CN103541762A - 一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构及方法 - Google Patents
一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构及方法，在低于隧道洞身段的旁侧设有平行导坑，平行导坑通过横通道连通隧道；隧道洞口段全断面注浆形成超细水泥全断面注浆封堵固结圈；封堵固结圈之外低于洞口位置两侧设两个倾斜的泄水孔；平行导坑的至少一端通过一个倾斜设置的泄水洞连通隧道外部。本发明根据高海拔严寒地区隧道运营风流动的特点，利用施工期先行开挖的，低于正线隧道位置的平行导坑，实现正线隧道底部深埋保温横向排水，配合隧道纵向倒“V”形排水管加大隧道围岩水的下泄；隧道内水通过“定向钻扩孔技术”形成的小洞径、大坡度泄水孔配合中部平行导坑实现高海拔严寒富水长隧道的顺利排水，确保隧道结构的安全、稳定。
Description
【技术领域】
本发明涉及土木工程行业的隧道和地下工程技术领域，具体涉及一种高海拔严寒富水隧道的防冻排水结构及方法。
【背景技术】
我国及欧美日本等国寒冷地区的铁路、公路隧道的使用情况调查表明，寒冷地区修建隧道的主要难点是隧道的防冻抗冻问题。日本道路公团和日本铁道综合技术研究所最近的统计表明，日本全国3800座铁路隧道中有1100座因冻害原因，在冬季运营期间危及到行车安全；公路隧道中，仅北海道地区的302座大型公路隧道中发生严重冻害的就达104座，为消除侧墙壁冰和拱部冰柱，作为整治措施之一，在较多隧道设置了电加热装置，投入的整治费用十分惊人。寒冷地区隧道而形成冻害原因除了地质条件、施工影响和结构类型因素外，其前提条件是负温和水。如果隧道排水系统不通畅，衬砌背后有水就会产生冻胀。水在发生相变时(由水变成冰)体积要增大9%，当体积膨胀受到约束时将产生强大的冻胀力，从资料上来看，冻胀力数值可以大的惊人，因而寒区隧道的冻害主要是排水防冻问题，如能将衬砌背后围岩中的地下水排除，则冻害要大减轻或消除。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构及方法，以解决高海拔严寒富水长隧道冬季因排水系统不通畅，衬砌背后积水造成冻胀而影响使用的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，在低于隧道洞身段的旁侧设有平行导坑，平行导坑通过若干横通道连通隧道；隧道洞口段全断面注浆形成超细水泥全断面注浆封堵固结圈；封堵固结圈之外低于洞口位置两侧设有两个倾斜的泄水孔；平行导坑的至少一端通过一个倾斜设置的泄水洞连通隧道外部。
本发明进一步的改进在于，封堵固结圈的厚度为3-5m。
本发明进一步的改进在于，泄水孔、横通道、泄水洞与水平面的夹角均大于千分之十二度。
本发明进一步的改进在于，平行导坑设置在隧道动身段水流上游且低于隧道正线的位置；平行导坑的直径小于隧道的直径。
本发明进一步的改进在于，隧道洞身段纵向设有若干倒V形纵向排水管，所述倒V形纵向排水管连通若干环形盲管；倒V形纵向排水管的最低点采用垂直孔同隧道底部横向泄水孔相连，所述横向泄水孔倾斜连通所述平行导坑。
本发明进一步的改进在于，泄水洞一端连接平行导坑端部的V型变断面落水坑，另一端连通隧道外部；所述泄水洞的直径小于平行导坑的直径。
本发明进一步的改进在于，平行导坑中的水保持正温。
本发明进一步的改进在于，隧道全长采用人字型纵坡。
本发明进一步的改进在于，平行导坑全长采用人字型纵坡。
本发明进一步的改进在于，隧道洞口向内300m为洞口段。
一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水方法，包括：隧道施工中，在低于隧道洞身段的旁侧开设平行导坑，平行导坑通过若干横通道连通隧道；隧道内的积水通过若干横通道快速排入平行导坑，平行导坑利用隧道围岩裂隙水正温特性，避免了隧道洞身段排水中因隧道风洞导致的排水过程中水温下降而造成冻结现象；在隧道洞口段全断面注浆形成超细水泥全断面注浆封堵固结圈；在封堵固结圈之外低于洞口位置两侧设置两个倾斜的泄水孔，用于快速将封堵固结圈之外围岩中的地下水排泄排出至隧道外，减小封堵固结圈上的水压力；在平行导坑的至少一端开设一个倾斜设置的泄水洞连通隧道外部，泄水洞直径小于平行导坑；平行导坑中的水通过泄水洞排出至隧道外。
