CN109184754A - 一种隧道防排水病害处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种既有隧道防排水病害处置方法，考虑了地下水实际沿着初期支护与二次衬砌之间的空间纵向流动，获得堵塞段二次衬砌外表面各点水压力，确定环向盲管的排水量，进一步确定新铺纵向盲管(5)和新铺环向盲管(6)的直径和间距，最后在隧道初期支护外侧围岩中施作新铺纵向盲管(5)和新铺环向盲管(6)，利用盲管把隧道衬砌外地下水引入隧道内侧沟排水，从根本上降低了衬砌外部水压。本发明还公开了一种既有隧道防排水病害处置系统，包括既有隧道主体和新型排水系统，其中新型排水系统包括新铺纵向盲管(5)和新铺环向盲管(6)，解决因原有的排水盲管直径较小，材料老化等导致堵塞后，衬砌承受高水压的问题，保证了隧道结构安全。
Description
技术领域
本发明属于交通工程防排水技术领域，更具体地，涉及一种隧道防排水病害处理方法及系统。
背景技术
在我国大量运营的矿山法山岭隧道中，由于各种原因，排水盲管与排水沟等排水设施时常发生堵塞现象。地下水发育的山岭隧道，地下水渗流过程中会侵蚀初期支护喷射混凝土，发生水泥石的软水侵蚀或溶出性侵蚀，使水泥石出现孔洞，降低水泥石的密实性及其他性能，其中的氢氧化钙被水流带走，重新在排水系统中结晶沉淀。岩溶地区的隧道工程，岩溶地下水渗流结晶作用在隧道排水盲沟与水沟内生成的沉淀结晶物。上述结晶沉淀物与泥沙及围岩碎片、围岩颗粒等共同作用堵塞隧道排水系统。排水系统堵塞后将导致地下水位逐渐升高，一方面直接增加了隧道衬砌承受的水压力，另一方面，含有腐蚀成分的地下水长期浸泡隧道衬砌，降低了隧道衬砌混凝土的力学性能，导致隧道衬砌裂损、腐蚀，以及混凝土中的钢筋锈蚀、道床翻浆冒泥和隧底吊空等隧道病害，可能引起轨道抬升或道床开裂，影响线路质量，严重时还会危及铁路运输安全。
矿山法隧道的防排水系统主要由纵向、环向盲沟、防水板、施工缝及变形缝处设置的止水带、排水明暗沟组成。当排水系统发生堵塞时，通常需要清理纵向盲管、侧沟及中心水沟，以降低衬砌承受的水压力，但对于既有隧道，盲管直径较小，内部沉淀物、钙质结晶物已连成整体，强度大，难以清理，导致排水断面越来越小，材料严重老化，盲管疏通比较困难，目前例如整治拱部渗漏水采用的凿槽埋管引排法等排水措施虽然解决了隧道内局部水害问题，但没有从根本上降低衬砌外部水压，即不能起到“泄压”作用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种隧道防排水病害处理方法及系统，针对矿山法隧道盲管发生堵塞的情况，考虑了地下水实际沿着初期支护与二次衬砌之间的空间纵向流动的二次衬砌外表面水压力计算方法，确定了环向盲管排水量，进一步计算出纵、环向盲管直径和间距，最后采用“定向钻扩孔技术”在隧道初期支护外侧围岩中，重新构筑纵、环向排水系统，铺设盲管，利用盲管把隧道衬砌外地下水引入隧道内侧沟排水，从根本上降低了衬砌外部水压的作用，为隧道防排水病害处置提供了新措施，解决了常规的隧道内局部水害处置没有从根本上降低衬砌外部水压的问题，保证了隧道结构安全。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种隧道防排水病害处理方法，包括如下步骤：
S1：设堵塞段中点至堵塞段端点的距离为L，两端点处的水压力为0，则堵塞段的中点水压力最高取为P0，设堵塞段沿程地下水渗流水量为q1，环向盲管的排水量为q2，且q2<q1，地下水剩余流量为q，则计算获得堵塞段二次衬砌外表面各点水压力P(X)；
S2：增加盲管的排水量以减小地下水剩余流量，所述堵塞段的最大水压力即p0不超过二次衬砌最大水压力h0，令h0＝p0，由q＝q1-q2，可计算获得盲管排水量q2；
S3：堵塞段全部施作新铺纵向盲管，且每间隔一定距离l0施作新铺环向盲管，初选所述新铺纵向盲管和新铺环向盲管直径，其相对应的单位长度盲管的排水量q3和q4为确定值，根据步骤S2得到的盲管排水量q2确定所述新铺纵向盲管和新铺环向盲管的直径和间距；
