软岩隧洞下台阶开挖地下水的处理结构的制作方法

本实用新型涉及软岩隧洞下台阶开挖地下水的处理结构。

背景技术：

软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度小于25mpa的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。软岩之所以能够产生大变形，主要是因为软岩中的泥质成分(粘土矿物)和结构面控制了软岩的工程力学特性，使其表现出可塑性、膨胀性、崩解性，流变性、易扰动性和遇水软化特性。

软岩遇水易软化、崩解，其过程一般表现为：岩石遇水后，水分子沿着岩石孔隙、裂隙渗透到矿物颗粒之间，从而使岩石发生物理或化学方面的一系列变化，甚至有的亲水性矿物含量高的，岩石浸水后颗粒之间水膜增厚而引起岩石的膨胀。另外，由于水是一种良好的溶剂，可以溶解岩石中的某些矿物，对岩石也起到了软化作用。遇水软化特性是软岩极其重要的一个性质，在水作用下软岩的力学性质将出现显著的下降，甚至泥化，丧失承载能力，并发生膨胀变形。因此，水对软岩的物理力学特性具有重要的影响，在隧洞施工过程中要避免水对软岩的软化作用，尽量隔离水的入渗，增强软岩抗渗透能力和自身强度。

然而，在软岩隧洞施工过程中不可避免地将遭遇水的作用，尤其是我国岩溶发育极为广泛。在隧洞开挖过程中如果揭露大流量地下水，不可避免地会导致隧洞遇水软化、强度降低、结构崩解，从而对软岩隧洞产生不可估量的损失，并且有可能导致人员伤亡事故。目前对于水的处理并没有好的解决方案，现有技术主要还是采用排水的方式，但排水不但费时，而且在排放过程中会对软岩产生二次作用，进一步降低软岩本身强度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种利用将地下水补给来源冻结的结构方案，以降低、避免软岩隧洞下台阶开挖时地下水带来的影响，解决了常规灌浆封堵地下水方法在应用于软岩工程时的不适应性，杜绝了软岩与地下水的直接接触，避免了软岩遇水软化、变形崩解，有效提高了施工速度和工程安全性。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

软岩隧洞下台阶开挖地下水的防护结构，包括在隧洞开挖上台阶四周边界呈散发状挖设的冷冻孔、在上台阶布置的冷冻装置以及压水装置；每个冷冻孔穿过上台阶下方的透水层并向下深入至底部的含水层，以供冰冻盐水在压水装置的作用下注入含水层中。

进一步的，冷冻孔两侧还布置有测温孔；测温孔穿入含水层中且底部内设有测温计。

进一步的，冷冻孔内设有与冷冻装置连通的循环冷却水管，并使冷冻孔形成一个封闭的冷却系统；循环冷却水管至少覆盖透水层深度且管内流动有冷却盐水。

进一步的，冷却管呈扇形散发。

进一步的，冷冻孔处于上台阶的上端之间的间距为50cm。

进一步的，冷冻孔处于含水层的下端之间的间距为不大于120cm。

进一步的，循环冷却水管为无缝钢管。

本实用新型的结构可以利用冻结法切断地下水补给来源，一方面排除了地下水对软岩带来的影响及对隧洞稳定性的危害，另一方面循环冷却水管在输入的过程中对周边岩体也能产生一定的冻结作用，进而提高了软岩自身强度，保证了人员和设备安全。相比于传统的通过排水疏导地下水的方法，本技术方案一旦含水层冻结即可开始施工，施工周期短，且可进一步促进岩洞牢固性，结构实用简单。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型循环冷却水管的布置图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

参照附图。本实用新型包括多个冷冻孔1、利用上台阶空间4布置的冷冻装置2以及压水装置3。依据隧洞断面形式、埋深、走向、地下动水流方向及该含水层分布形态等因素，选择在隧洞开挖上台阶四周边界布置冷冻孔1。冷冻孔1呈扇形散发状布置，每个冷冻孔1穿过上台阶下方的透水层5并向下深入至底部的含水层6，从而压水装置3可以将-25℃~-20℃的冰冻盐水通过冷冻孔1下注入含水层6中，以此冻结含水层6。注入时压力控制在0.5mpa，稳定30分钟压力无变化视为合格，确保冰冻盐水在一定压力下注入含水层中。为了保证冷冻效果，冷冻孔1处于上台阶的上端之间的间距为50cm，处于含水层6的下端之间的间距为不大于120cm。

冷冻孔1两侧还布置有测温孔7以方便进行冻结效果观测。测温孔7要求也穿入含水层6中且底部内设有测温计。每天纪录盐水温度变化和气温变化，一般前7天温度下降明显，之后降温速度变缓，当温度达到-10℃后，为了节省施工成本，可以适当提高压水温度，但不宜高于-15℃。

待温度稳定在-10℃后，含水层内的地下水已完全冻结，观察24~48小时进一步确认后，即可以开始施工。首先应对含水层6进行封堵灌浆处理，避免下台阶开挖产生扰动，破坏了含水层的冻结效果。

在冷冻孔1中布置无缝钢管，作为循环冷却水管8穿入透水层5。循环冷却水管8的进水口和进水口均与冷冻装置2连通，从而利用冷却盐水作为载体将透水层5的热量带到冷冻装置2进行热交换，并使得冷冻孔1内形成一个封闭的制冷系统，以隔绝含水层6与外水的联系，进而辅助确保含水层6的冻结效果。特别的，该措施不仅保证了含水层6的冷冻效果，而且冷却盐水在输入循环的过程中对周边岩体也能产生一定的冻结作用，同时提高了软岩强度，有利于隧洞安全，能够快速施工、缩短施工周期。

应当指出，上述描述了本实用新型的实施例。然而，本领域技术的技术人员应该理解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型范围的前提下本实用新型还会有多种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。