CN107905811B - 墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌 - Google Patents

Abstract

墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，减小甚至消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决岩溶或地下水发育地区隧道仰拱上浮变形或隧底结构开裂破坏的问题，确保隧道施工和运营的稳定及安全性。拱墙二次衬砌结构两侧边墙底部设置与之固结的纵梁，两侧纵梁之间为隧道底部结构，纵梁具有纵向空腔，既作为拱墙初期支护结构与拱墙二次衬砌结构的承载结构，又作为隧道纵向排水通道。拱墙范围排水系统包括环向排水盲管及边墙泄水管，环向排水盲管沿隧道开挖方向间隔布设于无纺土工布与防水板间并于边墙下部直接引入纵向空腔中，边墙泄水管沿隧道开挖方向间隔布设并伸入围岩一定长度，以疏干边墙范围地下水并泄压。

Description

墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌

技术领域

本发明涉及隧道衬砌及排水系统构造，特别涉及一种运用于地下水发育地段、地下水受季节影响不规律地段或岩溶地区的隧道衬砌及其防排水系统构造。

背景技术

进入二十一世纪来，我国铁路建设高速发展，时速200km以上高标准双线铁路修建越来越多。特别在西南山区，一方面，由于石灰岩地层广泛分布；另一方面，对高速铁路，线路展线受曲线半径大、地形地质条件复杂等多种因素的制约，导致岩溶隧道规模（数量及长度）迅速增加。由于岩溶及岩溶水发育具有复杂性、多样性及无规律性等特点，长大岩溶隧道修建风险特别是运营风险越来越高。

近年来，宜万、沪昆、贵广等高速铁路隧道运营期间发生了若干起无砟道床变形、仰拱及填充隆起等水害事件，引起了铁路设计、施工、建设和运营各方的高度重视。经调查，既有线水害主要分为两类：

（1）仰拱填充上浮变形。其表现主要为隧底结构的分层施工带来的施工缝在水压作用下的变形、扩张。

①规范要求仰拱与仰拱填充应分开浇筑。此工法在仰拱与填充之间形成施工缝，但地下水通过仰拱环向施工缝渗入仰拱填充底部，约3～4m水头即可导致填充上浮。

②实际施工中，为防止道床施工面被施工车辆破坏，仰拱填充往往采用分层浇筑的方式，道床施工前灌筑的仰拱填充表层（或称整平层）厚度约0.2～0.4m，仅需要0.5～1m高的水头即可导致填充表层上浮，进而引起道床变形。

③无砟道床至道床板与仰拱填充面采用的是无连接接触方式，存在施工界面，对于隧底渗水的敏感性更为显著，往往也出现“离缝”抬升现象和磨损现象，在水的作用下，病害特征尤为明显。其与隧道结构巨大的刚度差异、变形不协调和轨道结构对基础变形极差的适应性进一步加剧了隧底水害对运营安全的不利影响和治理难度。

（2）衬砌结构主要是仰拱变形开裂。

①受隧道内设置的纵、环向盲管及边墙泄水孔排水能力的限制，工后排水系统受物理型（泥沙、细颗粒沉积淤塞）、化学型堵塞（可溶物析出、混凝土及浆液反应残留物凝结）等原因都将造成排水不畅，水压急剧变化，导致衬砌结构开裂破损。

②边墙纵向施工缝、环向施工缝、仰拱底部等结构和防水薄弱环节发生结构变形、开裂及防水失效；局部位置出现喷水、涌泥沙等。

③地下水位季节性变动，导致衬砌承受“动载”影响。在连续降雨或极端暴雨天气条件下，地下水位突然增高，衬砌承受了较高的水压。

目前设计的隧道大部分为有仰拱衬砌。以单洞双线隧道为例，其排水系统以“隧道体内排水”为主要模式，地下水排放路径为：围岩→初期支护→排水盲管→侧沟→横向排水管→中心水沟，即隧道结构周边的水通过初期支护渗透经由排水盲管引排进入隧道结构本体之内的中心水沟，最终排出洞外。