S4：在隧道二次衬砌的墙脚位置开孔作为导向孔，并施作纵向盲管孔，再施作所述新铺纵向盲管，最后在隧道横断面两侧的所述隧道二次衬砌墙脚开孔，钻孔至隧道拱顶位置，完成所述新铺环向盲管的铺设工作。
进一步地，所述堵塞段二次衬砌外表面各点水压力P(X)、盲管排水量q2以及所述新铺纵向盲管和新铺环向盲管的直径和间距采用如下方法获得：
式中：P(X)为堵塞段x处水压力；x为堵塞段中点至所求水压力处的距离，x≤L；p0为堵塞段的最大水压力；A为初期支护与所述二次衬砌之间排水层总面积；k为排水层沿隧道纵向渗透系数；h0为二次衬砌最大水压力；q3为单位长度新铺纵向盲管的排水量；q4为单位长度新铺环向盲管的排水量；l1为间距l0范围内新铺纵向盲管长度；l2为间距l0范围内新铺环向盲管长度。
进一步地，所述S2中，二次衬砌最大水压力h0与允许排水量、排水方式、地下水环境、允许养护维修作业时间及隧道类型有关。
进一步地，所述二次衬砌最大水压力h0采用如下方法确定：
排水量大且维护作业难度大时h0控制在0.05～0.15MPa范围内；或对于水下隧道、公路隧道h0宜控制在0.2～0.3MPa范围内；或铁路隧道与地铁隧道h0宜控制在0.4～0.6MPa范围内。
进一步地，所述S2中，所述地下水渗流水量q1与地质勘察资料、允许排放量及隧道结构老化相关。
进一步地，所述S3中，l2为间距l0范围内新铺环向盲管长度，其根据隧道结构尺寸、所述新铺环向盲管与初期支护间距、所述新铺环向盲管所在平面的法向量与所述隧道主体轴线存在夹角确定或取为所述新铺环向盲管的钻孔长度。
进一步地，所述S4中，所述导向孔穿透所述二次衬砌和初期支护并进入围岩一定深度以保证钻入角度正确。
进一步地，所述S4中，施作所述新铺环向盲管时，由墙脚向前、向上钻孔至所述隧道主体拱顶上方，所述钻孔需与所述初期支护保持一定间距，避免钻头钻到所述初期支护中钢拱架。
按照本发明的另一个方面，提供一种隧道防排水病害处理系统，用于实现一种隧道防排水病害处理方法，所述处理系统包括既有隧道主体和新型排水系统，所述既有隧道主体由内而外依次包括所述隧道内水沟、二次衬砌、防水板和土工布、环向盲管和初期支护以及新铺纵向盲管和新铺环向盲管。
进一步地，所述新铺环向盲管两端部均接入所述隧道内水沟，且所述新铺环向盲管倾斜一定角度，保证其所在平面的法向量与隧道轴线存在夹角θ。
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，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的隧道防排水病害处理方法，针对矿山法隧道盲管发生堵塞的情况，考虑了地下水实际沿着初期支护与二次衬砌之间的空间纵向流动的二次衬砌外表面水压力计算方法，确定了环向盲管排水量，进一步计算出纵、环向盲管直径和间距，最后采用“定向钻扩孔技术”在隧道初期支护外侧围岩中，重新构筑纵、环向排水系统，铺设盲管，利用盲管把隧道衬砌外地下水引入隧道内侧沟排水，从根本上降低了衬砌外部水压的作用，为隧道防排水病害处置提供了新措施，解决了常规的隧道内局部水害处置没有从根本上降低衬砌外部水压的问题，保证了隧道结构安全。
(2)本发明的隧道防排水病害处理方法，为了避免传统环向盲管沿着横断面铺设导致盲管中间的隧道结构水压力高于盲管部位的情况，所述新铺环向盲管倾斜一定角度铺设，即新铺环向盲管所在平面的法向量与隧道轴线存在夹角θ，在间距相同的情况下，一方面，由于环向盲管长度增加，可使其排水量要大于传统铺设方式，另一方面，在间距内，可使所述二次衬砌沿程水压力变化较传统方式更小。
(3)本发明的隧道防排水病害处理方法，施作所述新铺环向盲管时，由墙脚向前、向上钻孔至所述隧道主体拱顶上方，避免了传统环向盲管沿着横断面铺设导致盲管中间的隧道结构水压力高于盲管部位的情况，且所述钻孔需与所述初期支护保持一定间距，避免钻头钻到所述初期支护中钢拱架。
