CN104989418B - 用于瓦斯隧道的隧道结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及运营隧道的瓦斯防治领域，公开了一种用于瓦斯隧道的隧道结构，包括初期支护、二次衬砌、隧道排水结构和瓦斯设防段的水气引排分离系统，水气引排分离系统包括纵向排水管、瓦斯排放管和环向盲沟，瓦斯排放管沿纵向设置于拱顶，纵向排水管分别沿纵向设置于两侧边墙底部，环向盲沟沿隧道纵向阵列且均埋设于瓦斯设防段初期支护内，各环向盲沟上部与瓦斯排放管连通、两端分别与纵向排水管连通、管壁开设有水气收集孔，该隧道结构通过设置水气引排分离系统，对水气实施分离排放，能有效避免瓦斯及地下水在衬砌背后集聚引起的安全隐患甚至事故，避免瓦斯进入排水系统，保证隧道营运后的瓦斯防治安全,适用于各等级瓦斯隧道。
Description
技术领域
本发明涉及运营隧道的瓦斯防治领域，尤其是一种用于瓦斯隧道的隧道结构。
背景技术
当前的道路建设飞速发展，隧道比例大、瓦斯隧道越来越多。瓦斯是一种难溶于水、无色、无味的气体,相对密度0.554，渗透能力是空气的1.6倍,主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，达到一定浓度时，能发生燃烧或爆炸。所谓瓦斯隧道也即穿过瓦斯地层的隧道，因此在瓦斯隧道的施工和运营过程中，如果管理和防治不当，很容易造成重大安全事故，其安全问题十分严峻。
目前，行业内对于瓦斯隧道的研究均集中在瓦斯隧道施工过程中的管理和防治，而对于隧道建成营运后的瓦斯防治问题缺乏关注。当前对于运营隧道的瓦斯防治，主要采用封堵结合隧道内通风的方式，其措施包括：一、隧道衬砌采用防水层等卷材全环封闭止水、气；二、提高衬砌混凝土抗渗性能；三、在隧道内根据瓦斯浓度实施强制通风。
但由于现有隧道主要采用堵的方式进行瓦斯防治，衬砌背后的瓦斯气体，仅有极其微量的部分通过渗透以及现有隧道的排水结构引出，而大量的瓦斯实际在衬砌背后集聚，引起衬砌背后水压和瓦斯压力回升，侵入隧道正常运营空间产生安全隐患甚至事故。而通过现有隧道排水结构引出的瓦斯，在排水结构中水气混合，在隧道底部全纵向进行流通，虽然仅为微量，但也实际增加了瓦斯逸出的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于瓦斯隧道的隧道结构，解决隧道建成营运后的瓦斯防治问题，避免瓦斯在衬砌背后的集聚。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于瓦斯隧道的隧道结构，包括位于外层的初期支护和位于内层的二次衬砌以及隧道排水结构，在所述隧道的瓦斯设防段设置有水气引排分离系统，所述水气引排分离系统包括纵向排水管、瓦斯排放管和环向盲沟；所述瓦斯排放管沿隧道纵向设置于隧道瓦斯设防段的拱顶，所述瓦斯排放管与设置于所述隧道外部的瓦斯处理装置相连通；所述纵向排水管分别沿隧道纵向设置于隧道瓦斯设防段两侧边墙的底部并与所述隧道排水结构相连通；所述环向盲沟沿隧道纵向阵列且均埋设于隧道瓦斯设防段的初期支护内，各环向盲沟均呈拱形并沿隧道环向布置，各环向盲沟的上部与瓦斯排放管相连通、两端分别与对应纵向排水管相连通，各环向盲沟的管壁上均开设有成组的水气收集孔。
进一步的，所述瓦斯设防段的隧道结构沿隧道纵向具有坡度，所述瓦斯排放管按所述坡度倾斜设置，所述瓦斯排放管的高端与瓦斯处理装置相连通、低端经对应管路与纵向排水管相连通。
