专利名称：隧道泄水沉沙施工结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及隧道施工领域，具体为一种隧道泄水沉沙池施工结构。
背景技术：
在石灰岩地区建设隧道，碰到的首要地质灾害便是突泥涌水，国内外地下工程界为此付出过惨痛的代价。包家山隧道地质构造特殊，地形呈凹陷状，围岩裂隙、溶隙发育，隧道处在岩溶蓄水构造中，与地表水连通性好，所以说岩溶隧道发生突泥涌水，与自然降雨有很大关系。经过分析论证，目前大多采用“地表整治与洞内堵水相结合”的治理方案，对洞顶地表实施河道铺砌，对斜(竖)井井身及洞口地表进行注浆堵水，取得了明显的成效。在完成河道铺砌后，原本长期干涸的河道能较长时间很好的排泄河道上游流水，长时间干旱后，河道水才断流。可见，在洞身灰岩裂隙发育、与地表连通性较好条件下，此措施较好的解决 了河道水渗流到洞内的问题，为隧道施工防灾、减灾起到重要作用，在后来的雨季中，造成斜井前涌水的重要涌水点，基本被阻断，均未出现大量涌水，斜井洞身上半部大面积渗流水的状况得到较大改善，竖井更是在后来的施工过程中没再发生涌水，证明了综合治理对施工所起到的重要作用。
但是，上述治理方案，仅仅保证了施工顺利。在实施正洞衬砌后，又出现新的问题隧道工程未施工前，原来的岩溶孔道已形成天然的通道，二次衬砌完成后，原有的排泄通道被隔断，岩溶孔道内的涌泥涌砂将纵向排水管、检查孔、检查井等排水系统淤塞或封堵，地下水无法排泄，导致地下水在二次衬砌背后聚集，形成了承压水，衬砌砼便在地下水的作用下局部出现开裂、位移等现象，进而危害隧道结构安全，无法保障正常运营。因此，维持水的排放或维持水的自然通道畅通是解决问题的关键。国内外岩溶隧道，为了保证结构稳定和正常运营，往往采用修筑泄水洞的办法由洞内向洞外低标高处排泄涌泥积水，虽然达到了目的，但明显存在诸多弊端，主要表现在泄水洞长度较长，一般是3 6km，施工时间较长，对隧道的按期通车不能保证，同时还存在长距离施工困难多、建设成本偏高、环保负面影响大等弊端。
发明内容
本发明为了解决常规泄水洞存在的施工周期长、投资高、环保负面影响大等弊端，提供一种新型的隧道泄水沉沙施工结构。本发明是采用如下技术方案实现的隧道泄水沉沙施工结构，包括设置于隧道两主洞之间、低于隧道设计标高、并且沿隧道中心线纵向设置的泄水沉沙洞室，每个泄水沉沙洞室内出口设有与隧道排水系统贯通的泄水沉沙池，泄水沉沙池两端设有反坡式出沙通道，沿泄水沉沙洞室内壁环向设置若干向外延伸的径向伞状泄水减压钻孔。采用本发明的结构设计，根据现场水文地质情况在隧道左右主洞岩溶路段纵向设置泄水沉沙洞室，在其壁面设置径向伞状泄水减压钻孔，将作用于主洞衬砌外的承压水吸引至泄水沉沙池内，泄水沉沙洞室的目的是给地下水以出路，以形成新的地下水循环，从而大大缓解或抵消了岩溶涌泥突水对隧道结构形成的危害。泄水沉沙池上部积水利用自然坡降流入隧道主洞排水系统的中心水沟，池中泥沙待上部积水抽干后，用出渣机械清理下部淤积的泥沙，经出沙通道由汽车装卸至规定弃碴场。为了进一步优化该施工结构，本发明还进行了以下结构改进，所述泄水沉沙池底部设有高低式平台结构，其中较高一侧为汽车运输台，另一侧为沉沙槽；该结构设计，一方面有利于大部分泥沙沉积在沉沙槽内，另一方面汽车等运输设备可停放或行走在运输平台上。平常季节，泄水沉沙池上部积水利用自然坡度流入隧道主洞中心水沟；每年枯水季节或定期，需将剩余积水抽干后，用装载车、出渣机等设备对沉沙槽中的泥沙进行清理、运输；所述泄水沉沙池与其两端的反坡式出沙通道在纵断面上呈凹形，泄水沉沙池坡度、出口端出沙通道及进口端出沙通道的坡度大小以满足泥沙有效容积(有效容积可根据隧道埋深、水文地质条件、岩溶发育条件等计算)及方便施工及运营为原则，本发明所述泄水沉沙池坡度小于0. 