CN107178393B - 一种隧道二次衬砌水压力控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道工程技术领域，并具体公开了一种隧道二次衬砌水压力控制结构，其包括隧道本体和多个泄压环结构，隧道本体为环状结构，包括由内至外依次设置的二次衬砌、防水板、排水层和初期支护，隧道本体内部设置有沿其长度方向设置的水沟；多个泄压环结构沿所述隧道本体的长度方向间隔设置在初期支护的背后，每个泄压环结构为包括底面以及与底面垂直的两槽边的槽型，底面与初期支护的外部贴合设置，两槽边嵌装在位于初期支护背后的围岩中，该围岩上与槽型对应位置处挖空，槽型与围岩之间形成拱墙环向排水沟槽。本发明在保证二次衬砌及初期支护纵向整体性的基础上，实现矿山法二次衬砌背后最大水压力的控制，确保铁路隧道的安全运营。

Description

一种隧道二次衬砌水压力控制结构

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，更具体地，涉及一种隧道二次衬砌水压力控制结构。

背景技术

目前采用矿山法修建的隧道工程一般采用排水型衬砌或限制排放型衬砌，即二次衬砌背后沿着隧道纵向一定距离设置一道环向排水盲管（或排水板），并在防水板背后铺设土工布，通过上述措施，将衬砌背后的围岩渗水引入到环、纵向盲管，然后再排入隧道内的水沟，防排水系统如图1及图2所示，图中1为二次衬砌拱墙，1＇为二次衬砌仰拱部位，2为防水板+土工布，3为环向透水盲管，4为初期支护，5为纵向排水盲管，6为横向排水管，7为纵向水沟。二次衬砌设计时需考虑其是否承受水压，如果衬砌背后的围岩渗水可完全及时排出，则二次衬砌可按照不承受水压力作用进行结构设计，如果衬砌背后积水按照限量排放设计，或由于排水盲管堵塞造成积水不能全部及时排出，则衬砌背后会存在一定的水压，相应的衬砌结构设计时需考虑按照全部水头或按全部水头折减后的部分水压力的作用。

目前采用平面设计理论设计二次衬砌以实现水压力的控制，例如《现代隧道技术》2003年第3期的“再谈隧道衬砌水压力”以及《北京交通大学学报》2004年第1期的“计算隧道排水量及衬砌外水压力的一种简化方法”等文献基于简化模型提出了隧道内排水量Q和喷射砼外水压力P的计算方法。但是上述研究成果以及目前实际工程应用中均是按照横断面方向的平面模型进行计算，未考虑隧道防排水系统的空间效应，例如当隧道环向排水系统仅某一段完全堵塞或部分堵塞时，由于地下水可以沿二次衬砌与喷射砼之间的排水层（常用土工布）纵向流动，因而堵塞段实际的水压力会减小，而相邻的无堵塞段的水压力要大于0，如图3所示，图中1为山体，A处为盲管未堵段隧道，B处为盲管堵塞段隧道，假如按照目前常用的平面计算方法，即使隧道仅在局部一小段排水盲管完全堵塞，二次衬砌背后水压力值都很大，如果以此作为设计依据将造成不必要的浪费；另外，按照上述设计理论，当堵塞段存在多种围岩和支护结构时，不同地段均按照平面模型计算，则会得出不同的水压力折减系数，出现沿着隧道纵向在地层变化分界断面出现水压力突变现象，而实际上排水层在纵向是贯通的，地下水必然从水压力高的地段往水压力低的地段流动，导致水压力重分布。上述两种现象说明，既有计算理论及设计方法没有考虑隧道防排水系统的纵向效应（或空间效应），这可能导致二次衬砌背后水压力取值偏小或偏大而给结构留下安全隐患或增加不必要的投资。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种隧道二次衬砌水压力控制结构，其通过在隧道初期支护的背后间隔设置泄压环的方式控制作用于隧道二次衬砌上的最大水压力，在保证二次衬砌及衬砌背后防水板纵向整体性的基础上，实现矿山法隧道运营期间衬砌背后的最大水压力的控制，确保铁路隧道的安全运营。