(4)本发明的隧道防排水病害处理系统，包括既有隧道主体和新型排水系统，既有隧道主体由内而外依次包括隧道内水沟、二次衬砌、防水板和土工布、环向盲管和初期支护，用于结构承载和隧道防排水；新型排水系统包括新铺纵向盲管和新铺环向盲管，用于解决因原有的排水盲管直径较小，材料老化等导致堵塞后，衬砌承受高水压且难以降压的问题。本隧道防排水病害处理系统可解决我国大量矿山法隧道出现的防排水堵塞问题，减少隧道病害，提高隧道结构使用寿命，对于我国大量既有隧道的病害治理具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例一种隧道防排水病害处理方法的考虑纵向效应的二次衬砌水压力计算简图；
图2为本发明实施例一种隧道防排水病害处理方法的新铺纵向、环向盲管效果示意图；
图3为本发明实施例一种隧道防排水病害处理方法的新铺纵、环向盲管沿隧道横断面方向视图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-二次衬砌；2-防水板和土工布；3-环向盲管；4-初期支护；5-新铺纵向盲管；6-新铺环向盲管；7-隧道内水沟。
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。
图3为本发明实施例一种既有隧道防排水病害处置方法的新铺纵、环向盲管沿隧道横断面方向视图。如图3所示，本系统包括既有隧道主体和新型排水系统。其中，所述既有隧道主体用于结构承载和隧道防排水等；所述新型排水系统用于解决因原有的排水盲管直径较小，材料老化等导致堵塞后，衬砌承受高水压且难以降压的问题。
结合图2和图3所示，所述既有隧道主体由内而外依次包括隧道内水沟7、二次衬砌1、防水板和土工布2、环向盲管3和初期支护4。其中，所述隧道内水沟7用于汇聚且向隧道外排出来自所述环向盲管3的排出水和隧道内积水等，所述隧道内水沟7与所述环向盲管3两端部连接；所述环向盲管3上部为所述初期支护4，下部为所述防水板和土工布2，所述环向盲管3用于将沿程地下渗水吸收并排入所述隧道内水沟7，起到排水的作用。而既有隧道主体的结构原因等导致环向盲管3常常堵塞，造成地下水渗流到所述二次衬砌1部分，使水泥石软水侵蚀或溶出性侵蚀，降低水泥石的密实性和力学性能，且积水长期无法排出将对隧道安全造成威胁。
如图2所示，新型排水系统包括新铺纵向盲管5和新铺环向盲管6。其中，所述新铺环向盲管6两端部均接入所述隧道内水沟7，所述新铺环向盲管6倾斜一定角度铺设，保证其所在平面的法向量与隧道轴线存在夹角θ，使得相比于既有隧道的所述环向盲管3，在间距相同的情况下，由于环向盲管长度增加，其排水量要大于传统铺设方式，同时在此间距内，隧道衬砌结构沿程水压力变化较传统方式更小。所述新铺纵向盲管5与隧道平行并在横向具有一定间距，所述新铺纵向盲管5两端部均接入隧道内水沟7以进行排水。
本发明实施例一种既有隧道防排水病害处置方法主要由理论计算和实际施工两部分组成，第一部分通过理论计算，得到所述新铺环向盲管6和新铺纵向盲管5的排水量，进而得到两盲管的直径与间距；第二部分实际施工进行打盲管孔，铺设盲管。本发明实施例一种既有隧道防排水病害处置方法具体包括如下4个步骤：
S1：计算堵塞段考虑纵向效应的二次衬砌外表面水压力
图1为本发明实施例一种既有隧道防排水病害处置方法的考虑纵向效应的二次衬砌水压力计算简图。如图1所示，现假设堵塞段位于平直段，无纵坡与平曲线，堵塞段中点至堵塞段端点的距离为L，两端点处的水压力为0，可知堵塞段的中点水压力最高，取为P0，假设堵塞段沿程地下水渗流水量为q1，所述环向盲管3仍能排水，排水量为q2(q2<q1)，则地下水剩余流量为q(q＝q1-q2)，地下水剩余流量沿初期支护与二次衬砌之间的空间流动，导致堵塞段水压力减小。堵塞段二次衬砌外表面各点水压力计算公式如下：
式(1)中：P(X)为堵塞段x处水压力；x为堵塞段中点至所求水压力处的距离，x≤L；p0为堵塞段的最大(中点处)水压力；A为所述初期支护4与所述二次衬砌1之间排水层总面积；k为排水层沿隧道纵向渗透系数；