3%，出口端出沙通道的坡度为8%，进口端出沙通道的坡度为16%，该断面形状及坡度设计比较合理，是申请人经过多次实践及理论计算总结出来的，既有利于排泄隧道衬砌外的岩溶孔道中泥沙，也利于地下水的集中排放，而且施工方便；所述泄水减压钻孔环向X 纵向间距为2mX4m，钻孔长度为10 30m，起到了地下水的排放作用，减轻了主隧道的防水压力，该结构参数是申请人经过多次理论计算及实践经验总结出来的，如果钻孔长度太长，有可能对隧道衬砌结构或域外环境造成危害，如果钻孔长度较短，则无法缓解或抵消岩溶涌泥突水对隧道结构的影响。与现有技术相比，本发明所述沉沙洞室作为国内隧道中首先启用的结构措施，对涌泥涌砂治理及隧道按期通车起到了明显作用，主要从以下几个方面体现了其优越性
从工期方面看本结构施工长度较短，工期短，保证了隧道主洞按期通车，如若采用泄水洞排水，泄水洞长度要在6. 3km左右，需要的施工时间远远大于沉沙洞室施工时间，对隧道的按期通车不能保证；
从经济方面看沉沙洞室依既有横洞布设，其长度远小于泄水洞，工程投资成倍减少，既使考虑到多年的运营维护费用，也远小于泄水洞的一次性施工投入；
从技术方面看沉沙洞室长度小，断面大，短距离施工优势明显，而泄水洞长度大，断面小，长距离施工困难多，所以从技术上看，沉沙洞室要容易的多；
从使用效果看经实践验证，沉沙洞室投入运营以来，地表没有出现沉降，泄水通道也没有堵塞，隧道二衬结构没有发生变形，说明隧道结构处于稳定，保证了隧道运营通车的安全；
从环保效益看泄水洞将泥砂排泄于洞外自然河流中，造成的负面环保效应不言而喻；而沉沙池将泥砂沉淀于池内进行集中处理，其环保效果良好。总之，本发明有效的解决了岩溶涌泥突水对隧道结构及防排水体系的破坏作用，同时其实施过程中具有工期短、投资小、见效快及环保作用良好等优点，具有广泛的推广价值和使用价值，适用于岩溶地区隧道工程遭受涌泥涌沙危害，或水文地质复杂、地下水对隧道衬砌形成危害的特长隧道。
图I为本发明所述泄水沉沙洞室横断面示意图；图2为本发明所述泄水沉沙池及出沙通道的纵断面示意 图3为本发明所述泄水沉沙洞室与隧道左右主洞的纵向平面布置 图4为本发明所述泄水沉沙洞室与隧道左右主洞的横向平面布置图及泄水减压钻孔分布示意 图5为本发明所述工程实例二中泄水沉沙洞室与隧道左右主洞的纵向平面布置 图6为本发明所述工程实例二中泄水沉沙洞室与隧道左右主洞的横向平面布置图及泄水减压钻孔分布示意 图中1-隧道左主洞；2_隧道右主洞；3_泄水沉沙洞室；4_泄水沉沙池；5_反坡式出沙通道；6_泄水减压钻孔；7_汽车运输台；8_沉沙槽；9_车行横洞；10_人行横洞；11_临时施工通道；12_泄水通道；13_隧道排水系统。
具体实施例方式隧道泄水沉沙施工结构，如图3、4所示，包括间隔设置于隧道左主洞I和隧道右主洞2中间、低于隧道设计标高、并且沿隧道中心线纵向设置的泄水沉沙洞室3，如图1、2所示，每个泄水沉沙池出口设有与隧道主洞排水系统13贯通的泄水沉沙池4，泄水沉沙池两端设有反坡式出沙通道5，沿泄水沉沙洞室3内壁环向设置若干向外延伸的径向伞状泄水减压钻孔6，泄水减压钻孔6环向X纵向间距为2mX4m，钻孔长度为10 30m。泄水沉沙池4底部设有高低式平台结构，其中较高一侧为汽车运输台7，另一侧为沉沙槽8，泄水沉沙池4与其两端的反坡式出沙通道5在纵断面上呈凹形，泄水沉沙池4坡度小于0. 3%，其中出口侧反坡式出沙通道5的坡度为8%。进口侧反坡式出沙通道5的坡度为16%。结合以下两个工程实例对本发明所述施工结构作进一步说明
工程实例一
工程概况