隧道体内排水系统主要的缺陷在于：

①有压地下水的泄压点均位于设置在衬砌主体结构内部，致使衬砌主体结构承受静水压或动水压的范围均较大。

②中心水沟（或侧沟）设于隧道结构之内，主要引排拱墙范围的周边地下水，隧道仰拱以下的积水无法有效引排，一旦在连续降雨或暴雨天气下，局部地段仰拱下裂隙水或管道水因无法及时引排导致水压急剧升高。在高水压作用下，致使隧底仰拱开裂破损。

③隧道处于地下水季节变动带等与外界水力联系紧密的区域，在连续降雨或暴雨天气下，因地下水量骤增，受边墙泄水孔尺寸及间距限制，难以及时将其引排至隧道结构体内的排水沟内，从而引起地下水位急剧升高。在高水压作用下，导致衬砌开裂破坏。

④受道床结构、洞内附属构筑物需要及隧道断面工程经济性的制约，考虑施工难易程度，洞内侧沟或中心水沟的过水断面自由度不大，过水能力受限，往往引起洞内水害。

⑤由于隧底为圆弧状，开挖控制较困难，隧底虚渣完全清理干净难度大，运营期间由于隧底地下水无法引排，加之列车动荷载反复作用，极易造成隧底翻浆冒泥等灾害。

因此，优化衬砌结构及排水系统，保证排水通畅，减小甚至消除隧底水压，成为降低地下水发育地段、地下水受季节影响不规律地段及岩溶地区隧道水害风险，保证运营安全的迫切需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，通过对传统隧道衬砌隧底结构形式进行改造，改变隧底结构受力形式及排水系统，减小甚至消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决岩溶或地下水发育地区隧道仰拱上浮变形或隧底结构开裂破坏的问题，确保隧道施工和运营的稳定及安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，包括拱墙初期支护结构、拱墙二次衬砌结构和拱墙范围防水层，以及包括排水系统，其特征是：所述拱墙二次衬砌结构两侧边墙底部设置与之固结的纵梁，两侧纵梁之间为隧道底部结构；所述纵梁具有纵向空腔，既作为拱墙初期支护结构与拱墙二次衬砌结构的承载结构，又作为隧道纵向排水通道；所述排水系统包括拱墙范围排水系统及隧底排水系统，拱墙范围排水系统包括环向排水盲管及边墙泄水管，环向排水盲管沿隧道开挖方向间隔布设于无纺土工布与防水板间并于边墙下部直接引入纵向空腔中，边墙泄水管沿隧道开挖方向间隔布设并伸入围岩一定长度，以疏干边墙范围地下水并泄压。

本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：

1、隧道底部结构灵活多变，可适应多种地质条件修建隧道的需要。克服了传统衬砌形式仰拱基础开挖曲率不易控制等问题，开挖作业更方便。相比较于传统隧底为仰拱形式的衬砌结构，节约建筑材料，有效减少工程建设投资。

2、有效避免了传统曲墙带仰拱衬砌由于地下水通过仰拱施工缝进入仰拱与仰拱填充缝隙间挤压破坏填充体，避免轨道结构破坏。

3、隧底两侧设置空心纵梁作为拱墙二次衬砌的承载结构，可极大提高抗弯刚度。对于隧道边墙底局部存在软弱围岩地段，可有效控制拱墙支护结构沉降变形，对岩溶地区隧道可有效跨越一定尺寸范围的岩溶形态（溶腔、充填溶洞、溶蚀破碎带等）。

4、纵梁截面采用空心结构，可节省圬工，内部空腔作为纵向排水通道，空腔截面尺寸可根据排水需求调整。采用该衬砌结构形式可取代传统地下水发育隧道工程设计中泄水洞，平均每公里隧道工程可节省工程造价超过一千万。

5、本发明设置的排水系统，可靠性更高，排水能力更强，能有效疏干拱墙范围及隧底地下水，避免传统衬砌结构因地下水排泄不畅或暴雨季节地下水量骤增导致仰拱后衬砌结构开裂破坏。

本发明通过对传统隧道衬砌隧底结构形式进行改造，改变隧底结构受力形式及排水系统，减小甚至消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决岩溶或地下水发育地区隧道仰拱上浮变形或隧底结构开裂破坏的问题，确保隧道施工和运营的稳定及安全性。

