CN114483185A - 一种漫积式斜井运营期防突涌结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种漫积式斜井运营期防突涌结构，斜井内靠近正洞的一端设置有第一封堵结构，所述斜井地面设置有沿所述斜井长度方向延伸的第一排水沟，所述斜井的另一端设置有格栅，所述格栅与所述第一封堵结构之间设置有第二封堵结构，所述第二封堵结构嵌入所述斜井，所述第二封堵结构用于阻挡突涌水。采用上述方案提供的斜井结构，突涌发生后，格栅能够滤过泥沙以及大块石，突涌中的水流通过排水沟排入正洞的排水系统。采用第二封堵结构与格栅相结合的斜井结构，利用格栅拦挡初期块石对封堵结构的冲击，利用突涌物质形成的漫积体抵御后续的突涌冲击，能够抵抗突然集中大规模的突涌。
Description
技术领域
本发明涉及斜井结构，特别是一种漫积式斜井运营期防突涌结构及施工方法。
背景技术
隧道运营期间，由于斜井中的衬砌出现破损，因此斜井中存在发生突涌的可能，若斜井发生突涌，会影响隧道正洞的行车安全，因此需要在斜井内部设置防护措施。传统在防治方法是仅在斜井与正洞的交叉位置设置封堵结构来拦挡突涌物质。但是由于突涌规模无法确定，突然、集中、大规模的突涌会对封堵结构施加过大的压力，容易击穿封堵结构，发生安全事故；此外，采用封堵结构将斜井封堵之后，后期无法进行人为维修及加固，随着时间推移，抗风险能力逐渐下降，对隧道运营造成安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的仅在斜井内与正洞交叉的位置设置有封堵结构，不能抵抗突然、集中、大规模的突涌的问题，提供一种漫积式斜井运营期防突涌结构及施工方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种漫积式斜井运营期防突涌结构，斜井内靠近正洞的一端设置有第一封堵结构，所述斜井地面设置有沿所述斜井长度方向延伸的第一排水沟，所述斜井的另一端设置有格栅，所述格栅与所述第一封堵结构之间设置有第二封堵结构，所述第二封堵结构嵌入所述斜井，所述第二封堵结构用于阻挡突涌水。
采用上述方案提供的斜井结构，突涌发生后，格栅能够滤过泥沙以及大块石，突涌中的水流通过第一排水沟排入正洞的排水系统。
上述方案中，增加了第二封堵结构，第二封堵结构嵌入斜井中用于阻挡突涌水，斜井能够对第二封堵结构起到沿斜井方向的支撑作用，使第二封堵结构能够承受较大的压力。现有的第一封堵结构位于斜井与正洞连接的一端，不便于对斜井扩挖使第一封堵结构也嵌入斜井中，否则会破坏正洞中的衬砌结构，因此，第一封堵结构无法承受沿斜井方向的较大的压力。在斜井内还设置有格栅，格栅能够滤过泥沙中的大块石并能阻挡突涌发生时大块石对第二封堵结构的冲击，起到缓冲作用，减小突涌结束后第二封堵结构受到的来自泥沙及石块的压力。此外，通过设置格栅滤过泥沙，能够避免堵塞第一排水沟，避免第二封堵结构迎水侧的积水对第二封堵结构施加过大压力，水流经过格栅以及第二封堵结构再流经第一封堵结构，也能够减少对第一封堵结构的冲击。且突涌发生后，泥沙逐渐缓慢穿越格栅，漫积在第二封堵结构的迎水侧形成漫积体，最终漫积体和第二封堵结构形成一个自然堰塞结构，可以为之后的突涌提供更大的缓冲消能作用。
综上，采用第二封堵结构与格栅相结合的斜井结构，利用格栅拦挡初期块石对封堵结构的冲击，利用突涌物质形成的漫积体抵御后续的突涌冲击，能够抵抗突然集中大规模的突涌。
作为本发明的优选方案，所述第二封堵结构嵌入所述斜井1～2m。
作为本发明的优选方案，所述第一封堵结构设置有沿斜井方向的第一排水通道，所述第二封堵结构设置有沿斜井方向的第二排水通道；所述第一排水通道与所述第二排水通道的位置高于所述斜井的地面。
第一排水通道与第二排水通道的位置高于斜井的地面，当第一封堵结构或第二封堵结构的迎水侧积水水位较高时，积水能够通过第一排水通道和第二排水通道排出，加快排水过程，避免封堵结构背后的积水过高而导致封堵结构所承受的压力过大。