包家山隧道为包茂高速公路小(河)至(安)康段的控制性工程，全长11. 2公里，隧道进口位于旬阳县桐木沟，出口位于安康市柴家河，穿越了南秦岭山脉的青山和玉皇山两道山峰，全隧共穿越断层37条、大型褶皱带3处、涌水段25处。隧道围岩以片岩、千枚岩为主，在隧道中段有层状灰岩分布。在建设阶段需利用I号竖井及3号斜井承担4. I正洞施工任务；但由于包家山隧道I号竖井及3号斜井正处于中段的灰岩地段，自开工以来由于地表降雨已导致隧道陆续发生过七次特大涌水，先后造成停工近六个月，直接损失约2500Jl 7H。经过分析论证，确定了 “地表整治与洞内堵水相结合”的治理方案，对洞顶地表的 麻坪河、梯子沟、寇家沟实施了河道铺砌，对斜(竖)井井身及洞口地表进行了注浆堵水，并取得了明显的成效。在完成河道铺砌后，原本长期干涸的河道能较长时间很好的排泄河道上游流水，长时间干旱后，河道水才断流。可见，在洞身灰岩裂隙发育、与地表连通性较好条件下，此措施较好的解决了河道水渗流到洞内的问题，为隧道防灾、减灾起到重要作用。在后来的雨季中，造成斜井前两次涌水的重要涌水点，基本被阻断，均未出现大量涌水，斜井洞身大面积渗流水的状况得到较大改善，竖井更是在后来的施工过程中没再发生涌水，证明了综合治理对施工所起到的重要作用。但是，上述治理方案，仅保证了施工顺利。在实施正洞衬砌后，又出现新的问题初支表面原有的排泄通道被隔断，涌泥涌沙将排水系统淤塞或封堵，地下水无法排泄，衬砌砼便在地下水的作用下局部出现开裂、位移等现象，无法保障正常运营。施工方法
经过对隧道内部进行详细的踏勘，在隧道集中涌泥、涌砂的段落的下方设置泄水沉沙洞室，施工时，可利用隧道主洞原有的车行横洞、临时施工通道或人行横洞作为洞室开挖的契入点，其中临时施工通道也可作为泄水沉沙洞室与隧道主洞排水系统贯通的排水通道，根据现场地质条件设置了三段共计1158米的泄水沉沙池，泄水沉沙池的容积以应付最大降雨量10个小时左右的储存级沉淀量为标准，沉沙池标准断面单洞当量面积48. 53，池底设计标闻低于隧道主线路面标闻最大为10米，池顶标闻低于路面标闻最小约4米,泄水沉沙洞室按新奥法施工原理进行洞身结构设计，即以系统锚杆、喷砼、钢筋网、钢架组成初期支护，不再进行二次衬砌的施工，对于围岩破碎段进行大管棚施工，保证施工安全和运营安全，对于IV级围岩地段辅以超前支护(超前小导管或药卷锚杆)配合钢架以确保安全，通 过结构分析计算、技术经济比较及工程类比，拟定洞身衬砌支护参数；沉沙池洞室施工完成后，在喷射混凝土衬砌表面钻泄水减压孔排水，钻孔间距=2m (环向)X4m (纵向)，钻孔长度10 30米，
本发明所述泄水沉沙结构共布置三段，I号沉沙池全长308. 78m，2号沉沙池全长503. 6m, 3号沉沙池全长346. 15m。为了避免池内水体湿润主洞路面及防止人为意外，沉沙池施工完毕后在I号沉沙池北口处、2号沉沙池南口处和3号沉沙池南口处设置堵头墙，堵头墙采用3m厚M7. 5浆砌片石，墙面采用2cm厚防水沙浆抹面整平；在出沙通道出口处设置排水暗沟，以排泄池中积水，防止泄水沉沙池积水溢流，漫上路面。施工效果
涌水治理从根本上解决了包家山隧道“逢雨必涌、逢涌必停”的严重水文地质灾害。特别是泄水沉沙结构的实施，起到了至关重要的作用。在沉沙池施作前，每缝强降雨，所对应主洞往往在二衬施工缝、预留洞室等部位就会出现滴水渗泥；沉沙池施工后，该类现象基本终止。沉沙池平行于隧道轴线布置是适宜的，这样可以利用自然高差引排池中积水。从方案上看，沉沙池主要结合附属洞室或加宽段设置，其坡度和断面形式设计合理，既便于施工又可实现地下水的集中排放。(I)从工期方面看包家山隧道施工任务重，工期紧，沉沙池施工长度为I. 1km，施工将近一年完成，保证了包家山隧道按期通车的要求；(2)从经济方面看沉沙池长度远小于泄水洞，包家山隧道I. I公里泄水沉沙池与6. 3公里泄水洞相比，仅以直接工程投资就节约一亿元人民币，工程投资成倍减少；考虑到后期维护费用，从包家山隧道运行这几年看，每年运营维护费用在15万左右，按百年工程为计，也远小于泄水洞的一次性施工投入(3)从技术方面看沉沙池长度小，断面大，短距离施工优势明显，而泄水洞长度大，断面小，长距离施工困难多，所以从技术上看，沉沙池要容易的多；(4)从使用效果看沉沙池投入运营以来，地表没有出现沉降，泄水通道也没有堵塞，包家山隧道二衬结构没有发生变形，说明隧道结构的处于稳定，保证了隧道运营通车的安全；(5)从环保效益看泄水洞将泥砂排泄于洞外自然河流中，造成的负面环保效应不言而喻；而沉沙池将泥砂沉淀于池内进行集中处理，其环保效果良好。工程实例二工程概况
