隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造及其施工方法与流程

本发明涉及隧道衬砌构造，特别涉及一种运用于地下水发育地段或岩溶地区的隧道衬砌及排水系统构造和施工方法。

背景技术：

进入二十一世纪来，我国铁路建设高速发展，时速200km以上高标准双线铁路修建越来越多，特别在西南山区，岩溶发育，且线路展线受曲线半径大、地形地质条件复杂等多种因素的制约，岩溶隧道规模迅速增加。由于岩溶及岩溶水发育具有复杂性、多样性及无规律性等特点，长大岩溶隧道修建风险特别是运营风险越来越高。

近年来，宜万、沪昆、贵广等高速铁路隧道运营期间发生了若干起无砟道床变形、仰拱及填充隆起等水害事件，引起了铁路设计、施工、建设和运营各方的高度重视。经调查，既有线水害主要分为两类：

(1)仰拱填充上浮变形。其表现主要为隧底结构的分层施工带来的施工缝在水压作用下的变形、扩张。

①规范要求仰拱与仰拱填充应分开浇筑。此工法在仰拱与填充之间形成施工缝，但地下水通过仰拱环向施工缝渗入仰拱填充底部，约3～4m水头即可导致填充上浮。

②实际施工中，为防止道床施工面被施工车辆破坏，仰拱填充往往采用分层浇筑的方式，道床施工前灌筑的仰拱填充表层(或称整平层)厚度约0.2～0.4m，仅需要0.5～1m高的水头即可导致填充表层上浮，进而引起道床变形。

③无砟道床至道床板与仰拱填充面采用的是无连接接触方式，存在施工界面，对于隧底渗水的敏感性更为显著，往往也出现“离缝”抬升现象和磨损现象，在水的作用下，病害特征尤为明显。其与隧道结构巨大的刚度差异、变形不协调和轨道结构对基础变形极差的适应性进一步加剧了隧底水害对运营安全的不利影响和治理难度。

(2)衬砌结构特别是仰拱变形开裂。

①受隧道内设置的纵、环向盲管及边墙泄水孔排水能力的限制，工后排水系统受物理型(泥沙、细颗粒沉积淤塞)、化学型堵塞(可溶物析出、混凝土及浆液反应残留物凝结)等原因都将造成排水不畅，水压急剧变化，导致衬砌结构开裂破损。

②边墙纵向施工缝、环向施工缝、仰拱底部等结构和防水薄弱环节发生结构变形、开裂及防水失效；局部位置出现喷水、涌泥沙等。

③地下水位季节性变动，导致衬砌承受“动载”影响。在连续降雨或极端暴雨天气条件下，地下水位突然增高，衬砌承受了较高的水压。

目前设计的隧道大部分为有仰拱衬砌。以单洞双线隧道为例，其排水系统以“隧道体内排水”为主要模式，地下水排放路径为：围岩→初期支护→排水盲管→侧沟→横向排水管→中心水沟，即隧道结构周边的水通过初期支护渗透经由排水盲管引排进入隧道结构本体之内的中心水沟，最终排出洞外。

隧道体内排水系统主要的缺陷在于：

①有压地下水的泄压点均位于设置在衬砌主体结构内部，致使衬砌主体结构承受静水压或动水压的范围均较大。

②中心水沟(或侧沟)设于隧道结构之内，主要引排拱墙范围的周边地下水，隧道仰拱以下的积水无法有效引排，一旦在连续降雨或暴雨天气下，局部地段仰拱下裂隙水或管道水因无法及时引排导致水压急剧升高。在高水压作用下，致使隧底仰拱开裂破损。

③隧道处于地下水季节变动带等与外界水力联系紧密的区域，在连续降雨或暴雨天气下，因地下水量骤增，受边墙泄水孔尺寸及间距限制，难以及时将其引排至隧道结构体内的排水沟内，从而引起地下水位急剧升高。在高水压作用下，导致衬砌开裂破坏。