作为本发明的优选方案，所述格栅为钢制结构件，所述格栅锚固于斜井内。
作为本发明的优选方案，所述第二封堵结构的数量为至少一个。
作为本发明的优选方案，所述第一封堵结构设置有第一检修通道，所述第一检修通道连通正洞与斜井，所述第一检修通道设置有第一防护门；斜井连接有第二检修通道，所述第二检修通道的两端均与所述斜井连通，所述第二检修通道设置有第二防护门；所述第二检修通道的一端位于所述第一封堵结构与所述第二封堵结构之间，所述第二检修通道的另一端位于所述格栅的迎水侧。
通过设置第一检修通道与第二检修通道，第二检修通道的一端位于第一封堵结构与第二封堵结构之间，第二检修通道的另一端位于格栅的迎水侧，能够方便人员从正洞进入斜井中进行查看漫积体规模、查看第一排水通道与第二排水通道是否堵塞、以及抽水清淤的工作，防止积水或漫积体作用在第二封堵结构上的压力长期过大，导致结构失稳而失效。通过设置第一防护门与第二防护门，能够阻挡泥沙、突涌水进入检修通道，避免泥沙从第二检修通道直接堆积在第一封堵结构的迎水侧，对第一封堵结构的稳定造成影响。
作为本发明的优选方案，所述第二检修通道为人字坡，所述第二检修通道内设置有第二排水沟。
作为本发明的优选方案，所述第二封堵结构为圆柱状或圆台状混凝土结构。
一种漫积式斜井运营期防突涌结构的施工方法，建立前述的漫积式斜井运营期防突涌结构，并包括如下步骤，
S1：确定斜井可能发生大型突涌水的位置，在斜井内该位置的下坡方向对斜井进行扩挖，得到扩挖段；
S2：在斜井内设置格栅，并通过锚杆将所述格栅与斜井锚固连接；
S3：在扩挖段设置第二封堵结构，并在第二封堵结构上预留第二排水通道；
S4：在斜井与正洞交叉位置设置第一封堵结构，并在第一封堵结构上预留第一检修通道和第一排水通道，在第一检修通道内安装第一防护门；
S5：若第一封堵结构和第二封堵结构之间出现泥沙淤积，则开挖第二检修通道。
采用上述方法，利用格栅阻挡突涌中的块石，突涌中的泥沙穿越格栅后，会漫积在第二封堵结构的迎水侧形成漫积体，第二封堵结构与漫积体形成的自然堰塞结构能够起到缓冲消能的作用，防止突然、集中、大规模的突涌击穿第一封堵结构造成安全事故。在第一封堵结构与第二封堵结构施工完成后，通过观察第一封堵结构与第二封堵结构之间是否出现泥沙淤积判断是否需要开挖第二检修通道，能够节约施工成本。
作为本发明的优选方案，当所述第二封堵结构为圆台状混凝土结构时，所述第二封堵结构的极限承载力Fmax为：
其中，Fmax为第二封堵结构极限承载力，单位kN；
c为第二封堵结构的等效粘聚力，单位MPa；
R1为斜井横断面的直径，单位m；
μ为第二封堵结构与围岩之间的摩擦系数；
β为所述第二封堵结构的外扩角，取值10°～30°；
R2为第二封堵结构底面的直径，单位m。
上述方案提供的公式反映了第二封堵结构的极限承载力与第二封堵结构的外扩角、第二封堵结构底面直径之间的关系，参照上述公式对斜井进行扩挖，能够实现调整第二封堵结构的尺寸，达到改变第二封堵结构的极限承载力的目的。
作为本发明的优选方案，所述S1中，对斜井进行扩挖时，预先计算Fmax并调整β与R2的数值，根据Fmax大于F时的β和R2的数值进行扩挖，其中，F 为第二封堵结构所受到的冲击载荷。
通过调整β与R2的数值使得第二封堵结构的极限承载力大于突涌发生时其所受到的冲击载荷F，能够保证突涌发生后，隧道正洞的运营不受影响。第二封堵结构所受到的冲击载荷F可以通过地勘资料的涌水量计算得出。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、采用本发明提供的漫积式斜井结构，能够利用突涌中的泥沙形成的漫积体和第二封堵结构形成一个自然堰塞结构，漫积体中的泥沙可以起到缓冲消能作用，整个堰塞体形成拦挡效果，能够应对因斜井的衬砌开裂失修后发生的较大突涌。
2、本发明利用格栅钢架拦挡初期块石对封堵结构的冲击，避免影响第二封堵结构的稳定性。
