CN108005677B - 镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统 - Google Patents

Abstract

镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决地下水发育地段、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。拱墙二次衬砌结构底部设置镜架型整体隧底构筑体，该镜架型整体隧底构筑体横向两端的上部与拱墙二次衬砌结构两侧底部连接作为拱墙二次衬砌结构的承载基础，其中央上部平台设置道床作为列车荷载的承载结构。镜架型整体隧底构筑体的两侧分别设置纵向空腔，下部为拱形空腔。隧底排水系统与拱形空腔相连通，道床积水排泄系统与纵向空腔和拱形空腔相连通，拱墙范围排水系统与纵向空腔相连通。

Description

镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统

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或地下水受季节影响不规律地段或岩溶地区的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统。

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了一种镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，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，消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决地下水发育地段、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：

本发明的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，包括拱墙初期支护结构、拱墙二次衬砌结构及拱墙范围防水层，还包括排水系统，其特征是：所述拱墙二次衬砌结构底部设置镜架型整体隧底构筑体，隧底开挖成平面，该镜架型整体隧底构筑体横向两端的上部与拱墙二次衬砌结构两侧底部连接作为拱墙二次衬砌结构的承载基础，其中央上部平台设置道床作为列车荷载的承载结构，隧底不需施作混凝土填充体；所述镜架型整体隧底构筑体的两侧分别设置纵向空腔，下部为拱形空腔；所述排水系统包括拱墙范围排水系统、隧底排水系统及道床积水排泄系统，隧底排水系统与拱形空腔相连通，道床积水排泄系统与纵向空腔和拱形空腔相连通，拱墙范围排水系统与纵向空腔相连通；

所述隧底排水系统包括沿隧道纵向及横向间隔布设于拱形空腔内的隧底竖向泄水管，各竖向泄水管下端穿过镜架型整体隧底构筑体底部的找平层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；各竖向泄水管的上端口距找平层顶面一定距离，以防止拱形空腔内的隧道常流水到灌入隧底竖向泄水管内；

所述道床积水排泄系统包括开设在镜架型整体隧底构筑体上的中央泄水孔和两侧的侧泄水孔；所述侧泄水孔沿隧道开挖方向间隔布设，将道床两侧积水分别引至两侧纵向空腔内；所述中央泄水孔沿隧道开挖方向间隔布设于镜架型整体隧底构筑体中心，将道床积水直接引至拱形空腔中。

所述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；所述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，另一端引入纵向空腔中，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、隧底开挖成平面，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、隧底采用整体结构，其上不需施作混凝土填充体，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，导致轨道结构破坏；

3、传统隧道衬砌，隧底结构与下部围岩密贴，一旦暴雨季节，隧底水压急剧升高。在高水压作用下，致使隧底仰拱开裂破损。本发明由于隧底为空腔，可以顺畅引排地下水，避免了地下水与结构直接作用，规避了隧底结构在暴雨季节高压水作用下隆起开裂破坏的风险；

4、以镜架型整体隧底构筑体作为拱墙二次衬砌及道床结构的承载结构，整体刚度极大，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。

5、镜架型整体隧底构筑体两侧及隧底下部和两侧为空腔结构，可节省圬工和能改善结构受力性能，两侧及隧底下部空腔作为隧道纵向排水通道，可取代传统地下水发育地段隧道工程设置的泄水洞，平均每公里隧道工程可节省工程造价超过一千万。

6、利用两侧纵向空腔引排拱墙范围地下水，利用隧底下部拱形空腔引排隧底范围地下水，同时利用两侧边墙底部的边墙泄水管和隧底竖向泄水管进行提前泄压，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，排水系统可靠性更高，排水能力更强。

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，消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决了地下水发育地段、地下水受季节影响不规律地段及岩溶地区隧道仰拱上浮变形或隧底结构开裂破坏的问题，从而确保隧道施工和运营的稳定及安全性。

附图说明

本说明书包括如下八幅附图：

图1为本发明镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统实施例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为本发明镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统实施例2的示意图；

图5为本发明镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统实施例3的示意图；

图6为本发明镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统实施例4的示意图；

图7为本发明镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统实施例5的示意图；

图8为本发明镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统实施例6的示意图。

图中示出构件、部位名称及所对应标记：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、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、隧底竖向泄水管32、侧泄水孔33a、中央泄水孔33b、拱墙二次衬砌结构40、镜架型整体隧底构筑体41、道床42、纵向空腔B、拱形空腔C。

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和图3，本发明的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，包括拱墙初期支护结构10、拱墙二次衬砌结构40及拱墙范围防水层20，还包括排水系统30。所述拱墙二次衬砌结构40底部设置镜架型整体隧底构筑体41，该镜架型整体隧底构筑体41横向两端的上部与拱墙二次衬砌结构40两侧底部连接作为拱墙二次衬砌结构40的承载基础，其中央上部平台设置道床42作为列车荷载的承载结构，极大提高了隧底结构整体抗弯刚度，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），并可节省圬工。