④受道床结构、洞内附属构筑物需要及隧道断面工程经济性的制约，考虑施工难易程度，洞内侧沟或中心水沟的过水断面自由度不大，过水能力受限，往往引起洞内水害。

⑤由于隧底为圆弧状，开挖控制较困难，隧底虚渣完全清理干净难度大，运营期间由于隧底地下水无法引排，加之列车动荷载反复作用，极易造成隧底翻浆冒泥等灾害。

因此，优化衬砌结构及排水系统，保证排水通畅，减小甚至消除隧底水压，成为降低岩溶地区隧道水害风险，保证运营安全的迫切需要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供了一种隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造，以减小甚至消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决岩溶或地下水发育地区隧道仰拱上浮变形或隧底结构开裂破坏的问题，确保隧道施工和运营的稳定及安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造，包括拱墙初期支护结构、拱墙二次衬砌结构和拱墙范围防水层，以及包括排水系统，其特征是：所述拱墙二次衬砌结构底部设置底板结构构筑体作为拱墙二次衬砌结构的承载基础，该底板结构构筑体横向两端与拱墙二次衬砌边墙下端固结并在连接处内侧加腋；所述底板结构构筑体的板体下沿纵向中心线埋设箱形结构构筑体，箱形结构构筑体内具有纵向贯通的泄水廊道，所述排水系统包括与该泄水廊道连通的拱墙范围排水系统、隧底排水系统及隧道内备用排水系统。

所述隧底排水系统包括纵向盲沟和沿隧道开挖方向间隔布设的环向盲沟，纵向盲沟与环向盲沟形成网状排水系统，吸夺疏干隧底地下水通过泄水管引入泄水廊道，避免地下水排泄不畅或暴雨季节地下水量骤增导致隧底结构开裂破坏。

所述拱墙范围排水系统包括环向排水盲管拱墙段和环向排水盲管隧底段，环向排水盲管拱墙段沿隧道开挖方向间隔布设于无纺土工布与防水板间，拱墙范围地下水通过环向排水盲管拱墙段汇集后经环向排水盲管隧底段排入泄水廊道。

所述隧道内备用排水系统包括固定设置于底板结构构筑体向两侧的隧道内侧沟，隧道内侧沟的内部排水空腔通过横向联系水管与泄水廊道相连通，横向联系水管沿线路延伸方向间设置。

所述隧道内备用排水系统还包括的至少一个由隧道内侧沟内部排水空腔钻入隧底围岩内的泄压泄水孔，高压地下水经泄压泄水孔引入隧道内侧沟，再经横向联系水管引入泄水廊道中。

本发明所要解决的另一技术问题提供一种上述隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造的施工方法。该方法包括如下步骤：

①全断面或台阶法开挖形成洞形；

②开挖后立即施作相应的拱墙初期支护；

③隧底开挖箱形结构构筑体断面；

④于箱形结构构筑体断面底部施作找平层，吊装箱形结构构筑体(70)预制节段，施作两侧超挖回填体；

⑤施作隧底排水系统，并埋设环向排水盲管隧底段，利用钢筋固定横向联系水管，浇筑底板结构构筑体；

⑥施作拱墙范围防水层及拱墙范围排水系统后，灌筑拱墙二次衬砌结构；

⑦施工洞内两侧隧道内侧沟；

⑧施作道床及轨道结构；

重复上述步骤①～⑧若干次，直至隧道该工法设计段落全长开挖完工。

本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：

1、隧底采用底板结构，开挖作业更方便，克服了传统衬砌形式仰拱基础开挖曲率不易控制导等问题，相比较于传统隧底为仰拱形式的衬砌结构，节约建筑材料，有效减少工程建设投资；