最优的，所述瓦斯排放管通过锚固扣件植入初期支护并位于拱顶顶部，各环向盲沟的顶部与瓦斯排放管相交并连通。
进一步的，所述隧道的瓦斯设防段的初期支护和二次衬砌均采用气密性砼浇筑，所述初期支护和二次衬砌之间设有瓦斯隔离垫层，所述二次衬砌内部布设有钢板止水气带。
进一步的，所述隧道的瓦斯设防段的纵向排水管的两端及两端之间均设置有U型水封，由所述间隔设置的U型水封将纵向排水管划分为排水段和排气段，所述排水段和排气段依次间隔排列，各排气段分别经埋设于初期支护的环向排气管与瓦斯排放管相连通，各排水段分别与所述隧道排水结构相连通，所述各环向盲沟均与纵向排水管的排气段相连通。
进一步的，所述各排水段的长度同连接排水段与隧道排水结构的管路外径相适应；所述各排气段的两端均设置有环向排气管。
进一步的，所述各相邻环向排气管之间、各相邻环向盲沟之间以及相邻的环向盲沟与环向排气管之间均设置有倾斜布置的纵向连通管，所述纵向连通管上开设有成组的水气收集孔。
最优的，各相邻环向盲沟之间以及相邻的环向盲沟与环向排气管之间的纵向连通管的两端中接近环向排气管的一端高于另一端；各相邻环向排气管之间的纵向连通管的两端中接近瓦斯排放管高端的一端高于另一端。
进一步的，所述隧道瓦斯设防段的两端分别设置有封闭幕墙。
具体的，所述隧道排水结构包括中央纵向排水沟，所述中央纵向排水沟沿隧道纵向布置于仰拱中部并与隧道外部相连通，所述纵向排水管经横向泄水管与中央纵向排水沟相连通；所述瓦斯处理装置采用瓦斯放散管。
本发明的有益效果是：本发明通过设置水气引排分离系统，通过环向盲沟收集地下水和瓦斯气体，其中，地下水通过纵向排水管经隧道排水结构排出，瓦斯气体则通过瓦斯排放管排出，对水气实施分离排放。因此，能有效避免瓦斯及地下水在衬砌背后的集聚，避免由于衬砌背后水压和瓦斯压力回升而引起的安全隐患甚至事故；其次，瓦斯经瓦斯排放管排出，能有效降低衬砌背后的瓦斯浓度，避免瓦斯气体进入排水结构，有效降低瓦斯的逸出风险，因而，能够有效保证隧道建成营运后的瓦斯防治。
附图说明
图1是本发明的隧道横截面示意图；
图2是图1中A处的局部放大图；
图3是本发明的隧道纵向立面示意图；
图4是本发明拱部管路流径平面展布示意图；
图5是本发明中封闭幕墙横断面布置图。
附图标记：1-初期支护，2-二次衬砌，3-环向盲沟，4-瓦斯排放管，5-纵向排水管，6-U型水封，7-环向排气管，8-纵向连通管，9-中央纵向排水沟，10-横向泄水管，11-锚固扣件，12-瓦斯隔离垫层，13-钢板止水气带，14-封闭幕墙，15-排气段，16-排水段，17-瓦斯放散管，18-围岩裂隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明公开的用于瓦斯隧道的隧道结构，包括位于外层的初期支护1和位于内层的二次衬砌2以及隧道排水结构，在所述隧道的瓦斯设防段设置有水气引排分离系统，所述水气引排分离系统包括纵向排水管5、瓦斯排放管4和环向盲沟3；所述瓦斯排放管4沿隧道纵向设置于隧道瓦斯设防段的拱顶，所述瓦斯排放管4与设置于所述隧道外部的瓦斯处理装置相连通；所述纵向排水管5分别沿隧道纵向设置于隧道瓦斯设防段两侧边墙的底部并与所述隧道排水结构相连通；所述环向盲沟3沿隧道纵向阵列且均埋设于隧道瓦斯设防段的初期支护1内，各环向盲沟3均呈拱形并沿隧道环向布置，各环向盲沟3的上部与瓦斯排放管4相连通、两端分别与对应纵向排水管5相连通，各环向盲沟3的管壁上均开设有成组的水气收集孔。