3、发明中的第一排水通道与第二排水通道均高于斜井的地面，能够避免高水压对封堵结构的作用。
4、本发明的漫积式斜井结构设置有第一检修通道与第二检修通道，可随时查看和处理漫积体及漫积体背后的积水，避免漫积体对第二封堵结构施加过大的压力。
5、给出了第二封堵结构与第二封堵结构尺寸之间的关系，便于通过调整第二封堵的结构尺寸使第二封堵结构的极限承载力能够满足要求。
附图说明
图1是本发明的漫积式斜井结构在竖直平面的示意图；
图2是本发明的漫积式斜井结构在水平平面的示意图；
图3是第二封堵结构为圆台状时，漫积式斜井结构的示意图；
图4是第一封堵结构的断面示意图；
图5是形成漫积体后的示意图；
图6是设置多个第二封堵结构的示意图；
图7是临界破坏状态下第二封堵结构的受力示意图；
图8是围岩对第二封堵结构作用力的分解示意图。
图标：1-斜井；11-第一排水沟；2-正洞；3-第一封堵结构；31-第一排水通道；32-第一检修通道；33-第一防护门；34-台阶；4-格栅；5-第二封堵结构；51- 第二排水通道；6-第二检修通道；61-第二防护门；62-第二排水沟；7-锚杆；8- 漫积体；9-断层。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
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。
实施例1
一种漫积式斜井运营期防突涌结构，利用突涌中的泥沙形成漫积体，通过漫积体起到对突涌的缓冲作用。如图1与图2所示，漫积式斜井结构包括第一封堵结构3、第二封堵结构5以及格栅4，第一封堵结构3与第二封堵结构5均为混凝土结构。第一封堵结构3位于斜井1与正洞2相交的一端，斜井1的另一端还设置有钢架结构的若干格栅4，格栅4通过锚杆7与斜井1连接，用于阻挡突涌中的大块石。格栅4与第一封堵结构3之间还设置有嵌于斜井1中的第二封堵结构5，第二封堵结构5与格栅4之间的间距为5m至10m。第二封堵结构5可以是图2中所示的圆柱状结构，也可以是图3中所示的圆台状结构，第二封堵结构5为圆台状时，第二封堵结构5的迎水侧为其直径较大的底面。如图4所示，斜井1的地面设置有第一排水沟11，第一排水沟11穿过第一封堵结构3与第二封堵结构5后与正洞2连通。突涌发生后，突涌中的水流从第一排水沟11流入正洞2的排水系统中，突涌中的大块石被格栅4阻挡，突涌中的泥沙穿过格栅4后漫积在第二封堵结构5的迎水侧形成漫积体8，如图5所示，漫积体8与第二封堵结构5形成自然堰塞体，对后续的突涌起到拦挡、缓冲消能的作用。
为了避免第一封堵结构3与第二封堵结构5承受较大的受力，在第一封堵结构3设置有多个沿斜井1长度方向的第一排水通道31，在第二封堵结构5设置有多个沿斜井1长度方向的第二排水通道51，通过在第一封堵结构3增设第一排水通道31，能够加速排出第一封堵结构3迎水侧的积水，同理，第二排水通道51能够加速排出第二封堵结构5迎水侧的积水。第一排水通道31与第二排水通道51均高于斜井1的地面，通过合理设置第一排水通道31与第二排水通道51在高度方向的位置，使积水到达第一排水通道31或第二排水通道51位置的高度后，能够快速排出，避免较大压力长时间作用于第一封堵结构3或第二封堵结构5上，保证了第一封堵结构3与第二封堵结构5的稳定性。
当第一封堵结构3与第二封堵结构5之间也存在泥沙淤积后，需要对第二封堵结构5迎水侧的漫积体8进行清理。因此，在第一封堵结构3上设置有第一检修通道32，以便于进入斜井1中观察第一封堵结构3与第二封堵结构5之间是否出现泥沙淤积，第一检修通道32设置有第一防护门33，第一检修通道 32的入口与出口可设置台阶34。为便于对第二封堵结构5迎水侧形成的漫积体 8进行清理，如图1与图2所示，在斜井1上方开挖有第二检修通道6，第二检修通道6的一端位于第一封堵结构3与第二封堵结构5之间，第二检修通道6 的另一端位于格栅4的迎水侧，使得人员能够从正洞2由第一检修通道32进入斜井1内，之后由第二检修通道6到达格栅4的迎水侧对石块与漫积体8进行清理，第二检修通道6内设置有第二排水沟62以及第二防护门61。为了保证斜井1顶部结构的稳定，如图1与图2所示，第二检修通道6在竖直方向与水平方向上均与斜井1相互错开。