本发明进一步的改进在于，封堵固结圈的厚度为3-5m。
本发明进一步的改进在于，泄水孔、横通道、泄水洞与水平面的夹角均大于千分之十二度。
本发明进一步的改进在于，平行导坑设置在隧道动身段水流上游且低于隧道正线的位置；平行导坑的直径小于隧道的直径。
本发明进一步的改进在于，泄水洞一端连接平行导坑端部的V型变断面落水坑，另一端连通隧道外部。
本发明进一步的改进在于，隧道全长采用人字型纵坡；平行导坑全长采用人字型纵坡。
本发明进一步的改进在于，隧道洞口向内300m为洞口段。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明中洞口段埋深浅采用超细水泥全断面注浆封堵固结卸荷岩体空隙和裂隙，封堵地下水；同时，在隧道洞口浅埋强卸荷段采用“定向钻扩孔技术”由隧道口低于隧道洞底的注浆加固圈外侧位置施作两泄水减压孔，减少注浆加固区外水压力对隧道和注浆加固段的压力，确保隧道该段处于低水压甚或无水压环境；以上两种措施相结合，可满足洞口段冻胀层范围内无可冻胀水的要求，实现洞口低温条件下衬砌后面少水甚或无水，确保隧道洞口衬砌运营安全。
本发明中在隧道洞身深埋富水段采用施工期先行施工的位于隧道来水方向一侧，低于正线隧道的平行导坑，形成两端非贯通的大坡度集水通道。充分利用了大断面富水隧道施工期加快进度而采取的先行平行导坑，实现了临时工程的永-临结合的效果。
本发明在隧道深埋洞身段取消了隧道中部的深埋水沟，变纵向排水为向平行导坑的横向大坡度排水，实现了深埋、大坡度快速排水的效果，消除了因隧道中部深挖水沟施工造成的隧道仰拱不能及时封闭，安全性差，且施工质量难以保证的特点。取消隧道中部的深埋水沟，隧道两侧纵向排水管采用倒“V”字型布置，加大纵向水的小流坡度，加快水的流速；“V”字型纵向排水低点采用垂直孔同隧道底部横向大坡度泄水孔相连。
本发明平行导坑同隧道均采用人字形坡，在平行导坑端部形成“V”型变断面落水坑；落水坑下部同大坡度泄水孔相连。洞内积水由洞外平行导坑位置之下采用“定向钻扩孔技术”形成的大坡度泄水洞，泄水洞通过平行导坑端部“V”型变断面落水坑同平行导坑相连，利用“大断面变小断面增加水流速度”、“加大排水坡度加快流速”原理，实现高海拔严寒富水长隧道的冬季防冻排水的顺利进行。
本发明通过全断面注浆堵水加固，水流方向低于正线隧道的平行导坑集水，大断面变小断面加快水流速度，大坡度落差加快水流动结构，确保高海拔严寒富水隧道冬季隧道地下水的顺畅排泄，防止因地下水的排泄不畅导致的隧道结构冻胀破坏和隧道延冰堵塞隧道。本发明对确保严寒富水隧道的快速施工和运营期的结构安全、质量等方面都有可观的价值。将富水长隧道施工期的平行导坑变为隧道永久性排水工程的一部分，实现高海拔严寒富水长隧道“永-临”结合的防冻排水结构。
本发明充分利用长隧道中部深埋段围岩内部水温正值的特点，根据高海拔严寒地区隧道运营风流动的特点，利用施工期先行开挖的，低于正线隧道位置的平行导坑，实现正线隧道底部深埋保温横向排水，配合隧道纵向倒“V”形排水管加大隧道围岩水的下泄；隧道内水通过“定向钻扩孔技术”形成的小洞径、大坡度泄水洞配合中部平行导坑实现高海拔严寒富水长隧道的顺利排水，确保隧道结构的安全、稳定。
【附图说明】
图1是本发明一种高海拔严寒富水长隧道永临结合的防冻排水结构中隧道全程分段及排水俯视示意图。
图2是沿图1中16-16线所剖视的隧道洞口浅埋段注浆封堵及排水示意图。
图3是洞口段排水示意图。
图4是隧道深埋富水段纵向倒“V”型排水系统图。
图5是隧道深埋段围岩中裂隙水排向平行导坑示意图。
图6是平行导坑向外排水系统的示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1至图6所示，本发明一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，采用以下几种防水排水的结构，解决高海拔严寒富水隧道因排水系统不通畅，衬砌背后积水造成冻胀而影响使用的问题。高海拔一般指平均海拔3000m以上的地区，严寒一般指冬季最寒冷的一个月份平均气温低于-15℃。
