CN114991811B - 一种岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法 - Google Patents

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Abstract

一种岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，包括以下步骤：确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况；对隧道穿越暗河区段纵向分区设防；调整暗河交叉段的暗河水路，设置倒虹吸排水结构；采取多道防线、层层设防的方法对抗水压加固段进行衬砌结构加固设计；采取衬砌监测预警、限压限量排放方法进行防排水结构设计。本发明的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，适用于隧道横穿或斜穿暗河及富水溶腔，可以为隧道的长期结构安全与地下水生态环境提供保障，对隧道运营安全有着重要的现实意义。

Description

一种岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法
技术领域
本发明涉及隧道结构设计与防排水技术领域，特别是涉及一种岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法。
背景技术
我国岩溶地貌分布广泛，区域地下岩溶管道、暗河水系十分发达，对于大量已建成岩溶隧道而言，在持续降雨条件下，隧址区地下水位快速升高，尤其是穿越暗河区段隧道涌水量显著增大，容易造成衬砌结构变形、开裂、渗漏水，甚至引发大面积结构垮塌，严重影响隧道运营安全。
岩溶隧道水文地质条件复杂，暗河水系补径排规律难以探测，目前对于隧道穿越暗河区段通常采用增大衬砌结构的刚度以及增设泄水洞排水的处治方法，然而增大钢筋混凝土衬砌的刚度在一定程度上能够提高结构抗水压能力，但这种做法会造成建设成本过高且无法适应极端强降雨条件下暗河水系变化，同时过多的地下水通过泄水洞排出隧道会对隧址区生态环境造成灾难性影响。因此需要一种新的符合工程实际同时更加安全可靠的结构设计与防排水方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，通过暗河地质调查、纵向分区设防、调整水路（抬高或降低过水通道高程）、抗水压结构加固设计、监测及限压排放等进行综合处治，为隧道的长期结构安全与地下水生态环境提供保障。
为了实现上述目的，本发明提供的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，包括以下步骤：
确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况；
对隧道穿越暗河区段纵向分区设防；
调整暗河交叉段的暗河水路，设置倒虹吸排水结构；
采取多道防线、层层设防的方法对抗水压加固段进行衬砌结构加固设计；
采取衬砌监测预警、限压限量排放方法。
进一步地，所述确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况的步骤，包括，采用地质调查、测量手段进行暗河调查，确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况，并绘制暗河地形平面图与典型剖面图。
进一步地，所述对隧道穿越暗河区段纵向分区设防的步骤，包括，将隧道穿越暗河区段进行纵向分为暗河交叉段、抗水压加固段、一般衬砌段三个区段；针对不同区段防水特点，采取分区防排水的设计措施，将水控制在暗河交叉段以及抗水压加固段。
进一步地，所述暗河交叉段为暗河与隧道直接交叉段落；所述抗水压加固段为暗河交叉段两侧邻接各40~60米长度范围；所述一般衬砌段为隧道其它段落。
进一步地，所述调整暗河交叉段的暗河水路，设置倒虹吸排水结构的步骤，包括，隧道两侧临水面设置堵水墙；以维持暗河原水路为主，设置集水井、过水管涵连接暗河上游及暗河下游；衬砌结构与过水管涵之间设置加固底座；隧道衬砌结构两侧设置检修通道。
进一步地，所述集水井宽度、深度设计应考虑砂和淤泥容量，并在集水井侧壁设置人行爬梯；所述过水管涵断面设计应充分考虑雨季暗河水路最大排水量，并且需要大于暗河原水路最小过水断面；所述加固底座应根据暗河达最大排水量时过水管涵的水压进行确定；所述检修通道应便于隧道长期运营过程中人员进出检修及清淤工作。
进一步地，所述采取多道防线、层层设防的方法对抗水压加固段进行衬砌结构加固设计的步骤，包括，由外至内依次设计注浆堵水层、滞水缓冲层、衬砌结构。
进一步地，所述注浆堵水层，还包括在隧道衬砌外围设置的注浆堵水圈；所述滞水缓冲层，包括轻骨料、在隧道拱脚处纵向每隔一段距离设置的连接滞水缓冲层与隧道两侧边沟的横向盲管；所述衬砌结构，采用防水钢筋混凝土，根据暗河区段预测最大水压力，采用荷载结构法进行衬砌结构内力计算和验算，提出衬砌结构厚度与配筋。