为了进一步提高斜井1结构抵抗突涌冲击的能力，可在斜井1内设置多个第二封堵结构5，如图6所示，此时第二检修通道6的下端开口设置于第一封堵结构3与最下方的第二封堵结构5之间。
实施例2
一种漫积式斜井运营期防突涌结构的施工方法，包括如下步骤：
S1：根据地勘资料确定斜井1内可能发生大型突涌水的位置，如断层9或岩溶管道所在位置；之后在斜井1内该位置的下坡方向对斜井1的周面进行扩挖，得到扩挖段，扩挖段用于浇筑第二封堵结构5。
S2：在斜井1内通过锚杆7锚固若干格栅4。具体的，格栅4的数量不少于两个，以三个为宜。
S3：在扩挖段浇筑混凝土得到第二封堵结构5并预留若干第二排水通道51。
S4：在斜井1与正洞2交叉位置设置第一封堵结构3，第一封堵结构3预留排水通道，之后在第一封堵结构3处设置第一检修通道32、第一防护门33以及台阶34。
具体的，第一封堵结构3采用混凝土浇筑成型，浇筑时，在第一封堵结构3 预留各孔洞结构，待第一封堵结构3成型后，在第一检修通道32安装第一防护门33。
本实施例实际还提供了一种漫积式斜井运营期防突涌结构的防突涌方法，采用S1-S4施工得到的漫积式斜井结构，当正洞隧道运营后，定期穿过第一检修通道32，对第一封堵结构3和第二封堵结构5之间的斜井段进行检查，若发现第一封堵结构3与第二封堵结构5之间存在泥沙淤积，则在斜井1的上方开挖第二检修通道6连通第二封堵结构5的上游与下游，以便于进行疏排积水与泥沙，并在第二检修通道6设置第二防护门61，以防止突涌水进入第二检修通道6。
本实施例还提供了第二封堵结构5为圆台状的混凝土结构时，步骤S1中确定斜井1扩挖量的方法：
当发生突涌时，冲击荷载对第二封堵结构5的作用力逐渐增大时，第二封堵结构5与围岩接触面压力和摩阻力随之增加，混凝土结构内部抗剪强度无法克服围岩的反向作用，第二封堵结构5内部(沿洞周)出现破裂并发展至全面贯通。此时第二封堵结构5的极限承载力Fmax是由第二封堵结构5破裂面抗剪强度决定的极限摩阻力。如图7所示，根据第二封堵结构临界破坏状态下破裂面极限平衡有：
Fmax＝τ·A1 (式1)
式中，Fmax为第二封堵结构极限承载力(kN)；τ为混凝土容许剪应力，可根据《铁路隧道设计规范》(TB10003)按照混凝土强度等级进行取值(kPa)； A1为第一封堵结构外侧受压总面积，A1＝πR1 2/4，R1为斜井横截面的直径。
同时，结合图8中对第二封堵结构受到的来自围岩的力学分析得到：
式中，μ为第二封堵结构与围岩之间的摩擦系数，取μ＝1.0；β为第二封堵结构的外扩角(°)，即母线与自身轴线形成的夹角，β可取10～30°；T为围岩作用在第二封堵结构上的水平分力；A2第二封堵结构内部破裂面总面积，
冲击荷载逐渐增大的过程中，封堵结构环向压应力随之增大，其破裂面混凝土抗剪强度得以增强，两者关系遵循摩尔-库伦准则：
式中c为混凝土结构等效粘聚力，可取c＝2.0MPa；
根据式1至式3可得：
在对斜井1进行扩挖时，式4右端仅有β与R2为未知量。由式4可知，第二封堵结构5的极限承载力与自身结构中的β以及R2的取值有关，根据实际情况中对第二封堵结构5的极限承载力Fmax的要求(突涌发生时，Fmax应大于第二封堵结构5所受到的冲击载荷F)，选取合理的β、R2取值，使该取值下计算得到的Fmax大于F，并根据该取值完成对斜井1的扩挖工作。
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 (10)
1.一种漫积式斜井运营期防突涌结构，斜井(1)内靠近正洞(2)的一端设置有第一封堵结构(3)，所述斜井(1)地面设置有沿所述斜井(1)长度方向延伸的第一排水沟(11)，其特征在于，所述斜井(1)的另一端设置有格栅(4)，所述格栅(4)与所述第一封堵结构(3)之间设置有第二封堵结构(5)，所述第二封堵结构(5)嵌入所述斜井(1)，所述第二封堵结构(5)用于阻挡突涌水。