1、隧道根据埋深区分为洞口段和洞身深埋段。洞口段取隧道洞口向内300m；其余为洞身段，如图1中1-2段为洞口段，2-4段为洞身段；图1中只画出隧道一半，另一半未图示。洞口段由于临空卸荷或因浅埋造成岩体裂隙发育，易受地表水的影响，易发生冻胀。洞身富水地段围岩软弱，在施工中采用小断面平行导坑（6-7）先行贯通，平行导坑可多开工作面，加快进尺的目标。在隧道该段充分利用该平行导坑作为运营积水和隧道富水段的排水通道；该结构/方法充分利用隧道围岩裂隙水正温特性，避免了隧道中部排水中因隧道风洞导致的排水过程中水温下降而造成冻结现象。
2、洞口浅埋卸荷风化段采用超细水泥注浆封堵技术，在隧道洞口段一周3-5m范围内形成超细水泥全断面注浆封堵固结圈（22，如图2所示），封堵围岩和地表地下；在封堵固结圈之外，由洞口处全断面帷幕注浆封堵固结圈之外低于洞口位置两侧采用定向钻扩孔技术形成两个大坡度泄水孔（19-17），如图3所示泄水孔（19-17）与水平面的夹角18大于千分之十二度，根据具体地形和距离，该角度越大越好，越有利于加快水流速度，使水尽快排出隧道。两侧泄水孔（19-17）用于快速将封堵固结圈之外围岩中的地下水排泄排出至隧道外，减小封堵固结圈上的水压力，满足洞口段冻胀层范围内无可冻胀水的要求。
3、隧道全长采用“人”字型纵坡。利用施工期临时平行导坑（6-7）形成隧道围岩积水洞；平行导坑设置在隧道富水段水流上游且低于正线，其在隧道施工期可先行汇水、降水。隧道运营期间，隧道路面水等进入隧道衬砌内的水由施工时的横通道（图1中2-6、8-11、9-12、10-13、3-14和4-7所示）大坡度进入平行导坑；横通道与水平面的夹角大于千分之十二度，该角度越大越好，越有利于加快水流速度。采用隧道来水方向一侧低于正线隧道的平行导坑，形成两端非贯通的大坡度集水通道。其充分利用了大断面富水隧道施工期加快进度而采取的先行平行导坑，实现了临时工程的永-临结合的效果。
4、在隧道洞身富水段，取消中心深埋水沟，变纵向排水为向平行导坑的横向大坡度排水，实现了深埋、大坡度快速排水的效果，消除了因隧道中部深挖水沟施工造成的隧道仰拱不能及时封闭，安全性差，且施工质量难以保证的特点。隧道纵向排水如图4所示，两侧纵向排水管采用倒“V”字型布置，加大纵向水的小流坡度，加快水的流速；倒“V”字型纵向排水管的最低点（8、21）采用垂直孔同隧道底部横向大坡度泄水孔（23-24）相连，横向大坡度泄水孔与水平面的夹角大于千分之十二度，该角度越大越好，越有利于加快水流速度。采用“定向钻扩孔技术”形成大坡度泄水孔（23-24）；多条环形盲管收集的水汇集到倒“V”字型纵向排水管，倒“V”字型纵向排水管快速将水排向最低点（8、21），通过垂直孔和横向大坡度泄水孔（23-24）快速排至平行导坑内。利用加大排水坡度加快流速和纵向低于冻胀层大坡度排水孔方法，实现富水段围岩裂隙水快速向平行导坑汇集的目的。
5、由洞外平行导坑位置之下采用“定向钻扩孔技术”形成的大坡度泄水洞（6-15）；泄水洞通过平行导坑端部“V”型变断面落水坑同平行导坑相连，泄水洞的直径小于平行导坑的直径，平行导坑中的水通过端部的“V”型变断面落水坑流入泄水洞，由于泄水洞直径小于平行导坑，加速水在泄水洞中的流速，隧道洞身段汇集入平行导坑的水最终通过泄水洞排除隧道外；利用“大断面变小断面增加水流速度”、“加大排水坡度加快流速”原理，实现高海拔严寒富水长隧道的冬季防冻排水的顺利进行。大坡度泄水洞（6-15）与水平面的夹角20大于千分之十二度，该角度越大越好，越有利于加快水流速度；泄水洞的直径小且水流速度快，隧道外的冷风难以通过泄水洞进入平行导坑，进一步保证平行导坑中水流为正温不会结冰冻胀。
本发明一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水方法，包括以下步骤：
隧道施工中，在低于隧道洞身段的旁侧开设平行导坑，平行导坑通过若干横通道连通隧道；隧道内的积水通过若干横通道快速排入平行导坑，平行导坑利用隧道围岩裂隙水正温特性，避免了隧道洞身段排水中因隧道风洞导致的排水过程中水温下降而造成冻结现象；