为实现上述目的，本发明提出了一种隧道二次衬砌水压力控制结构，其包括隧道本体和多个泄压环结构，其中：

所述隧道本体为环状结构，其包括由内至外依次设置的二次衬砌、防水板、排水层和初期支护，所述环状结构的隧道本体内部设置有沿该隧道本体长度方向设置的水沟；

所述多个泄压环结构沿所述隧道本体的长度方向间隔设置在所述初期支护的背后，每个所述泄压环结构为槽型结构，该槽型结构包括底面以及与该底面垂直的两槽边，所述底面与所述初期支护的外部贴合设置，所述两槽边嵌装在位于所述初期支护背后的围岩中，该围岩上与所述槽型结构的对应位置处挖空，由此使得该槽型结构与围岩之间形成一封闭的拱墙环向排水沟槽，通过该拱墙环向排水沟槽将所述围岩中的地下水引流至所述水沟中。

作为进一步优选的，所述环状结构的隧道本体内部设置有横向排水管和纵向排水盲管，该横向排水管与所述水沟和拱墙环向排水沟槽相连，该纵向排水盲管与所述排水层以及所述横向排水管相连，由此使得当纵向排水盲管未堵塞时，地下水直接依次通过所述排水层、纵向排水盲管和横向排水管引流至所述水沟；当纵向排水盲管堵塞时，地下水则依次通过所述拱墙环向排水沟槽、横向排水管引流至所述水沟。

作为进一步优选的，相邻两个所述泄压环结构的间隔距离为l，其按以下公式进行计算：

；

其中：为排水层的总过水面积，/>为排水层的渗透系数，p ₀为二次衬砌背后的最大水压力，q为地下水余量，其为沿程地下水渗入量与排水系统堵塞后的排水量之差。

作为进一步优选的，所述环状结构的隧道本体内部还设置有纵向排水盲管检查井，所述纵向排水盲管通过该纵向排水盲管检查井与所述横向排水管相连。

作为进一步优选的，所述二次衬砌由拱墙和仰拱部分分次浇筑而成。

作为进一步优选的，所述二次衬砌的拱墙的墙脚处设置有供所述拱墙环向排水沟槽通过的孔。

作为进一步优选的，所述槽型的底面和两槽边均由钢板制成，该底面与两槽边之间焊接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1．本发明根据衬砌背后水压力分布规律提出了在初期支护背后沿隧道长度方向间隔设置泄压环的水压力控制结构，以实现二次衬砌最大水压力的控制，通过泄压环结构将地下水余量直接排放至隧道内，从而控制矿山法隧道运营期间衬砌背后的最大水压力，避免二次衬砌背后水压力取值偏小或偏大而给结构留下安全隐患或增加不必要的投资。

2．本发明的泄压环设置于隧道拱墙初期支护背后，将地下水直接引入隧道墙角处的纵向水沟中，从根本上控制沿着隧道纵向排水系统的堵塞长度，通过调整各个泄压环之间的间距以及环向排水沟槽的宽度，即可实现运营期结构的最大水压力的有效控制。

3．由于本发明的泄压环设置于隧道拱墙初期支护背后，使得隧道二次衬砌、衬砌背后的防水板以及初期支护沿隧道长度方向均保持纵向连续，保证了初期支护及二次衬砌的纵向整体性及耐久性要求，避免了二次衬砌渗漏水引起的接触网漏电等风险，确保铁路隧道运营安全，可广泛应用于铁路、地铁及公路隧道。

