多年冻土段的交界处通过导水洞6接入位于隧道左、右线之间中心位置处最大冻结深度以下的防寒泄水洞5中；多年冻土段隧道左、右线各自设置有沿隧道环向铺设的环向排水盲管4，环向排水盲管4接入位于隧道拱脚的纵向排水管1，纵向排水管1通过横向导水管2接入位于隧道路面两侧的保温水沟10。

当隧道多年冻土段与非冻土段的交界处有比沿洞口方向排水短的山体表面出口时，防寒泄水洞5从该处引出山体外。若为非冻土，则只需使防寒泄水洞5的埋深大于隧址最大冻结深度即可，利用地温避免水流在冬季被冻结，而无需再采取任何保温措施。 

当隧道左、右线间距较大时，在左、右线之间合适位置布置防寒泄水洞5，使多年冻土段隧道左、右线位于防寒泄水洞5施工开挖影响范围之外，以保证主洞结构安全；同时使隧道左、右线多年冻土段位于防寒泄水洞5冻融影响范围之外，以避免主洞附近多年冻土融化，产生融沉现象。此外，因隧道左、右线中间的防寒泄水洞5直接穿过多年冻土，所以应采取适当的保温措施，以避免水流冻结，保证排水系统的通畅。防寒泄水洞5沿隧道轴线方向从多年冻土段与非冻土段交界处开始，至隧道洞口外泄水洞保温出水口处截止。在非冻土段隧道左、右线下部布置中心深埋水沟3，并通过横向导水洞6与环、纵向排水盲管相连，在隧道多年冻土段与非冻土段交界处将左、右线中心深埋水沟3中的水经导水洞6引至防寒泄水洞5并排出洞外。 

当隧道左、右线间距较小时，根据地形、地质条件及出口山坡情况，在隧道左线或右线外侧合适位置布设防寒泄水洞5，使隧道左、右线多年冻土段位于防寒泄水洞施工开挖以及冻融影响范围之外。此外，应使多年冻土段与非冻土段交界处的中心深埋水沟3到防寒泄水洞5的距离最短，以节省建设投资。若防寒泄水洞沿隧道轴向方向所穿越地层为多年冻土，则应采取适当的保温隔热措施以避免水流冻结；若为非冻土，则只需使防寒泄水洞5的埋深大于隧址最大冻结深度即可，利用地温避免水流在冬季被冻结，而无需再采取保温措施。 防寒泄水洞5沿隧道轴线方向从多年冻土段与非冻土段交界处开始，至隧道洞口外泄水洞保温出水口处截止。在非冻土段隧道左、右线下部布置中心深埋水沟3，并通过横向排水管2与环、纵向排水盲管相连。在隧道多年冻土段与非冻土段交界处将左、右线中心深埋水沟3中的水经导水洞6引至防寒泄水洞5并排出洞外。 

考虑到受外界气候条件影响，多年冻土与非冻土界线会发生变化；隧道开通运营后在不同季节洞内温度场会发生变化，会在多年冻土与非冻土段形成一过渡区，变为季节性冻土段，针对上述情况，所述的深埋中心水沟3可通过一道或多道导水洞6接入防寒泄水洞5中。 

上述排水系统的施工由以下步骤实现： 

步骤一：隧道开挖分为多年冻土段与非冻土段。在多年冻土段应选择在冬季施工，本着“保护冻土，防止融化”的原则组织施工；非冬季进行洞口段开挖时应设置遮阳棚或防晒网，防止边仰坡融沉破坏，洞顶冻土融化。在非冻土段施工应本着“隔热、防止围岩冻融”的原则组织施工。隧道开挖后,首先对开挖范围内的围岩进行预加固，采用机械开挖或弱爆破开挖，开挖后及时喷射低温混凝土、架立钢拱架、打设锁脚锚杆等初期支护，变形量超过警戒值时增加临时仰拱。