上述隧道的瓦斯设防段，是指隧道穿越瓦斯地层的部分，在隧道的此段部分，环向盲沟3埋设于初期支护1内，由围岩及围岩裂隙18渗入的水、气，经环向盲沟3上的水气收集孔进入水气引排分离系统；而环向盲沟3呈拱形并沿隧道环向布置，且环向盲沟3的上部与瓦斯排放管4相连通、两端分别与对应纵向排水管5相连通，同时，瓦斯排放管4设置于隧道拱顶，纵向排水管5设置于隧道边墙底部，因此，水沿环向盲沟3向下流动进入纵向排水管5，然后经隧道排水结构排出；瓦斯气体则沿环向盲沟3向上流动进入瓦斯排放管4并经瓦斯排放管4引出至隧道外部的瓦斯处理装置，能有效保证地下水和瓦斯的分别汇集和排出，避免水、气的相互干扰。
上述水气收集孔的孔径、数量和分布根据实际的瓦斯地层的渗漏状况而定，可以为一组、也可以为多组，在如图所示的实例中，水气收集孔仅设置一组并均匀分布于环向盲沟3的上半部表面。
上述瓦斯排放管4与瓦斯处理装置的连通方式，根据实际的地层情况确定，如可以在山体开设纵向通道连通、瓦斯排放管4一端或两端延伸至隧道外与瓦斯处理装置相连通。在如图所示的实例中，隧道具有一定坡度，两端一端高一端低，因此，采用瓦斯排放管4仅一端延伸至隧道外部并与设置于所述隧道外部的瓦斯处理装置相连通的方式，且瓦斯排放管4延伸至隧道外部位于隧道坡顶一端。
上述瓦斯排放管4可以嵌入围岩内、埋设于衬砌内、悬挂安装于拱顶，但嵌入围岩内影响初期支护1的施工时间，影响隧道整体结构的受力；悬挂安装于拱顶，瓦斯排放管4的位置位于隧道内、低于环向盲沟3的顶部，为保证水气分离需要在两者之间增加水气分离结构，需要增加穿过衬砌的管路连通，因此，结构复杂，影响衬砌强度，增加泄漏风险。因此，最好的，瓦斯排放管4埋设于衬砌内。其次，瓦斯排放管4的数量可以是一根或多根，如仅设置于拱顶顶部、对称设置于拱顶、沿拱顶设置多根等。其三，为保证水气分离，所述瓦斯设防段的隧道结构沿隧道纵向具有坡度，所述瓦斯排放管4按所述坡度倾斜设置，同时瓦斯排放管4的高端与瓦斯处理装置相连通、低端经对应管路与纵向排水管5相连通，从而通过水气不同的流向实现瓦斯排放管4内彻底的水气分离，尤其是当瓦斯排放管4并非设置于拱顶顶部时。
在如图所示的实例中，隧道具有一定坡度，整体倾斜，因此，为了方便施工，所述瓦斯排放管4通过锚固扣件11植入初期支护1并位于拱顶顶部，各环向盲沟3的顶部与瓦斯排放管4相交并连通，也即将环向盲沟3、瓦斯排放管4、纵向排水管5以及后述的环向排气管7和纵向连通管8均固定于初期支护1内，形成综合管路系统有效引排衬砌背后水气，同时保证所有管路在后期施作瓦斯隔离垫层12和二衬衬砌2期间不至脱落。
为了进一步避免瓦斯渗透进入隧道内，尤其是对于瓦斯渗透量较大的隧道，所述隧道的瓦斯设防段的初期支护1和二次衬砌2均采用气密性砼浇筑，所述初期支护1和二次衬砌2之间设有瓦斯隔离垫层12，所述二次衬砌2内部布设有钢板止水气带13。如此，初期支护1采用抗渗性能高的气密性砼，作为第一层防；护初期支护1和二次衬砌2之间布设瓦斯隔离垫层12作为第二层防护；二次衬砌2采用抗渗性能高的气密性砼，并在内部设置高性能钢板止水气带13，作为第三层防护，通过三层防护有效隔离瓦斯，彻底防止瓦斯气体进入隧道运营空间，同时通过三层防护的封堵作用，有效保证环向盲沟3对水、气的收集。在如图所示的实例中，瓦斯隔离垫层12采用厚度为4mm的闭孔型泡沫塑料。