米溪梁隧道是国家高速公路网包头至茂名高速公路(G65)陕西境安康至紫阳段的重点控制性工程，为左右线分离式曲线型隧道，隧道全长7928米，为特长型双车道高速公路隧道。在右线隧道开挖至YK242+575出后，洞室涌水量突然增大并形成塌方，该涌水段受区域断裂F4-6北侧的F242-1断层影响，围 岩裂隙较发育，岩体较破碎，断裂构造形成贯通性的导水通道。实测断层带掌子面涌水量为16946米3 /天。为了完成正洞开挖及服务于运营需求，经过现场反复研究，决定按本发明所述施工结构进行处理。 施工方法
(1)如图5、6所示，由于该涌水段涌水量较大，所以在隧道右主洞YK242+535施工泄水通道12，与隧道右主洞排水系统13贯通，泄水通道轴线距隧道左侧壁12. 6米沿纵向布置，XK242+535 至 XK242+570 为泄水通道，纵坡 15%，断面为 5. 2 X 6m ；XK242+570 至 XK242+580段为泄水沉沙洞室，纵坡2%，断面为5. 2 XSm ;
(2)泄水沉沙洞室施工泄水减压钻孔，间距@=4m(纵向)X 2m(环向)，孔径0 =IOOmm ；
该沉沙泄水施工结构于2011年3月开工，2011年6月完成，目前运营效果良好。
权利要求
1.一种隧道泄水沉沙施工结构，其特征是包括间隔设置于隧道左主洞(I)和隧道右主洞(2)中间、低于隧道设计标高、并且沿隧道中心线纵向设置的泄水沉沙洞室(3)，每个泄水沉沙洞室内底部设有与隧道排水系统(13)贯通的泄水沉沙池(4)，泄水沉沙池两端设有反坡式出沙通道(5)，沿泄水沉沙洞室(3)内壁环向设置若干向外延伸的径向伞状泄水减压钻孔(6)。
2.根据权利要求I所述的隧道泄水沉沙施工结构，其特征是泄水沉沙池(4)底部设有高低式平台结构，其中较高一侧为汽车运输台(7 )，另一侧为沉沙槽(8 )。
3.根据权利要求I或2所述的隧道泄水沉沙施工结构，其特征是泄水沉沙池(4)与其两端的反坡式出沙通道(5)在纵断面上呈凹形，泄水沉沙池(4)坡度小于0. 3%，出口端出沙通道(5)的坡度为8%，进口端出沙通道(5)的坡度为16%。
4.根据权利要求I或2所述的隧道泄水沉沙施工结构，其特征是泄水减压钻孔(6)环向X纵向间距为2mX4m，钻孔长度为10 30m。
全文摘要
本发明涉及隧道施工领域，具体为一种隧道泄水沉沙池施工结构，用以解决常规泄水洞存在的施工周期长、投资高、环保负面影响大等问题，本发明包括间隔设置于隧道两主洞间、低于隧道设计标高、并且沿隧道中心线纵向设置的泄水沉沙洞室，每个泄水沉沙洞室出口设有与隧道排水系统贯通的泄水沉沙池，泄水沉沙池两端设有反坡式出沙通道，沿泄水沉沙洞室内壁环向设置若干向外延伸的径向伞状泄水减压钻孔。解决了岩溶涌泥突水对隧道结构及防排水体系的破坏作用，同时其实施过程中具有工期短、投资小、见效快及环保作用良好等优点，具有广泛的推广价值和使用价值。
文档编号E21F16/02GK102720511SQ20121019819
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者刘丽花, 朱绪飞, 杨育生, 段小平, 田晓峰, 肖辰裕, 胡平, 赵香萍, 雷军 申请人:中铁十二局集团第二工程有限公司, 陕西省交通建设集团公司