步骤二：在多年冻土段初期支护及二衬仰拱完成后，沿隧道环向铺设环向排水管，拱脚处铺设纵向排水管，并通过横向排水管与保温水沟连接。然后再铺设防水板、保温层，最后施作二衬及衬砌内表面隔热保温层。 

步骤三：根据隧道左右线间距情况选择防寒泄水洞的布设位置，从洞口处开始采用暗挖法按设计埋深在隧道左右线中间或一侧施工防寒泄水洞，挖至多年冻土与非冻土段交界处。 

步骤四：在非冻土段下台阶落底后，分段施作（或临时封闭）初支仰拱, 开挖隧底中心深埋水沟，预埋横向排水管，水沟埋设后完成中间剩余初支仰拱，浇筑二衬仰拱。然后再铺设防水板、保温层，最后施作二衬。在非冻土段与多年冻土交界段，施作导水洞与中心深埋水沟相接，导水洞与防寒泄水洞相接。 

步骤五：当山体地貌有条件在多年冻土与非冻土段交界处直接引至山体一侧时，则从山体表面出口处开始开挖防寒泄水洞，开挖至多年冻土与非冻土交界处时，施作导水管与深埋中心水沟连接； 

步骤六：当隧道开挖至非冻土段，按设计深度及尺寸施工深埋中心水沟，埋深横向排水管与拱脚处的纵向排水管相连接，施作初支仰拱，然后施工二次衬砌仰拱，铺设防水板浇筑二次衬砌，铺设二次衬砌内表面隔热保温层。

Claims (1)

1.一种穿越多年冻土区与非冻土区的隧道排水系统的设置方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：隧道开挖后,首先对开挖范围内的围岩进行预加固，采用机械开挖或弱爆破开挖，开挖后及时喷射低温混凝土、架立钢拱架、打设锁脚锚杆的初期支护，变形量超过警戒值时增加临时仰拱；

步骤二：在多年冻土段初期支护及二衬仰拱完成后，沿隧道环向铺设环向排水管，环向排水管接入拱脚处铺设的纵向排水管，纵向排水管通过横向排水管与保温水沟连接；然后再铺设防水板、保温层，最后施作二衬及衬砌内表面隔热保温层；

步骤三：根据隧道左、右线间距情况选择防寒泄水洞的布设位置，从洞口处开始采用暗挖法按设计埋深在隧道左、右线中间或一侧施工防寒泄水洞，挖至多年冻土与非冻土段交界处；

当隧道左、右线间距较大时，防寒泄水洞在隧道左、右线中间处最大冻结深度以下，从多年冻土段和非冻土段的交界处，穿过多年冻土段引到隧道洞外；

当隧道左、右线间距较小时，防寒泄水洞在左线或右线的外侧一定距离处最大冻结深度以下，从多年冻土段和非冻土段的交界处，穿过多年冻土段引到隧道洞外；

当为单线隧道时，防寒泄水洞在隧道轴线外侧一定距离处最大冻结深度以下，从多年冻土段和非冻土段的交界处，穿过多年冻土段引到隧道洞外；

步骤四：在非冻土段下台阶落底后，分段施作或临时封闭初支仰拱，开挖隧底中心深埋水沟，预埋横向排水管，水沟埋设后完成中间剩余初支仰拱，浇筑二衬仰拱；然后再铺设防水板、保温层，最后施作二衬；在多年冻土与非冻土交界段，施作导水洞与深埋中心水沟相接，导水洞与防寒泄水洞相接，深埋中心水沟可通过一道或多道导水洞接入防寒泄水洞中；

步骤五：当山体地貌有条件在多年冻土与非冻土段交界处直接引至山体一侧时，则从山体表面出口处开始开挖防寒泄水洞，开挖至多年冻土与非冻土交界处时，施作导水管与深埋中心水沟连接；

步骤六：当隧道开挖至非冻土段，按设计深度及尺寸施工深埋中心水沟，埋深横向排水管与拱脚处的纵向排水管相连接，施作初支仰拱，然后施工二次衬砌仰拱，铺设防水板浇筑二次衬砌，铺设二次衬砌内表面隔热保温层。