附图说明

图1是现有矿山法隧道防排水系统横断面示意图；

图2是图1的A处放大图；

图3是盲管堵塞时二次衬砌水压力沿隧道纵向分布示意图；

图4是考虑纵向效应的衬砌水压力计算简图；

图5是图4的A-A剖面图；

图6是本发明的隧道二次衬砌水压力控制结构示意图；

图7是图6的B-B剖面图；

图8是泄压环与检查井连接处横断面布置图；

图9是泄压环与检查井连接处平面布置图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明采用考虑隧道防排水系统空间效应的设计理论设计二次衬砌，以通过控制堵塞段的长度控制二次衬砌的水压力，如图4和5所示，假设隧道横向排水系统堵塞段沿着隧道纵向位于平直段，从堵塞段中点至堵塞段端点纵向长度为L，其两端点处的水压力为0，则堵塞段的中点部位水压力最高，取为P；再假设堵塞段沿程地下水渗入量为q₁，排水系统堵塞后的排水能力为q₂（q₂＜q₁），地下水余量为q，该地下水余量沿初期支护与衬砌结构之间的空间流动，隧道排水层的总面积为A，渗透系数为k，根据对称性，取堵塞段的一半进行分析，取一个微元体考虑，按达西渗流公式，得出堵塞段二次衬砌最大水压力p ₀为（位于堵塞段中点）。通过分析上述公式可知，当排水盲管堵塞时，作用于二次衬砌背后的最大水压力p ₀与衬砌背后排水层截面积A和渗透系数k成反比，与地下水余量q（沿程地下水渗入量q₁与排水系统堵塞后的排水量q₂之差）成正比，与堵塞段长度L的平方成正比。由上述计算公式可知当地下水余量q、排水层的总面积A及其渗透系数k均一定的情况下，可以通过改变堵塞段的长度（等于2L）来控制二次衬砌最大水压力。

本发明根据上述分析提出沿着隧道纵向（即长度方向）间隔一定长度（该长度为l，等于堵塞段的长度2L）在初期支护的背后设置一泄压环，将围岩中的地下水截断，使地下水余量直接排放至洞内，从而起到降压的作用，同时保证初期支护及二次衬砌的纵向连续性及稳定性。

具体的，如图6所示，本发明提供的一种隧道二次衬砌水压力控制结构包括隧道本体和多个泄压环结构，其中隧道本体为环状结构，其由内至外依次设置有二次衬砌、防水板、排水层2和初期支护4，所述环状结构的隧道本体内部设置有沿该隧道本体长度方向设置的水沟7；所述多个泄压环结构沿所述隧道本体的长度方向间隔设置在所述初期支护的背后（即沿着隧道纵向每间隔一段距离设置一泄压环结构），每个泄压环结构为槽型结构8，如图6所示，该槽型结构8包括底面以及与该底面垂直的两槽边，该底面与初期支护4的外部贴合设置，所述两槽边嵌装在位于初期支护背后的围岩中，该围岩上与槽型结构对应的位置处挖空，由此使得该槽型结构与围岩之间形成一封闭的拱墙环向排水沟槽9，通过该拱墙环向排水沟槽将围岩中的地下水引流至水沟7中，实际操作中在泄压环处将围岩铣挖成槽，贴着槽两侧围岩面及初期支护外表面安装固定板从而形成拱墙环向排水沟槽9，把通过围岩进入环向排水沟槽内的地下水引流进入到水沟中。

其中，各个泄压环结构之间的间隔为l，其等于2L，其大小根据拟控制的水压大小计算确定，例如某水下铁路隧道，该隧道最大埋深为120m，采用限量排放，允许排放量q₂=0.4m³/m•d，需要控制拱顶最大水头（即二次衬砌背后的最大水压）p ₀₌30m；设计采用凹凸型排水板作为排水层，其单位长度过水面积为6000mm²，环向长度为30m，总过水面积为A=0.18m²，渗透系数为k=500m/d；当考虑盲管完全堵塞时，沿程地下水渗入量q₁=0m³/m•d，则地下水余量q=q₂-q₁=0.4m³/m•d，根据公式计算L等于116m，则泄压环的间距为232m。

其中，环向排水沟槽的槽宽需满足运营期排水余量通过要求，其槽宽根据运营期隧道排水余量通过能力计算确定，例如上述水下铁路隧道，当考虑盲管完全堵塞时，地下水余量q=0.4m³/m•d，堵塞段中点至堵塞段端点纵向长度为L=116m，则沟槽排水量Q>ql=2qL=92.8m³/d时方可满足运营期排水要求，设计排水沟槽宽b=0.2m，高h=0.1m，水流断面A=bh=0.02m²，湿周p=b+2h=0.4m，水力半径R=A/p=0.05m，最小沟底纵坡i=0.001，粗糙系数n取=0.03，流速==0.14m/s，则沟槽排水能力Q=A×V=241.92m³/d>92.8m³/d，经检算设计满足要求。

