一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，在低于隧道洞身段的旁側設有平行導坑，平行導坑通過若干橫通道連通隧道；隧道洞口段形成超細水泥全斷面注漿封堵固結圈；封堵固結圈之外低于洞口位置兩側設有兩個傾斜的泄水孔；平行導坑的至少一端通過一個傾斜設置的泄水洞連通隧道外部。本實用新型根據高海拔嚴寒地區隧道運營風流動的特點，利用施工期先行開挖的，低于正線隧道位置的平行導坑，實現正線隧道底部深埋保溫橫向排水，配合隧道縱向倒“V”形排水管加大隧道圍巖水的下泄；隧道內水通過“定向鉆擴孔技術”形成的小洞徑、大坡度泄水孔配合中部平行導坑實現高海拔嚴寒富水長隧道的順利排水，確保隧道結構的安全、穩定。
【專利說明】一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構
【【技術領域】】
[0001]本實用新型涉及土木工程行業的隧道和地下工程【技術領域】，具體涉及一種高海拔嚴寒富水隧道的防凍排水結構。
【【背景技術】】
[0002]我國及歐美日本等國寒冷地區的鐵路、公路隧道的使用情況調查表明，寒冷地區修建隧道的主要難點是隧道的防凍抗凍問題。日本道路公團和日本鐵道綜合技術研究所最近的統計表明，日本全國3800座鐵路隧道中有1100座因凍害原因，在冬季運營期間危及到行車安全；公路隧道中，僅北海道地區的302座大型公路隧道中發生嚴重凍害的就達104座，為消除側墻壁冰和拱部冰柱，作為整治措施之一，在較多隧道設置了電加熱裝置，投入的整治費用十分驚人。寒冷地區隧道而形成凍害原因除了地質條件、施工影響和結構類型因素外，其前提條件是負溫和水。如果隧道排水系統不通暢，襯砌背后有水就會產生凍脹。水在發生相變時(由水變成冰)體積要增大9%，當體積膨脹受到約束時將產生強大的凍脹力，從資料上來看，凍脹力數值可以大的驚人，因而寒區隧道的凍害主要是排水防凍問題，如能將襯砌背后圍巖中的地下水排除，則凍害要大減輕或消除。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型的目的在于提供一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，以解決高海拔嚴寒富水長隧道冬季因排水系統不通暢，襯砌背后積水造成凍脹而影響使用的問題。 [0004]為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0005]一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，在低于隧道洞身段的旁側設有平行導坑，平行導坑通過若干橫通道連通隧道；平行導坑的至少一端通過一個傾斜設置的泄水洞連通隧道外部。
[0006]本實用新型進一步的改進在于，隧道洞口形成有超細水泥全斷面注漿封堵固結圈；封堵固結圈之外低于洞口位置兩側設有兩個傾斜的泄水孔。
[0007]本實用新型進一步的改進在于，封堵固結圈的厚度為3-5m。
[0008]本實用新型進一步的改進在于，泄水孔、橫通道、泄水洞與水平面的夾角均大于千分之十二度。
[0009]本實用新型進一步的改進在于，平行導坑設置在隧道動身段水流上游且低于隧道正線的位置；平行導坑的直徑小于隧道的直徑。
[0010]本實用新型進一步的改進在于，隧道洞身段縱向設有若干倒V形縱向排水管，所述倒V形縱向排水管連通若干環形盲管；倒V形縱向排水管的最低點采用垂直孔同隧道底部橫向泄水孔相連，所述橫向泄水孔傾斜連通所述平行導坑。
[0011]本實用新型進一步的改進在于，泄水洞一端連接平行導坑端部的V型變斷面落水坑，另一端連通隧道外部；所述泄水洞的直徑小于平行導坑的直徑。[0012]本實用新型進一步的改進在于，隧道全長采用人字型縱坡。
[0013]本實用新型進一步的改進在于，平行導坑全長采用人字型縱坡。
[0014]本實用新型進一步的改進在于，隧道洞口向內300m為洞口段。
[0015]相對于現有技術，本實用新型具有以下有益效果:
[0016]本實用新型中洞口段埋深淺采用超細水泥全斷面注漿封堵固結卸荷巖體空隙和裂隙，封堵地下水；同時，在隧道洞口淺埋強卸荷段采用“定向鉆擴孔技術”由隧道口低于隧道洞底的注漿加固圈外側位置施作兩泄水減壓孔，減少注漿加固區外水壓力對隧道和注漿加固段的壓力，確保隧道該段處于低水壓甚或無水壓環境；以上兩種措施相結合，可滿足洞口段凍脹層范圍內無可凍脹水的要求，實現洞口低溫條件下襯砌后面少水甚或無水，確保隧道洞口襯砌運營安全。