S2:计算盲管排水量
根据式(2)，既有隧道的堵塞段长度，排水层面积及其渗透系数是一定的，可通过减小地下水剩余流量q来降低隧道二次衬砌水压力p0。
优选的，通过增加盲管的排水量来减小地下水剩余流量。要求堵塞段的最大水压力即p0不超过二次衬砌最大水压力的控制值h0，令h0＝p0，得到：
由于地下水剩余流量q＝q1-q2，则盲管排水量的计算公式如下：
式(3)中，二次衬砌最大水压力的控制值h0的确定应综合考虑允许排水量、排水方式、地下水环境(山岭隧道或水下隧道)、允许养护维修作业时间、隧道类型(公路隧道、铁路隧道或地铁隧道)等因素。建议取值：对于山岭隧道，当排水量小或维护作业难度小时可以不考虑水压力，当排水量大且维护作业难度大时宜控制在0.05～0.15MPa范围内；对于水下隧道，公路隧道宜控制在0.2～0.3MPa范围内，铁路隧道或地铁隧道宜控制在0.4～0.6MPa范围内。
式(4)中，地下水渗流水量q1的确定需根据地质勘察资料(隧道涌水量等)、允许排放量、隧道结构老化等因素综合确定，如果地下水较设计阶段变化较大，则需要测量实际水压大小确定。
S3:计算纵、环向盲管直径和间距
图2为本发明实施例一种既有隧道防排水病害处置方法的新铺纵向、环向盲管效果示意图，如图2所示，根据步骤S2得到的盲管排水量q2，假设堵塞段全部铺设所述新铺纵向盲管5，所述新铺环向盲管6每间隔一定距离l0铺设，初选新铺纵、环向盲管直径，期对应的单位长度盲管的排水量q3和q4是确定的。
优选的，为了避免传统环向盲管沿着横断面铺设导致盲管中间的隧道结构水压力高于盲管部位的情况，所述新铺环向盲管6倾斜一定角度铺设，即新铺环向盲管6所在平面的法向量与隧道轴线存在夹角θ，在间距相同的情况下，一方面，由于环向盲管长度增加，其排水量要大于传统铺设方式，另一方面，在间距内，所述二次衬砌1沿程水压力变化较传统方式更小。
计算纵、环向盲管直径和间距的方法如下：
式(5)中：q3为单位长度新铺纵向盲管的排水量；q4为单位长度新铺环向盲管的排水量；l1为间距l0范围内新铺纵向盲管长度，可取l1＝2l0；l2为间距l0范围内新铺环向盲管长度，需根据隧道结构尺寸、所述新铺环向盲管6与所述初期支护4间距、所述新铺环向盲管6所在平面的法向量与所述隧道主体轴线存在夹角确定，也可采用所述新铺环向盲管6的钻孔长度取代。结合公式(4)、(5)，可确定新铺纵、环向盲管直径和间距。
S4:新铺纵向、环向盲管
结合图2和图3，首先在隧道二次衬砌1的墙脚位置开孔作为导向孔，导向孔穿透所述二次衬砌1和所述初期支护4并进入围岩一定深度，保证钻入角度正确，然后采用“定向钻扩孔技术”施作纵向盲管孔，纵向盲管孔与隧道平行并在横向具有一定间距，最后施作所述新铺纵向盲管5，所述新铺纵向盲管5两端部均接入所述隧道内水沟7进行排水。在所述新铺纵向盲管5开孔处上方，采用同样的方法施作所述新铺环向盲管6，由墙脚向前、向上钻孔至所述隧道主体拱顶上方，钻孔需与所述初期支护4保持一定间距，避免钻头钻到所述初期支护4中钢拱架，在隧道横断面另一侧的所述二次衬砌1墙脚开孔，同样钻孔至隧道拱顶位置，完成钻孔和所述新铺环向盲管6。
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，并不用于限制本发明，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 (10)
1.一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：设堵塞段中点至堵塞段端点的距离为L，两端点处的水压力为0，则堵塞段的中点水压力最高取为P0，设堵塞段沿程地下水渗流水量为q1，环向盲管(3)的排水量为q2，且q2<q1，地下水剩余流量为q，则计算获得堵塞段二次衬砌外表面各点水压力P(X)；
S2：增加盲管的排水量以减小地下水剩余流量，所述堵塞段的最大水压力即p0不超过二次衬砌最大水压力h0，令h0＝p0，由q＝q1-q2，可计算获得盲管排水量q2；