2.根据权利要求1所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构，其特征在于，所述第二封堵结构(5)嵌入所述斜井(1)1～2m。
3.根据权利要求1所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构，其特征在于，所述第一封堵结构(3)设置有沿斜井(1)方向的第一排水通道(31)，所述第二封堵结构(5)设置有沿斜井(1)方向的第二排水通道(51)；所述第一排水通道(31)与所述第二排水通道(51)的位置高于所述斜井(1)的地面。
4.根据权利要求1所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构，其特征在于，所述第二封堵结构(5)的数量为至少一个。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构，其特征在于，所述第一封堵结构(3)设置有第一检修通道(32)，所述第一检修通道(32)连通正洞(2)与斜井(1)，所述第一检修通道(32)设置有第一防护门(33)；斜井(1)连接有第二检修通道(6)，所述第二检修通道(6)的两端均与所述斜井(1)连通，所述第二检修通道(6)设置有第二防护门(61)；所述第二检修通道(6)的一端位于所述第一封堵结构(3)与所述第二封堵结构(5)之间，所述第二检修通道(6)的另一端位于所述格栅(4)的迎水侧。
6.根据权利要求5所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构，其特征在于，所述第二检修通道(6)为人字坡，所述第二检修通道(6)内设置有第二排水沟(62)。
7.根据权利要求5所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构，其特征在于，所述第二封堵结构(5)为圆柱状或圆台状混凝土结构。
8.一种漫积式斜井运营期防突涌结构的施工方法，其特征在于，建立如权利要求7所述的漫积式斜井运营期防突涌结构，并包括如下步骤，
S1：确定斜井(1)可能发生大型突涌水的位置，在斜井(1)内该位置的下坡方向对斜井(1)进行扩挖，得到扩挖段；
S2：在斜井(1)内设置格栅(4)，并通过锚杆(7)将所述格栅(4)与斜井(1)锚固连接；
S3：在扩挖段设置第二封堵结构(5)，并在第二封堵结构(5)上预留第二排水通道(51)；
S4：在斜井(1)与正洞(2)交叉位置设置第一封堵结构(3)，并在第一封堵结构(3)上预留第一检修通道(32)和第一排水通道(31)，在第一检修通道(32)内安装第一防护门(33)；
S5：若第一封堵结构(3)和第二封堵结构(5)之间出现泥沙淤积，则开挖第二检修通道(6)。
9.根据权利要求8所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构的施工方法，其特征在于，当所述第二封堵结构(5)为圆台状混凝土结构时，所述第二封堵结构(5)的极限承载力Fmax为：
其中，Fmax为第二封堵结构极限承载力，单位KN；
c为第二封堵结构的等效粘聚力，单位MPa；
R1为斜井横断面的直径，单位m；
μ为第二封堵结构与围岩之间的摩擦系数；
β为所述第二封堵结构的外扩角，取值10-30°；
R2为第二封堵结构底面的直径，单位m。
10.根据权利要求9所述的一种漫积式斜井运营期防突涌结构的施工方法，其特征在于，所述S1中，对斜井(1)进行扩挖时，预先计算Fmax并调整β与R2的数值，根据Fmax大于F时的β和R2的数值进行扩挖，其中，F为第二封堵结构(5)所受到的冲击载荷。
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