附图说明

本说明书包括如下三幅附图：

图1为本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌实施例1的示意图；

图2为图1中A局部的放大图；

图3为沿图1中I-I线的剖图；

图4为本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌实施例2的示意图；

图5为本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌实施例3的示意图；

图6为本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌实施例4的示意图；

图7为本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌实施例5的示意图；

图8为沿图7中I-I线的剖面图。

图中示出构件、部位名称及所对应标记：纵向空腔B、拱墙初期支护结构10、拱墙喷射混凝土层10a、拱墙钢架10b、拱墙系统锚杆10c、找平层11、第二找平层12、拱墙范围防水层20、土工布20a、防水板20b、环向排水盲管31a、边墙泄水管31b、隧底纵向盲沟32a、隧底泄水管32b、道床积水泄水管32d、排水层33、排水层泄水管33b、隧底竖向泄水管34、道床侧沟35a、侧泄水孔35b、道床中心沟35c、中央泄水孔35d、拱墙二次衬砌结构40、钢筋混凝土底板41、纵梁42、级配碎石基层43、基础表层44、基础表层泄水管44a、基础底层45、梳型构筑体46、铺底层47、下部纵向空腔C、隧底开挖面F。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，包括拱墙初期支护结构10、拱墙二次衬砌结构40和拱墙范围防水层20，以及包括排水系统30。所述拱墙二次衬砌结构40两侧边墙底部设置与之固结的纵梁42，两侧纵梁42之间为隧道底部结构。隧道底部结构灵活多变，可适应多种地质条件修建隧道的需要。克服了传统衬砌形式仰拱基础开挖曲率不易控制等问题，开挖作业更方便。相比较于传统隧底为仰拱形式的衬砌结构，节约建筑材料，有效减少工程建设投资。

参照图1，所述纵梁42具有纵向空腔B，既作为拱墙初期支护结构10与拱墙二次衬砌结构40的承载结构，又作为隧道纵向排水通道。所述纵向空腔B横截面，可采用矩形、八边形和圆形，其截面尺寸可根据排水及受力需求调整。

图1、图4、图5、图6和图7，纵梁42的设置极大提高抗弯刚度，对于隧道边墙底局部存在软弱围岩地段可有效控制拱墙支护结构沉降变形，对岩溶地区隧道可有效跨越一定尺寸范围的岩溶形态（溶腔、充填溶洞、溶蚀破碎带等）。纵梁42截面采用空心结构，可节省圬工，纵向空腔B作为纵向排水通道，其截面尺寸可根据排水需求调整。采用该衬砌结构形式可取代传统地下水发育隧道工程设计中泄水洞，平均每公里隧道工程可节省工程造价超过一千万。

所述排水系统包括拱墙范围排水系统及隧底排水系统。参照图2，拱墙范围排水系统包括环向排水盲管31a及边墙泄水管31b，环向排水盲管31a沿隧道开挖方向间隔布设于无纺土工布20a与防水板20b间并于边墙下部直接引入纵向空腔B中，边墙泄水管31b沿隧道开挖方向间隔布设并伸入围岩一定长度，以疏干边墙范围地下水并泄压。

参照由图1和图3示出的实施例1，所述隧道底部结构为钢筋混凝土底板41，该钢筋混凝土底板41的横向两端与两侧纵梁42的内侧壁形成弱连接。所述隧底排水系统包括隧底纵向盲沟32a及隧底泄水管32b，隧底纵向盲沟32a布置钢筋混凝土底板41以下两侧靠纵梁42处，以汇集并疏干隧底地下水。隧底泄水管32b沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁42内，一端伸入隧底纵向盲沟32a，另一端伸入纵向空腔B内，以引排隧底纵向盲沟汇水。

参照由图4示出的实施例2，所述隧道底部结构为填筑于两侧纵梁42之间隧底开挖面上的级配碎石基层43。所述隧底排水系统包括隧底纵向盲沟32a及隧底泄水管32b，隧底纵向盲沟32a布置于级配碎石基层43以下两侧靠纵梁42处，以汇集并疏干隧底地下水；。所述隧底泄水管32b沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁42内，一端伸入隧底纵向盲沟32a，另一端伸入纵向空腔B内，以引排隧底纵向盲沟汇水。