[0017]本實用新型中在隧道洞身深埋富水段采用施工期先行施工的位于隧道來水方向一側，低于正線隧道的平行導坑，形成兩端非貫通的大坡度集水通道。充分利用了大斷面富水隧道施工期加快進度而采取的先行平行導坑，實現了臨時工程的永-臨結合的效果。
[0018]本實用新型在隧道深埋洞身段取消了隧道中部的深埋水溝，變縱向排水為向平行導坑的橫向大坡度排水，實現了深埋、大坡度快速排水的效果，消除了因隧道中部深挖水溝施工造成的隧道仰拱不能及時封閉，安全性差，且施工質量難以保證的特點。取消隧道中部的深埋水溝，隧道兩側縱向排水管采用倒“V”字型布置，加大縱向水的小流坡度，加快水的流速；“v”字型縱向排水低點采用垂直孔同隧道底部橫向大坡度泄水孔相連。
[0019]本實用新型平行導坑同隧道均采用人字形坡，在平行導坑端部形成“V”型變斷面落水坑；落水坑下部同大坡度泄水孔相連。洞內積水由洞外平行導坑位置之下采用“定向鉆擴孔技術”形成的大坡度泄水洞，泄水洞通過平行導坑端部“V”型變斷面落水坑同平行導坑相連，利用“大斷面變小斷面增加水流速度”、“加大排水坡度加快流速”原理，實現高海拔嚴寒富水長隧道的冬季防凍排水的順利進行。
[0020]本實用新型通過全斷面注漿堵水加固，水流方向低于正線隧道的平行導坑集水，大斷面變小斷面加快水流速度，大坡度落差加快水流動結構，確保高海拔嚴寒富水隧道冬季隧道地下水的順暢排泄，防止因地下水的排泄不暢導致的隧道結構凍脹破壞和隧道延冰堵塞隧道。本實用新型對確保嚴寒富水隧道的快速施工和運營期的結構安全、質量等方面都有可觀的價值。將富水長隧道施工期的平行導坑變為隧道永久性排水工程的一部分，實現高海拔嚴寒富水長隧道“永-臨”結合的防凍排水結構。
[0021]本實用新型充分利用長隧道中部深埋段圍巖內部水溫正值的特點，根據高海拔嚴寒地區隧道運營風流動的特點，利用施工期先行開挖的，低于正線隧道位置的平行導坑，實現正線隧道底部深埋保溫橫向排水，配合隧道縱向倒“V”形排水管加大隧道圍巖水的下泄；隧道內水通過“定向鉆擴孔技術”形成的小洞徑、大坡度泄水洞配合中部平行導坑實現高海拔嚴寒富水長隧道的順利排水，確保隧道結構的安全、穩定。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0022]圖1是本實用新型一種高海拔嚴寒富水長隧道永臨結合的防凍排水結構中隧道全程分段及排水俯視示意圖。
[0023]圖2是沿圖1中16-16線所剖視的隧道洞口淺埋段注漿封堵及排水示意圖。[0024]圖3是洞口段排水示意圖。
[0025]圖4是隧道深埋富水段縱向倒“V”型排水系統圖。
[0026]圖5是隧道深埋段圍巖中裂隙水排向平行導坑示意圖。
[0027]圖6是平行導坑向外排水系統的示意圖。
【【具體實施方式】】
[0028]請參閱圖1至圖6所示，本實用新型一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，采用以下幾種防水排水的結構，解決高海拔嚴寒富水隧道因排水系統不通暢，襯砌背后積水造成凍脹而影響使用的問題。高海拔一般指平均海拔3000m以上的地區，嚴寒一般指冬季最寒冷的一個月份平均氣溫低于_15°C。
[0029]1、隧道根據埋深區分為洞口段和洞身深埋段。洞口段取隧道洞口向內300m;其余為洞身段，如圖1中1-2段為洞口段，2-4段為洞身段；圖1中只畫出隧道一半，另一半未圖示。洞口段由于臨空卸荷或因淺埋造成巖體裂隙發育，易受地表水的影響，易發生凍脹。洞身富水地段圍巖軟弱，在施工中采用小斷面平行導坑(6-7)先行貫通，平行導坑可多開工作面，加快進尺的目標。在隧道該段充分利用該平行導坑作為運營積水和隧道富水段的排水通道；該結構/方法充分利用隧道圍巖裂隙水正溫特性，避免了隧道中部排水中因隧道風洞導致的排水過程中水溫下降而造成凍結現象。
[0030]2、洞口淺埋卸荷風化段采用超細水泥注漿封堵技術，在隧道洞口段一周3_5m范圍內形成超細水泥全斷 面注漿封堵固結圈(22，如圖2所示)，封堵圍巖和地表地下；在封堵固結圈之外，由洞口處全斷面帷幕注漿封堵固結圈之外低于洞口位置兩側采用定向鉆擴孔技術形成兩個大坡度泄水孔(19-17)，如圖3所示泄水孔(19-17)與水平面的夾角18大于千分之十二度，根據具體地形和距離，該角度越大越好，越有利于加快水流速度，使水盡快排出隧道。兩側泄水孔(19-17)用于快速將封堵固結圈之外圍巖中的地下水排泄排出至隧道外，減小封堵固結圈上的水壓力，滿足洞口段凍脹層范圍內無可凍脹水的要求。