更进一步地，所述采取衬砌监测预警、限压限量排放方法的步骤，包括，隧道穿越暗河区段衬砌结构内预埋渗压计传感器进行长期水压监测；在暗河交叉段预埋应急排水管，通过法兰连接至抗水压加固段；抗水压加固段预留洞室，预留洞室内设置控压装置，应急排水管通过预留洞室连接隧道中心排水沟。
本发明的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，与现有技术相比较，具有如下的有益效果：
通过调整暗河水路，设置一种可清淤维护的暗河交叉段-倒虹吸排水结构，最大限度地保护地下水生态系统；
优化衬砌结构承受地下水荷载作用型式与大小，构建隧道纵向防水屏障，避免极端降雨条件下结构由于外力突增而引发局部垮塌，进而保障隧道结构安全与车辆运营安全。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法流程图；
图2为根据本发明的隧道穿越暗河段落纵向分区设防示意图；
图3为根据本发明的暗河交叉段-倒虹吸排水结构示意图；
图4为根据本发明的抗水压结构加固设计断面示意图；
图5为根据本发明的水压监测预警断面布置示意图；
图6为根据本发明的应急排水管布置平面示意图；
图7为根据本发明的应急排水管布置断面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为根据本发明的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法流程图，下面将参考图1，对本发明的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法进行详细描述。
在步骤101，确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况。
在本发明实施例中，采用地质调查、测量等手段，确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况等，绘制暗河地形平面图与典型剖面图。
在步骤102，对隧道穿越暗河区段纵向分区设防。
在本发明实施例中，将暗河与隧道直接交叉段落定义为暗河交叉段，该区段隧道渗漏水频率高，衬砌结构承受较大水头压力，结构裂损及长期运营安全风险极高；地下水会沿隧道纵向串通，从岩溶管道、围岩裂隙等薄弱部位渗流，造成隧道穿越暗河区段防治难度极大，为保障邻接暗河河道两侧的隧道衬砌结构安全以及防止隧道一般衬砌段承受较大地下水压力，将暗河交叉段两侧邻接各40~60米长度范围定义为抗水压加固段；将隧道其它段落定义为一般衬砌段。
针对不同区段防水特点，采取分区防排水的设计措施，将水控制在暗河交叉段以及抗水压加固段。
在步骤103，调整暗河交叉段的暗河水路，设置倒虹吸排水结构。
在本发明实施例中，调整穿越段落暗河水路，针对暗河与隧道空间关系及暗河的发育形态、规模、水压、流量等情况，通过抬高或降低过水通道高程，设置暗河交叉段-倒虹吸引排水结构。
具体地，在隧道两侧临水面设置堵水墙，防止地下水流渗透影响衬砌结构；
以维持暗河原水路为主，设置集水井、过水管涵连接暗河上游及暗河下游，集水井宽度、深度设计应考虑一定的砂和淤泥容量，并在集水井侧壁设置人行爬梯，方便人员下井开展清淤工作；过水管涵断面设计应充分考虑雨季暗河水路最大排水量，并且需要大于暗河原水路最小过水断面；
衬砌结构与过水管涵之间设置加固底座，加固底座根据暗河达最大排水量时过水管涵的水压进行确定，采取50cm厚混凝土浇筑；
隧道衬砌结构两侧设置检修通道，检修通道应便于隧道长期运营过程中人员进出检修及清淤工作，防止因砂和淤泥累积造成集水井、过水管涵堵塞。
在步骤104，采取多道防线、层层设防的方法对抗水压加固段进行衬砌结构加固设计。
在本发明实施例中，针对抗水压加固段，采取多道防线、层层设防的方法进行衬砌结构加固设计，由外至内依次包括注浆堵水层、滞水缓冲层、衬砌结构。
对于注浆堵水层，在隧道衬砌外围通过小导管径向注浆的方式，设置3~5m厚度的注浆堵水圈，其主要作用是加固围岩，最大限度减少流向衬砌结构背后的总渗流量，同时构成纵向防水屏障，防止地下水沿岩溶发育管道、裂隙渗流影响一般衬砌段；
滞水缓冲层由陶土、砂砾石等轻骨料组成，材料自身具有吸水与蓄水作用，对透过注浆堵水层的地下水荷载作用型式进行转变，即将单点或多处集中荷载通过环形滞水效用转化为均布荷载，降低地下水对衬砌结构的影响；
在隧道拱脚处纵向每隔10米设置横向盲管，连接滞水缓冲层与隧道两侧边沟，当水量过大时，通过横向盲管将滞水缓冲层的积水排入排水边沟中，以保证衬砌结构安全；
衬砌结构采用防水钢筋混凝土，根据暗河区段预测最大水压力，采用荷载结构法进行衬砌结构内力计算和验算，提出衬砌结构厚度与配筋。
在步骤105，采取衬砌监测预警、限压限量排放方法。
在本发明实施例中，针对岩溶区隧道在极端强降雨条件下，可能引发隧址区地下水位迅速升高、暗河涌水量显著增大，对衬砌结构运营安全带来极大隐患的问题，采取衬砌监测预警、限压限量排放方法。