具体的，如图7～9所示，水沟7设置在环状结构的隧道本体内部的墙角处，其与拱墙环向排水沟槽之间设置有横向排水管6（沿隧道宽度方向排布）和纵向排水盲管5（沿隧道长度方向排布），该横向排水管分别与水沟和拱墙环向排水沟槽相连，该纵向排水盲管分别与排水层以及横向排水管相连，由此使得当纵向排水盲管未堵塞时，地下水直接依次通过排水层、纵向排水盲管、横向排水管引流至水沟；当纵向排水盲管堵塞时，地下水则依次通过拱墙环向排水沟槽、横向排水管引流至水沟。

为了便于运营期检修，墙角处可设置纵向排水盲管检查井10，如图9所示，该纵向排水盲管检查井沿纵向按一定间距设置有多个，当设置有排水盲管检查井时，纵向排水盲管则通过该纵向排水盲管检查井与横向排水管相连，并且拱墙环向排水沟槽通过该纵向排水盲管检查井与横向排水管导通，即当纵向排水盲管未堵塞时，地下水依次通过排水层、纵向排水盲管、纵向排水盲管检查井、横向排水管引流至水沟；当纵向排水盲管堵塞时，地下水则依次通过拱墙环向排水沟槽、纵向排水盲管检查井、横向排水管引流至水沟。

进一步的，二次衬砌由二次衬砌拱墙1和二次衬砌仰拱部位1＇分次浇筑而成，为了便于拱墙环向排水沟槽将地下水顺利引流至隧道本体内部的纵向排水盲管检查井中，二次衬砌拱墙的墙脚处设置有供拱墙环向排水沟槽通过的孔。

更具体的，为了防止环向排水沟槽中地下水的泄露，槽型的底面和两槽边均由钢板制成，并且底面与两槽边之间焊接，通过初期支护背后设置钢板，方便连接与施工，加快安装速度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种隧道二次衬砌水压力控制结构，其特征在于，包括隧道本体和多个泄压环结构，其中：

所述隧道本体为环状结构，其包括由内至外依次设置的二次衬砌、防水板、排水层和初期支护，所述环状结构的隧道本体内部设置有沿该隧道本体长度方向设置的水沟；所述二次衬砌由拱墙和仰拱部分分次浇筑而成；

所述多个泄压环结构沿所述隧道本体的长度方向间隔设置在所述初期支护的背后，每个所述泄压环结构为槽型结构，该槽型结构包括底面以及与该底面垂直的两槽边，所述底面与所述初期支护的外部贴合设置，所述两槽边嵌装在位于所述初期支护背后的围岩中，该围岩上与所述槽型结构的对应位置处挖空，由此使得该槽型结构与围岩之间形成一封闭的拱墙环向排水沟槽；

所述环状结构的隧道本体内部设置有横向排水管和纵向排水盲管，该横向排水管与所述水沟和拱墙环向排水沟槽相连，该纵向排水盲管与所述排水层以及所述横向排水管相连，由此使得当纵向排水盲管未堵塞时，地下水直接依次通过所述排水层、纵向排水盲管和横向排水管引流至所述水沟；当纵向排水盲管堵塞时，地下水则依次通过所述拱墙环向排水沟槽、横向排水管引流至所述水沟。

2.如权利要求1所述的隧道二次衬砌水压力控制结构，其特征在于，相邻两个所述泄压环结构的间隔距离为l，其按以下公式进行计算：

；

其中：为排水层的总过水面积，/>为排水层的渗透系数，p ₀为二次衬砌背后的最大水压力；q为地下水余量，其为沿程地下水渗入量与排水系统堵塞后的排水量之差。

3.如权利要求1所述的隧道二次衬砌水压力控制结构，其特征在于，所述环状结构的隧道本体内部还设置有纵向排水盲管检查井，所述纵向排水盲管通过该纵向排水盲管检查井与所述横向排水管相连。

4.如权利要求1所述的隧道二次衬砌水压力控制结构，其特征在于，所述二次衬砌的拱墙的墙脚处设置有供所述拱墙环向排水沟槽通过的孔。

5.如权利要求1所述的隧道二次衬砌水压力控制结构，其特征在于，所述槽型结构的底面和两槽边均由钢板制成，该底面与两槽边之间焊接。