瓦斯的渗透量并非恒定不变的，存在突发的可能，由于气体渗透量突然增大，瓦斯气体可能沿环形盲沟3进入纵向排水管5；其次，由环形盲沟3与纵向排水管5连接处进入环形盲沟3的瓦斯气体，也可能进入纵向排水管5。因此，为了实现排水和排气的完全隔离，进一步，所述隧道的瓦斯设防段的纵向排水管5的两端及两端之间均设置有U型水封6，由所述间隔设置的U型水封6将纵向排水管5划分为排水段16和排气段15，所述排水段16和排气段15依次间隔排列，各排气段15分别经埋设于初期支护的环向排气管7与瓦斯排放管4相连通，各排水段16分别与所述隧道排水结构相连通，所述各环向盲沟3均与纵向排水管的排气段15相连通。通过U型水封6的设置，将纵向排水管5分成若干个排水段16和排气段15，环向盲沟3设置于排气段15，从环向盲沟3收集的气体被U型水封6封闭在排气段15，实现排水和排气的完全隔离。而环向排气管7的设置，能及时将进入纵向排水管5的瓦斯气体导入瓦斯排放管4，避免进入纵向排水管5的瓦斯气体再次进入环向盲沟3对气流和水流的影响，保证排水和排气的效果，降低瓦斯气体和水的接触，降低瓦斯在水中的溶解量。
由于环向盲沟3设置于排气段15，也即上述排水段16将不具备水气收集能力，因此，为了保证环向盲沟3的覆盖区域，最好的，所述各排水段16的长度同连接排水段16与隧道排水结构的管路外径相适应。而进一步的，为了避免瓦斯气体在U型水封6处的集聚，保证U型水封6封闭效果的有效性，所述各排气段15的两端均设置有环向排气管7。
为了进一步增强水气的收集能力，保证收集区域对瓦斯设防段的有效覆盖，避免密集设置环向盲沟3对初期支护1结构强度的影响，所述各相邻环向排气管7之间、各相邻环向盲沟3之间以及相邻的环向盲沟3与环向排气管7之间均设置有倾斜布置的纵向连通管8，所述纵向连通管8上开设有成组的水气收集孔。通过环向盲沟3、纵向连通管8以及环向排气管7形成了整体的水气收集网状系统，大大增加了收集区域对瓦斯设防段的有效覆盖，加强了水气收集能力。在如图所示的实例中，相邻环向盲沟3之间的间距为1m～1.5m。
进一步的，在如图所示的实例中，为了能够尽快的将瓦斯气体引入瓦斯排放管4，各相邻环向盲沟3之间以及相邻的环向盲沟3与环向排气管7之间的纵向连通管8的两端中接近环向排气管7的一端高于另一端；各相邻环向排气管7之间的纵向连通管8的两端中接近瓦斯排放管4高端的一端高于另一端。
瓦斯隧道通常仅局部为瓦斯地层，因此，为了避免瓦斯气体向非瓦斯地层渗透，同时为便于瓦斯的集中和收集，进一步的，如图3、图4、图5所述隧道瓦斯设防段的两端分别设置有封闭幕墙14。封闭幕墙14将瓦斯气体封闭于瓦斯设防段，防止瓦斯向非瓦斯地层段逸窜，便于集中收集和排放。
隧道排水结构根据具体隧道结构和地层的不同而不同，在如图所示的实例中，所述隧道排水结构包括中央纵向排水沟9，所述中央纵向排水沟9沿隧道纵向布置于仰拱中部并与隧道外部相连通，所述纵向排水管5经横向泄水管10与中央纵向排水沟9相连通。
瓦斯处理装置可以是任意的，包括抽气存储装置等，在如图所示的实例中，所述瓦斯处理装置采用瓦斯放散管17。瓦斯放散管17将瓦斯气体从隧道高侧的洞口高处放散，由于高处放散，衬砌背后以及瓦斯排放管4内同放散处的气压存在差值，能够实现一定的抽气效果，更有利于瓦斯气体的收集和排放。
Claims (7)