具体地，隧道穿越暗河区段衬砌结构内预埋渗压计传感器进行长期水压监测，设定长期水压监测阈值，所设阈值应不大于衬砌结构抗水压设计值；
在暗河交叉段预埋应急排水管，通过法兰连接至抗水压加固段；
抗水压加固段预留洞室，预留洞室内设置控压装置，应急排水管通过预留洞室连接隧道中心排水沟。
在本发明实施例中，当衬砌水压监测达到阈值，通过控压装置将预埋应急排水管的电动阀门打开，将水引入中心排水沟，并确保衬砌水压力降至阈值以下，以达到限压限量排放的目的。
图2为根据本发明的隧道穿越暗河段落纵向分区设防示意图，如图2所示，包括，暗河1；暗河交叉段2；抗水压加固段3；一般衬砌段4。
图3为根据本发明的暗河交叉段-倒虹吸排水结构示意图，如图3所示，包括，堵水墙5；检修通道6；集水井7；过水管涵8；加固底座9；人行爬梯10。
图4为根据本发明的抗水压结构加固设计断面示意图，如图4所示，包括，岩溶管道水11；注浆堵水层12；滞水缓冲层13；衬砌结构14；排水边沟15；横向盲管16。
图５为根据本发明的水压监测预警断面布置示意图，如图5所示，包括，渗压计17。
图6为根据本发明的应急排水管布置平面示意图，如图6所示，包括，中心排水沟18；应急排水管19；预留洞室20。
图7为根据本发明的应急排水管布置断面示意图，如图7所示，包括，中心排水沟18；应急排水管19；预留洞室20；控压装置21。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，其特征在于，包括以下步骤：
确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况；
对隧道穿越暗河区段纵向分区设防；
调整暗河交叉段的暗河水路，设置倒虹吸排水结构；
采取多道防线、层层设防的方法对抗水压加固段进行衬砌结构加固设计；
采取衬砌监测预警、限压限量排放方法进行防排水结构设计；
所述调整暗河交叉段的暗河水路，设置倒虹吸排水结构的步骤，包括，隧道两侧临水面设置堵水墙；以维持暗河原水路为主，设置集水井、过水管涵连接暗河上游及暗河下游；衬砌结构与过水管涵之间设置加固底座；隧道衬砌结构两侧设置检修通道；
所述采取多道防线、层层设防的方法对抗水压加固段进行衬砌结构加固设计的步骤，包括，由外至内依次设计注浆堵水层、滞水缓冲层、衬砌结构；
所述采取衬砌监测预警、限压限量排放方法进行防排水结构设计的步骤，包括，隧道穿越暗河区段衬砌结构内预埋渗压计传感器进行长期水压监测；在暗河交叉段预埋应急排水管，通过法兰连接至抗水压加固段；抗水压加固段预留洞室，预留洞室内设置控压装置，应急排水管通过预留洞室连接隧道中心排水沟。
2.根据权利要求1所述的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，其特征在于，所述确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况的步骤，包括，采用地质调查、测量手段进行暗河调查，确认隧道洞内横穿或斜穿暗河的走向、规模、高程、流量及围岩状况，并绘制暗河地形平面图与典型剖面图。
3.根据权利要求1所述的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，其特征在于，所述对隧道穿越暗河区段纵向分区设防的步骤，包括，将隧道穿越暗河区段进行纵向分为暗河交叉段、抗水压加固段、一般衬砌段三个区段；针对不同区段防水特点，采取分区防排水的设计措施，将水控制在暗河交叉段以及抗水压加固段。
4.根据权利要求3所述的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，其特征在于，所述暗河交叉段为暗河与隧道直接交叉段落；所述抗水压加固段为暗河交叉段两侧邻接各40~60米长度范围；所述一般衬砌段为隧道其它段落。
5.根据权利要求1所述的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，其特征在于，所述集水井宽度、深度设计应考虑砂和淤泥容量，并在集水井侧壁设置人行爬梯；所述过水管涵断面设计应充分考虑雨季暗河水路最大排水量，并且需要大于暗河原水路最小过水断面；所述加固底座应根据暗河达最大排水量时过水管涵的水压进行确定；所述检修通道应便于隧道长期运营过程中人员进出检修及清淤工作。
6.根据权利要求1所述的岩溶隧道穿越暗河区段的结构设计与防排水方法，其特征在于，所述注浆堵水层，还包括在隧道衬砌外围设置的注浆堵水圈；所述滞水缓冲层，包括轻骨料、在隧道拱脚处纵向每隔一段距离设置的连接滞水缓冲层与隧道两侧边沟的横向盲管；所述衬砌结构，采用防水钢筋混凝土，根据暗河区段预测最大水压力，采用荷载结构法进行衬砌结构内力计算和验算，提出衬砌结构厚度与配筋。
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