在隧道洞口段全断面注浆形成超细水泥全断面注浆封堵固结圈；在封堵固结圈之外低于洞口位置两侧设置两个倾斜的泄水孔，用于快速将封堵固结圈之外围岩中的地下水排泄排出至隧道外，减小封堵固结圈上的水压力；
在隧道洞身段纵向设有若干倒V形纵向排水管，所述倒V形纵向排水管连通若干环形盲管；倒V形纵向排水管的最低点采用垂直孔同隧道底部横向泄水孔相连，所述横向泄水孔倾斜连通所述平行导坑；隧道渗水通过环形盲管汇集到倒V形纵向排水管，然后通过倒V形纵向排水管两端的垂直孔和横向泄水孔快速排入平行导坑。
在平行导坑的至少一端开设一个倾斜设置的泄水洞连通隧道外部，泄水洞直径小于平行导坑；平行导坑中的水通过泄水洞排出至隧道外。
Claims (10)
1.一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，在低于隧道洞身段的旁侧设有平行导坑，平行导坑通过若干横通道连通隧道；隧道洞口段全断面注浆形成超细水泥全断面注浆封堵固结圈；封堵固结圈之外低于洞口位置两侧设有两个倾斜的泄水孔；平行导坑的至少一端通过一个倾斜设置的泄水洞连通隧道外部。
2.根据权利要求1所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，封堵固结圈的厚度为3-5m。
3.根据权利要求1所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，泄水孔与水平面的夹角大于千分之十二度。
4.根据权利要求1所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，平行导坑设置在隧道动身段水流上游且低于隧道正线的位置；平行导坑的直径小于隧道的直径。
5.根据权利要求1所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，隧道洞身段纵向设有若干倒V形纵向排水管，所述倒V形纵向排水管连通若干环形盲管；倒V形纵向排水管的最低点采用垂直孔同隧道底部横向泄水孔相连，所述横向泄水孔倾斜连通所述平行导坑。
6.根据权利要求1所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，泄水洞一端连接平行导坑端部的V型变断面落水坑，另一端连通隧道外部；所述泄水洞的直径小于平行导坑的直径。
7.根据权利要求1所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，平行导坑中的水保持正温。
8.根据权利要求1所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水结构，其特征在于，隧道全长采用人字型纵坡；平行导坑全长采用人字型纵坡。
9.一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水方法，其特征在于，包括：
隧道施工中，在低于隧道洞身段的旁侧开设平行导坑，平行导坑通过若干横通道连通隧道；隧道内的积水通过若干横通道快速排入平行导坑，平行导坑利用隧道围岩裂隙水正温特性，避免了隧道洞身段排水中因隧道风洞导致的排水过程中水温下降而造成冻结现象；
在隧道洞口段全断面注浆形成超细水泥全断面注浆封堵固结圈；在封堵固结圈之外低于洞口位置两侧设置两个倾斜的泄水孔，用于快速将封堵固结圈之外围岩中的地下水排泄排出至隧道外，减小封堵固结圈上的水压力；
在平行导坑的至少一端开设一个倾斜设置的泄水洞连通隧道外部，泄水洞直径小于平行导坑；平行导坑中的水通过泄水洞排出至隧道外。
10.根据权利要求9所述的一种高海拔严寒富水隧道永临结合的防冻排水方法，其特征在于，在隧道洞身段纵向设有若干倒V形纵向排水管，所述倒V形纵向排水管连通若干环形盲管；倒V形纵向排水管的最低点采用垂直孔同隧道底部横向泄水孔相连，所述横向泄水孔倾斜连通所述平行导坑；隧道渗水通过环形盲管汇集到倒V形纵向排水管，然后通过倒V形纵向排水管两端的垂直孔和横向泄水孔快速排入平行导坑。
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