[0031]3、隧道全長采用“人”字型縱坡。利用施工期臨時平行導坑(6-7)形成隧道圍巖積水洞；平行導坑設置在隧道富水段水流上游且低于正線，其在隧道施工期可先行匯水、降水。隧道運營期間，隧道路面水等進入隧道襯砌內的水由施工時的橫通道(圖1中2-6、8-11、9-12、10-13、3-14和4_7所示)大坡度進入平行導坑；橫通道與水平面的夾角大于千分之十二度，該角度越大越好，越有利于加快水流速度。采用隧道來水方向一側低于正線隧道的平行導坑，形成兩端非貫通的大坡度集水通道。其充分利用了大斷面富水隧道施工期加快進度而采取的先行平行導坑，實現了臨時工程的永-臨結合的效果。
[0032]4、在隧道洞身富水段，取消中心深埋水溝，變縱向排水為向平行導坑的橫向大坡度排水，實現了深埋、大坡度快速排水的效果，消除了因隧道中部深挖水溝施工造成的隧道仰拱不能及時封閉，安全性差，且施工質量難以保證的特點。隧道縱向排水如圖4所示，兩側縱向排水管采用倒“V”字型布置，加大縱向水的小流坡度，加快水的流速；倒“V”字型縱向排水管的最低點(8、21)采用垂直孔同隧道底部橫向大坡度泄水孔(23-24)相連，橫向大坡度泄水孔與水平面的夾角大于千分之十二度，該角度越大越好，越有利于加快水流速度。采用“定向鉆擴孔技術”形成大坡度泄水孔(23-24);多條環形盲管收集的水匯集到倒“V”字型縱向排水管，倒“V”字型縱向排水管快速將水排向最低點(8、21)，通過垂直孔和橫向大坡度泄水孔(23-24)快速排至平行導坑內。利用加大排水坡度加快流速和縱向低于凍脹層大坡度排水孔方法，實現富水段圍巖裂隙水快速向平行導坑匯集的目的。
[0033]5、由洞外平行導坑位置之下采用“定向鉆擴孔技術”形成的大坡度泄水洞(6-15);泄水洞通過平行導坑端部“V”型變斷面落水坑同平行導坑相連，泄水洞的直徑小于平行導坑的直徑，平行導坑中的水通過端部的“V”型變斷面落水坑流入泄水洞，由于泄水洞直徑小于平行導坑，加速水在泄水洞中的流速，隧道洞身段匯集入平行導坑的水最終通過泄水洞排除隧道外；利用“大斷面變小斷面增加水流速度”、“加大排水坡度加快流速”原理，實現高海拔嚴寒富水長隧道的冬季防凍排水的順利進行。大坡度泄水洞(6-15)與水平面的夾角20大于千分之十二度，該角度越大越好，越有利于加快水流速度；泄水洞的直徑小且水流速度快，隧道外的冷風難以通過泄水洞進入平行導坑，進一步保證平行導坑中水流為正溫不會結冰凍脹。
【權利要求】
1.一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，在低于隧道洞身段的旁側設有平行導坑，平行導坑通過若干橫通道連通隧道；平行導坑的至少一端通過一個傾斜設置的泄水洞連通隧道外部。
2.根據權利要求1所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，隧道洞口形成有超細水泥全斷面注漿封堵固結圈；封堵固結圈之外低于洞口位置兩側設有兩個傾斜的泄水孔。
3.根據權利要求2所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，封堵固結圈的厚度為3-5m。
4.根據權利要求2所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，泄水孔與水平面的夾角大于千分之十二度。
5.根據權利要求1所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，平行導坑設置在隧道動身段水流上游且低于隧道正線的位置；平行導坑的直徑小于隧道的直徑。
6.根據權利要求1所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，隧道洞身段縱向設有若干倒V形縱向排水管，所述倒V形縱向排水管連通若干環形盲管；倒V形縱向排水管的最低點采用垂直孔同隧道底部橫向泄水孔相連，所述橫向泄水孔傾斜連通所述平行導坑。
7.根據權利要求1所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，泄水洞一端連接平行導坑端部的V型變斷面落水坑，另一端連通隧道外部；所述泄水洞的直徑小于平行導坑的直徑。
8.根據權利要求1所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，隧道全長采用人字型縱坡。
9.根據權利要求2所述的一種高海拔嚴寒富水隧道永臨結合的防凍排水結構，其特征在于，平行導坑全長采用人字型縱坡。
【文檔編號】E21F16/02GK203685289SQ201320681644
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】宋戰平, 袁馳宇, 趙冰, 崔玉明, 孟慶信 申請人:西安建筑科技大學