S3：堵塞段全部施作新铺纵向盲管，且每间隔一定距离l0施作新铺环向盲管，初选所述新铺纵向盲管和新铺环向盲管直径，其相对应的单位长度盲管的排水量q3和q4为确定值，根据步骤S2得到的盲管排水量q2确定所述新铺纵向盲管和新铺环向盲管的直径和间距；
S4：在隧道二次衬砌(1)的墙脚位置开孔作为导向孔，并施作纵向盲管孔，再施作所述新铺纵向盲管(5)，最后在隧道横断面两侧的所述隧道二次衬砌(1)墙脚开孔，钻孔至隧道拱顶位置，完成所述新铺环向盲管(6)的铺设工作。
2.根据权利要求1所述的一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，所述堵塞段二次衬砌外表面各点水压力P(X)、盲管排水量q2以及所述新铺纵向盲管(5)和新铺环向盲管(6)的直径和间距采用如下方法获得：
式中：P(X)为堵塞段x处水压力；x为堵塞段中点至所求水压力处的距离，x≤L；p0为堵塞段的最大水压力；A为初期支护与所述二次衬砌之间排水层总面积；k为排水层沿隧道纵向渗透系数；h0为二次衬砌最大水压力；q3为单位长度新铺纵向盲管的排水量；q4为单位长度新铺环向盲管的排水量；l1为间距l0范围内新铺纵向盲管长度；l2为间距l0范围内新铺环向盲管长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，所述S2中，二次衬砌最大水压力h0与允许排水量、排水方式、地下水环境、允许养护维修作业时间及隧道类型有关。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，所述二次衬砌最大水压力h0采用如下方法确定：
排水量大且维护作业难度大时h0控制在0.05～0.15MPa范围内；或对于水下隧道、公路隧道h0宜控制在0.2～0.3MPa范围内；或铁路隧道与地铁隧道h0宜控制在0.4～0.6MPa范围内。
5.根据权利要求1或2所述的一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，所述S2中，所述地下水渗流水量q1与地质勘察资料、允许排放量及隧道结构老化相关。
6.根据权利要求1或2所述的一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，所述S3中，l2为间距l0范围内新铺环向盲管长度，其根据隧道结构尺寸、所述新铺环向盲管(6)与初期支护(4)间距、所述新铺环向盲管(6)所在平面的法向量与所述隧道主体轴线存在夹角确定或取为所述新铺环向盲管(6)的钻孔长度。
7.根据权利要求1所述的一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，所述S4中，所述导向孔穿透所述二次衬砌(1)和初期支护(4)并进入围岩一定深度以保证钻入角度正确。
8.根据权利要求7所述的一种隧道防排水病害处理方法，其特征在于，所述S4中，施作所述新铺环向盲管(6)时，由墙脚向前、向上钻孔至所述隧道主体拱顶上方，所述钻孔需与所述初期支护(4)保持一定间距，避免钻头钻到所述初期支护(4)中钢拱架。
9.一种隧道防排水病害处理系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-8中任一项所述的一种隧道防排水病害处理方法，所述处理系统包括既有隧道主体和新型排水系统，所述既有隧道主体由内而外依次包括所述隧道内水沟(7)、二次衬砌(1)、防水板和土工布(2)、环向盲管(3)和初期支护(4)以及新铺纵向盲管(5)和新铺环向盲管(6)。
10.根据权利要求9所述的一种隧道防排水病害处理系统，其特征在于，所述新铺环向盲管(6)两端部均接入所述隧道内水沟(7)，且所述新铺环向盲管(6)倾斜一定角度，保证其所在平面的法向量与隧道轴线存在夹角θ。
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