2、隧底采用加腋型桩板结构取代传统仰拱形式，既能增加底板承载能力，也能增加隧底结构抗水压及抗浮能力。隧底采用底板结构，其上不需施作混凝土填充体，有效避免了传统曲墙带仰拱衬砌由于地下水通过仰拱施工缝进入仰拱与仰拱填充缝隙间挤压破坏填充体，导致轨道结构破坏。

3、设置拱墙范围排水系统、隧底排水系统及隧道内备用排水系统共三套排水系统，可靠性更高，排水能力更强。正常运营情况下，拱墙二次衬砌背后地下水不穿过边墙引入隧道侧沟，而经底板下部直接引入底板下设置的泄水廊道，可有效疏干拱墙范围及隧底地下水，避免传统衬砌结构因地下水排泄不畅或暴雨季节地下水量骤增导致仰拱后衬砌结构开裂破坏。即使在运营期间，由于暴雨等原因导致局部地段地下水量剧增，隧道边墙下部及隧底水压急剧升高，可于隧道内两侧沟底钻设泄压泄水孔，从而启动隧道内备用排水系统，以降低水压，充分保证结构安全。

本发明通过对传统隧道衬砌隧底结构形式进行改造，改变隧底结构受力形式及排水系统，减小甚至消除地下水对隧道衬砌底部结构的作用，有效解决岩溶或地下水发育地区隧道仰拱上浮变形或隧底结构开裂破坏的问题，确保隧道施工和运营的稳定及安全性。

附图说明

本说明书包括如下十五幅附图：

图1为本发明隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造示意图；

图2为图1中a局部的放大图；

图3为沿图1中i-i线的剖图；

图4为沿图3中ⅱ-ⅱ线的剖面图；

图5为沿图3中ⅲ-ⅲ线的剖面图；

图6为沿图3中ⅳ-ⅳ线的剖面图；

图7为沿图3中ⅴ-ⅴ线的剖面图；

图8～图15为本发明隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造施工方法的施工步骤分解示意图。

图中示出构件、部位名称及所对应标记：洞形1、箱形结构构筑体断面2、拱墙初期支护结构10、拱墙喷射混凝土层10a、拱墙钢架10b、拱墙系统锚杆10c、拱墙范围防水层20、土工布20a、防水板20b、环向排水盲管拱墙段31a、环向排水盲管隧底段31b、隧底排水系统32、纵向盲沟32a、环向盲沟32b、泄水管32c、横向联系水管33a、泄压泄水孔33b、、盖板34、洞内两侧沟槽身40、找平层41、两侧超挖回填体42、拱墙二次衬砌结构50、底板结构构筑体51、道床及轨道结构60，箱形结构构筑体70、泄水廊道b、检查井口c、隧道内侧沟d2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1至图7，本发明的隧隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造，包括拱墙初期支护结构10、拱墙二次衬砌结构50和拱墙范围防水层20，以及包括排水系统。所述拱墙二次衬砌结构50底部设置底板结构构筑体51作为拱墙二次衬砌结构50的承载基础，该底板结构构筑体51横向两端与拱墙二次衬砌50边墙下端固结并在连接处内侧加腋。以加腋型桩板结构取代传统仰拱形式，既能增加底板承载能力，也能增加隧底结构抗水压及抗浮能力。隧底采用底板结构，其上不需施作混凝土填充体，有效避免了传统曲墙带仰拱衬砌由于地下水通过仰拱施工缝进入仰拱与仰拱填充缝隙间挤压破坏填充体，导致轨道结构破坏。开挖作业更方便，克服了传统衬砌形式仰拱基础开挖曲率不易控制导等问题。

参照图1至图7，所述底板结构构筑体51的板体下沿纵向中心线埋设箱形结构构筑体70，箱形结构构筑体70内具有纵向贯通的泄水廊道b，所述排水系统包括与该泄水廊道b连通的拱墙范围排水系统、隧底排水系统及隧道内备用排水系统。本发明设置拱墙范围排水系统、隧底排水系统及隧道内备用排水系统共三套排水系统，可靠性更高，排水能力更强。正常运营情况下，拱墙二次衬砌背后地下水不穿过边墙引入隧道侧沟，而经底板下部直接引入底板下设置的泄水廊道，可有效疏干拱墙范围及隧底地下水，避免传统衬砌结构因地下水排泄不畅或暴雨季节地下水量骤增导致仰拱后衬砌结构开裂破坏。