参照图1和图3，所述镜架型整体隧底构筑体41的两侧分别设置纵向空腔B，下部为拱形空腔C。所述排水系统包括拱墙范围排水系统、隧底排水系统及道床积水排泄系统，隧底排水系统与拱形空腔C相连通，道床积水排泄系统与纵向空腔B和拱形空腔C相连通，拱墙范围排水系统与纵向空腔B相连通。利用其两侧纵向空腔B及下部拱形空腔C作为隧道纵向排水通道，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。隧底可开挖成平面，克服了传统衬砌形式仰拱基础开挖曲率不易控制导等问题，开挖作业更方便。能减小隧道开挖量，节约建筑材料，有效减少工程建设投资。

参照图1至图3，所述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。所述边墙泄水管31b沿隧道开挖方向间隔布设并伸入围岩一定长度，另一端引入纵向空腔B中，以疏干边墙范围地下水并泄压；所述隧底排水系统包括沿隧道纵向及横向间隔布设于拱形空腔C内的隧底竖向泄水管32，各竖向泄水管32下端穿过镜架型整体隧底构筑体41底部的找平层11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。各竖向泄水管32的上端口距找平层11顶面一定距离，以防止拱形空腔C内的隧道常流水到灌入隧底竖向泄水管32内；所述道床积水排泄系统包括开设在镜架型整体隧底构筑体41上的中央泄水孔33b和两侧的侧泄水孔33a。所述侧泄水孔33a沿隧道开挖方向间隔布设，将道床42两侧积水分别引至两侧纵向空腔B内。所述中央泄水孔33b沿隧道开挖方向间隔布设于镜架型型整体隧底构筑体41中心，将道床积水直接引至拱形空腔C中。本发明利用两侧纵向空腔B引排拱墙范围地下水，利用隧底下部拱形空腔C引排隧底范围地下水，同时利用两侧边墙底部的边墙泄水管31b和隧底竖向泄水管32进行提前泄压，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，排水系统可靠性更高，排水能力更强。

参照图1和图2，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。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。所述镜架型整体隧底构筑体41下部设置找平层11。

参照图1、图4及图5示出的实施例1、实施例2和实施例3，所述纵向空腔B的横截面呈矩形、八边形或圆形，其截面尺寸可根据排水及受力需求调整。。参照图6、图7及图8示出的实施例4、实施例5和实施例6，拱形空腔C的下底面呈成弧形，以在确保排水通道尺寸的前提下为隧底提供更大的变形空间。

以上所述只是用图解说明本发明镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统的一些原理，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 (6)

1.镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，包括拱墙初期支护结构(10)、拱墙二次衬砌结构（40）及拱墙范围防水层（20），还包括排水系统（30），其特征是：所述拱墙二次衬砌结构（40）底部设置镜架型整体隧底构筑体（41），隧底开挖成平面，该镜架型整体隧底构筑体（41）横向两端的上部与拱墙二次衬砌结构（40）两侧底部连接作为拱墙二次衬砌结构（40）的承载基础，其中央上部平台设置道床（42）列车荷载的承载结构，隧底不需施作混凝土填充体；所述镜架型整体隧底构筑体（41）的两侧分别设置纵向空腔（B），下部为拱形空腔（C）；所述排水系统包括拱墙范围排水系统、隧底排水系统及道床积水排泄系统，隧底排水系统与拱形空腔（C）相连通，道床积水排泄系统与纵向空腔（B）和拱形空腔（C）相连通，拱墙范围排水系统与纵向空腔（B）相连通；

所述隧底排水系统包括沿隧道纵向及横向间隔布设于拱形空腔（C）内的隧底竖向泄水管（32），各竖向泄水管（32）下端穿过镜架型整体隧底构筑体（41）底部的找平层（11）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；各竖向泄水管（32）的上端口距找平层（11）顶面一定距离，以防止拱形空腔（C）内的隧道常流水倒灌入隧底竖向泄水管（32）内；

所述道床积水排泄系统包括开设在镜架型整体隧底构筑体（41）上的中央泄水孔（33b）和两侧的侧泄水孔（33a）；所述侧泄水孔（33a）沿隧道开挖方向间隔布设，将道床（42）两侧积水分别引至两侧纵向空腔（B）内；所述中央泄水孔（33b）沿隧道开挖方向间隔布设于镜架型整体隧底构筑体（41）中心，将道床积水直接引至拱形空腔（C）中。

2.如权利要求1所述的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，其特征是：所述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；所述边墙泄水管（31b）沿隧道开挖方向间隔布设并伸入围岩一定长度，另一端引入纵向空腔（B）中，以疏干边墙范围地下水并泄压。

3.如权利要求1所述的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，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）。

4.如权利要求1所述的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，其特征是：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。

5.如权利要求1所述的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，其特征是：所述纵向空腔（B）的横截面呈矩形、八边形或圆形，其截面尺寸根据排水及受力需求调整。

6.如权利要求1所述的镜架型整体隧底拱形衬砌及其排水系统，其特征是：所述拱形空腔（C）的下底面呈成弧形。