参照由图5示出的实施例3，所述隧道底部结构为隧底开挖面F，由开挖面清除局部松动岩石并采用混凝土嵌补找平形成。所述隧底排水系统包括隧底泄水管32b，隧底泄水管32b沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁42内，将隧底渗水引排至纵向空腔B中。

参照由图6示出的实施例4，所述隧道底部结构为由基础表层44及基础底层45构成的换填基础，基础表层44可采用厚度不小于40cm的级配碎石填筑，基础底层45可采用A、B组填料填筑。所述隧底排水系统包括排水层33、排水层泄水管33a、基础表层泄水管44a和道床积水泄水管32d。排水层33位于基础底层45之下，采用厚度不小于15cm的中粗砂填筑，以汇集隧底地下水并防止地下水冲刷掏蚀隧底围岩；排水层泄水管33a沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁42内，将排水层33内汇集的地下水引排至纵向空腔B中。基础表层泄水管44a沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁42内，将基础表层44内可能的积水引排至纵向空腔B中。所述道床积水泄水管32d沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁42内，将道床积水引排至纵向空腔B中。

参照由图7和图8示出的实施例5，所述隧道底部结构为梳型构筑体46和铺设于其上表面的铺底层47，该梳型构筑体46的下部具有横向间隔的下部纵向空腔C作为隧底地下水纵向排水通道。所述隧底排水系统包括隧底竖向泄水管34，隧底竖向泄水管34沿隧道纵向间隔布设于梳型构筑体46的下部纵向空腔C内，其下端伸入隧底基岩一定长度，以排泄隧底范围有压地下水并泄压，其上端口距梳型构筑体46以下找平层11顶面一定距离，以防止隧底常流水到灌入隧底竖向泄水管34内。所述隧底排水系统还包括设道床侧沟35a、道床中心沟35c、侧泄水孔35b及中央泄水孔35d，道床侧沟35a及道床中心沟35c分别布置于铺底层47两侧及中央，以汇集道床积水。侧泄水孔35b沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁42内，将道床侧沟内35a汇水引至纵向空腔B内。所述中央泄水孔35d沿隧道开挖方向间隔布设于铺底层47中心并竖向穿过梳型构筑体46，以将道床中心沟35c汇水引入梳型构筑体46的下部纵向空腔C中。

参照图2，所述拱墙范围防水层20，位于拱墙初期支护10结构与拱墙二次衬砌结构40之间，包括内层的土工布20a及外层的防水板20b。参照图1、图2，所述拱墙初期支护结构10包括覆盖拱墙围岩的拱墙喷射混凝土层10a及沿拱墙梅花形布置的拱墙系统锚杆10c。所述拱墙喷射混凝土层10a内沿隧道开挖方向间隔布设拱墙钢架10b，拱墙喷射混凝土层10a内加设钢筋网。

参照图1和图7，所述纵梁42、梳型构筑体46底部可设置找平层11，所述底板42底部可设置第二找平层12。

以上所述只是用图解说明本发明墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (10)

1.墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，包括拱墙初期支护结构(10)、拱墙二次衬砌结构（40）和拱墙范围防水层（20），以及包括排水系统（30），其特征是：所述拱墙二次衬砌结构（40）两侧边墙底部设置与之固结的纵梁（42），两侧纵梁（42）之间为隧道底部结构；所述纵梁（42）具有纵向空腔（B），既作为拱墙初期支护结构(10)与拱墙二次衬砌结构（40）的承载结构，又作为隧道纵向排水通道；所述排水系统包括拱墙范围排水系统及隧底排水系统，拱墙范围排水系统包括环向排水盲管（31a）及边墙泄水管（31b），环向排水盲管（31a）沿隧道开挖方向间隔布设于无纺土工布（20a）与防水板（20b）间并于边墙下部直接引入纵向空腔（B）中，边墙泄水管（31b）沿隧道开挖方向间隔布设并伸入围岩一定长度，以疏干边墙范围地下水并泄压。