参照图1、图3、图4、图5和图6，所述隧底排水系统包括纵向盲沟32a和沿隧道开挖方向间隔布设的环向盲沟32b，纵向盲沟32a与环向盲沟32b形成网状排水系统，吸夺疏干隧底地下水通过泄水管32c引入泄水廊道b，避免地下水排泄不畅或暴雨季节地下水量骤增导致隧底结构开裂破坏。

参照图1、图2、图3、图4和图5，所述拱墙范围排水系统包括环向排水盲管拱墙段31a和环向排水盲管隧底段31b，环向排水盲管拱墙段31a沿隧道开挖方向间隔布设于无纺土工布20a与防水20b板间，拱墙范围地下水通过环向排水盲管拱墙段31a汇集后经环向排水盲管隧底段31b排入泄水廊道b。

参照图1、图4、图5、图6和图7，所述隧道内备用排水系统包括固定设置于底板结构构筑体51横向两侧的隧道内侧沟d2，隧道内侧沟d2的内部排水空腔通过横向联系水管33a与泄水廊道b相连通，横向联系水管33c沿线路延伸方向间设置。所述隧道内备用排水系统还包括的至少一个由隧道内侧沟d2内部排水空腔钻入隧底围岩内的泄压泄水孔33b，高压地下水经泄压泄水孔33b引入隧道内侧沟d2，再经横向联系水管33a引入泄水廊道b中，从而大大降低水压，保证结构安全。泄压泄水孔33b在施工期间不施作，在运营期间，由于暴雨等原因，边墙底部及隧底水压急剧升高时施作。

参照图1、图3至图7，所述底板结构构筑体51上沿隧道延伸方向间隔设置有与泄水廊道b相连通的检查井口c，检查井口c上端口设置盖板34封闭，以防止运营期间泄水廊道b中的流水涌入隧道内。运营期间，可方便地从检查井口c进入泄水廊道b进行清淤。

参照图1和图2，所述拱墙范围防水层20位于拱墙初期支护10结构与拱墙二次衬砌结构40之间，包括内层的土工布20a及外层的防水板20b。所述拱墙初期支护结构10包括覆盖拱墙围岩的拱墙喷射混凝土层10a及沿拱墙梅花形布置的拱墙系统锚杆10c。所述拱墙喷射混凝土层10a内沿隧道开挖方向间隔布设拱墙钢架10b，拱墙喷射混凝土层10a内加设钢筋网。

参照图8～图15，本发明隧底设置泄水廊道的加腋底板型隧道衬砌及排水系统构造的施工方法，包括如下步骤：

①全断面或台阶法开挖形成洞形1；

②开挖后立即施作相应的拱墙初期支护10；

③隧底开挖箱形结构构筑体断面2；

④于箱形结构构筑体断面2底部施作找平层41，吊装箱形结构构筑体70预制节段，施作两侧超挖回填体42；

⑤施作隧底排水系统，并埋设环向排水盲管隧底段31b，利用钢筋固定横向联系水管33a，浇筑底板结构构筑体51；

⑥施作拱墙范围防水层20及拱墙范围排水系统后，灌筑拱墙二次衬砌结构50；

⑦施工洞内两侧隧道内侧沟d2；

⑧施作道床及轨道结构40；

重复上述步骤①～⑧若干次，直至隧道该工法设计段落全长开挖完工。

隧底采用底板结构，开挖作业更方便，克服了传统衬砌形式仰拱基础开挖曲率不易控制导等问题；同时节约建筑材料，有效减少工程建设投资。