1.用于瓦斯隧道的隧道结构，包括位于外层的初期支护(1)和位于内层的二次衬砌(2)以及隧道排水结构，其特征在于：
在所述隧道的瓦斯设防段设置有水气引排分离系统，所述水气引排分离系统包括纵向排水管(5)、瓦斯排放管(4)和环向盲沟(3)；
所述瓦斯排放管(4)沿隧道纵向设置于隧道瓦斯设防段的拱顶，所述瓦斯排放管(4)与设置于所述隧道外部的瓦斯处理装置相连通；
所述纵向排水管(5)分别沿隧道纵向设置于隧道瓦斯设防段两侧边墙的底部并与所述隧道排水结构相连通；
所述环向盲沟(3)沿隧道纵向阵列且均埋设于隧道瓦斯设防段的初期支护(1)内，各环向盲沟(3)均呈拱形并沿隧道环向布置，各环向盲沟(3)的上部与瓦斯排放管(4)相连通、两端分别与对应纵向排水管(5)相连通，各环向盲沟(3)的管壁上均开设有成组的水气收集孔；
所述隧道的瓦斯设防段的纵向排水管(5)的两端及两端之间均设置有U型水封(6)，由所述间隔设置的U型水封(6)将纵向排水管(5)划分为排水段(16)和排气段(15)，所述排水段(16)和排气段(15)依次间隔排列，各排气段(15)分别经埋设于初期支护的环向排气管(7)与瓦斯排放管(4)相连通，各排水段(16)分别与所述隧道排水结构相连通，所述各环向盲沟(3)均与纵向排水管的排气段(15)相连通；
所述各相邻环向排气管(7)之间、各相邻环向盲沟(3)之间以及相邻的环向盲沟(3)与环向排气管(7)之间均设置有倾斜布置的纵向连通管(8)，所述纵向连通管(8)上开设有成组的水气收集孔；
各相邻环向盲沟(3)之间以及相邻的环向盲沟(3)与环向排气管(7)之间的纵向连通管(8)的两端中接近环向排气管(7)的一端高于另一端；各相邻环向排气管(7)之间的纵向连通管(8)的两端中接近瓦斯排放管(4)高端的一端高于另一端。
2.如权利要求1所述的用于瓦斯隧道的隧道结构，其特征在于：所述瓦斯设防段的隧道结构沿隧道纵向具有坡度，所述瓦斯排放管(4)按所述坡度倾斜设置，所述瓦斯排放管(4)的高端与瓦斯处理装置相连通、低端经对应管路与纵向排水管(5)相连通。
3.如权利要求1或2所述的用于瓦斯隧道的隧道结构，其特征在于：所述瓦斯排放管(4)通过锚固扣件(11)植入初期支护(1)并位于拱顶顶部，各环向盲沟(3)的顶部与瓦斯排放管(4)相交并连通。
4.如权利要求1或2所述的用于瓦斯隧道的隧道结构，其特征在于：所述隧道的瓦斯设防段的初期支护(1)和二次衬砌(2)均采用气密性砼浇筑，所述初期支护(1)和二次衬砌(2)之间设有瓦斯隔离垫层(12)，所述二次衬砌(2)内部布设有钢板止水气带(13)。
5.如权利要求1所述的用于瓦斯隧道的隧道结构，其特征在于：所述各排水段(16)的长度同连接排水段(16)与隧道排水结构的管路外径相适应；所述各排气段(15)的两端均设置有环向排气管(7)。
6.如权利要求1或2所述的用于瓦斯隧道的隧道结构，其特征在于：所述隧道瓦斯设防段的两端分别设置有封闭幕墙(14)。
7.如权利要求1或2所述的用于瓦斯隧道的隧道结构，其特征在于：所述隧道排水结构包括中央纵向排水沟(9)，所述中央纵向排水沟(9)沿隧道纵向布置于仰拱中部并与隧道外部相连通，所述纵向排水管(5)经横向泄水管(10)与中央纵向排水沟(9)相连通；所述瓦斯处理装置采用瓦斯放散管(17)。
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