2.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述隧道底部结构为钢筋混凝土底板（41），该钢筋混凝土底板（41）的横向两端与两侧纵梁（42）的内侧壁形成弱连接；所述隧底排水系统包括隧底纵向盲沟（32a）及隧底泄水管（32b），隧底纵向盲沟（32a）布置钢筋混凝土底板（41）以下两侧靠纵梁（42）处，以汇集并疏干隧底地下水；隧底泄水管（32b）沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁（42）内，一端伸入隧底纵向盲沟（32a），另一端伸入纵向空腔（B）内，以引排隧底纵向盲沟汇水。

3.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述隧道底部结构为填筑于两侧纵梁（42）之间隧底开挖面上的级配碎石基层（43）；所述隧底排水系统包括隧底纵向盲沟（32a）及隧底泄水管（32b），隧底纵向盲沟（32a）布置于级配碎石基层（43）以下两侧靠纵梁（42）处，以汇集并疏干隧底地下水；所述隧底泄水管（32b）沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁（42）内，一端伸入隧底纵向盲沟（32a），另一端伸入纵向空腔（B）内，以引排隧底纵向盲沟汇水。

4.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述隧道底部结构为隧底开挖面（F），由开挖面清除局部松动岩石并采用混凝土嵌补找平形成；所述隧底排水系统包括隧底泄水管（32b），隧底泄水管（32b）沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁（42）内，将隧底渗水引排至纵向空腔（B）中。

5.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述隧道底部结构为由基础表层（44）及基础底层（45）构成的换填基础，基础表层（44）采用厚度不小于40cm的级配碎石填筑，基础底层（45）采用A、B组填料填筑；所述隧底排水系统包括排水层（33）、排水层泄水管（33a）、基础表层泄水管（44a）和道床积水泄水管（32d）；排水层（33）位于基础底层（45）之下，采用厚度不小于15cm的中粗砂填筑，以汇集隧底地下水并防止地下水冲刷掏蚀隧底围岩；排水层泄水管（33a）沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁（42）内，将排水层（33）内汇集的地下水引排至纵向空腔（B）中；基础表层泄水管（44a）沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁（42）内，将基础表层（44）内可能的积水引排至纵向空腔（B）中；所述道床积水泄水管（32d）沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁（42）内，将道床积水引排至纵向空腔（B）中。

6.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述隧道底部结构为梳型构筑体（46）和铺设于其上表面的铺底层（47），该梳型构筑体（46）的下部具有横向间隔的下部纵向空腔（C）作为隧底地下水纵向排水通道；所述隧底排水系统包括隧底竖向泄水管（34），隧底竖向泄水管（34）沿隧道纵向间隔布设于梳型构筑体（46）的下部纵向空腔（C）内，其下端伸入隧底基岩一定长度，以排泄隧底范围有压地下水并泄压，其上端口距梳型构筑体（46）以下找平层（11）顶面一定距离，以防止隧底常流水到灌入隧底竖向泄水管（34）内。

7.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述隧底排水系统还包括设道床侧沟（35a）、道床中心沟（35c）、侧泄水孔（35b）及中央泄水孔（35d）；道床侧沟（35a）及道床中心沟（35c）分别布置于铺底层（47）两侧及中央，以汇集道床积水；侧泄水孔（35b）沿隧道开挖方向间隔布设于纵梁（42）内，将道床侧沟内（35a）汇水引至纵向空腔（B）内；所述中央泄水孔（35d）沿隧道开挖方向间隔布设于铺底层（47）中心并竖向穿过梳型构筑体（46）以将道床中心沟（35c）汇水引入梳型构筑体（46）的下部纵向空腔（C）中。

8.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述拱墙范围防水层（20）位于拱墙初期支护结构（10）与拱墙二次衬砌结构（40）之间，包括内层的土工布（20a）及外层的防水板（20b）。

9.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述纵梁（42）底部设置找平层（11）。

10.如权利要求1所述的墙脚空心纵梁承载拱形结构无仰拱型衬砌，其特征是：所述纵向空腔（B）横截面为矩形、八边形或圆形，其截面尺寸根据排水和受力需求调整。