一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置的制作方法

本发明涉及一种有害气体与地下水分离排放系统装置，具体的来说是涉及一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置，主要是应用于隧道运营过程中，将该装置埋设于有害气体分布段落的隧道初期支护结构中，并与隧道排水系统有效连接，可主动控制和解决隧道洞身有害气体的分离排放问题，有效控制风险源，属于隧道施工工程技术领域。

背景技术：

随着我国铁路建设的快速发展，山岭隧道工程建设环境越来越复杂，建设条件也越来越恶劣，活动断裂带、高地温、高地应力、滑坡、崩塌、泥石流、有害气体及有害矿物等地质风险因素愈加普遍。其中，瓦斯、硫化氢等有害气体因其具有无形、无迹等特点，工程控制及处理难度大，容易导致重大工程事故，一直属于隧道施工重大风险源，目前并未得到有效解决。常见的第四系中更新统、第三系及侏罗系地层隧道洞身通常夹杂分布有煤层、煤线、炭质页岩等赋存瓦斯段落，可溶岩封闭溶洞通常存在一氧化碳，地热温泉中通常夹带硫化氢和一氧化碳等有害气体，因此隧道施工过程中基本无法避免有害气体及有害矿物的出现。为有效解决上述工程难题，保障工程建设及运营安全，基于常规瓦斯衬砌及隧道排水系统措施，提出在隧道初期支护结构施工过程中在边墙下部埋设预制型有害气体与地下水分离排放系统装置。

因此，需研制一种能够主动控制和解决隧道洞身有害气体的分离排放问题并有效控制风险源的隧道有害气体与地下水分离排放系统装置是解决上述技术问题的关键所在。

技术实现要素：

针对上述背景技术中存在的诸多问题，本发明对此进行了研发，目的在于提供一种能够主动控制和解决隧道洞身有害气体的分离排放问题并有效制风险源的隧道有害气体与地下水分离排放系统装置。

本发明另一个发明目的是能够实现构造新颖简易、实用性以及操作性较强，通过结合水汽离心力分离、拆流分离和重力沉降原理，针对有害气体分布段落在隧道边墙下部设置预制型水汽分离装置，并与常规隧道排水结构连接形成完整的水汽分离排放系统，达到有效实现气液分离和排放，保障隧道施工及运营安全。

为解决上述问题并达到上述的发明目的，本发明一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置是通过采用下列的设计结构以及采用下列的技术方案来实现的：

一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置，它包括隧道初期支护结构(1)、二次模筑衬砌(2)、环向盲管(3)、纵向盲管(4)、出水管(5)、横向导水管(6)、侧沟(7)、中心沟(8)、水汽分离箱(9)、螺旋离心分离槽(10)和环向排气盲管(12)以及纵向排气盲管(13)，纵向排气盲管(13)在有害气体分布段落隧道拱顶位置沿纵向通长布置，并延伸至距离其最近一侧的隧道洞口排出，其中，在水汽分离箱(9)的箱体顶部设置有环向排气盲管(12)，环向排气盲管(12)的上、下两端分别与纵向排气盲管(13)和水汽分离箱(9)连接，水汽分离箱(9)整体安装于初期支护结构(1)的初支边墙下部且布置于初支钢架之间，在水汽分离箱(9)内部设置有离心分离槽(10)，离心分离槽(10)顶部与环向盲管(3)连接；在水汽分离箱(9)的底部设置出水管(5)，出水管(5)与纵向盲管(4)搭接并连接至隧道侧沟(7)，隧道侧沟(7)通过横向导水管(6)连接至中心沟(8)。

作为本发明上述的另一个优选的技术方案，所述隧道初期支护结构(1)采用直边墙，以便水汽分离箱(9)安装及水汽排放接口对接；

所述环向盲管(3)为透水软管，外部环形包裹有与之相搭配完成工作的无纺布；

所述纵向盲管(4)为双壁打孔波纹管，在外部环形包裹有与之相搭配完成工作的无纺布。

作为本发明的上述优选技术方案，所述透水软管的总数量设计根据实际施工需要布置，其中，每个透水软管的直径均为50mm，且相邻的两个透水软管之间的布置间距为8～12m，地下水发育地段加密至3～5m；

所述波纹管的总数量设计根据实际施工需要布置，其中，每个波纹管的直径均为100mm，且相邻的两个波纹管之间的布置间距为8～12m。

作为本发明上述优选的技术方案，所述出水管(5)与环向盲管(3)布置间距相同且连接引入侧沟(7)；所述横向导水管(6)为pvc管，该pvc管的设计总数量根据实际施工需求设计为多个。

作为本发明上述的进一步优选的技术方案，所述的出水管(5)的设计总数量根据实际施工需求设计为多个，其中每个出水管(5)的直径均为80mm；所述每个横向导水管(6)的直径均为100mm，且相邻的两个pvc管之间的布置间距为30m，地下水发育地段加密至20m。

作为本发明上述的再一步优选的技术方案，所述水汽分离箱(9)采用磷化处理的铁皮材质制成，水汽分离箱(9)底部设置为弧形槽，可有效避免箱体底部沉渣淤积且便于排水；在水汽分离箱(9)的箱体顶部设置有环向盲管(3)和环向排气盲管(12)锚固接口，在水汽分离箱(9)的箱体底部设置有出水管(5)锚固接口；在水汽分离箱(9)的内壁设置有不锈钢筛网(11)，不锈钢筛网(11)为双层316不锈钢轧花网。

作为本发明上述的还进一步优选的技术方案，所述水汽分离箱(9)的设计总数量根据实际施工需求设计为多个，其中，每个水汽分离箱(9)的外缘高度均为80cm，宽度均为20cm；且相邻的两个水汽分离箱(9)的布置间距与初支钢架一致；

所述双层316不锈钢轧花网的四周与水汽分离箱(9)内壁固接，水流经螺旋离心分离槽(10)跌流撞击不锈钢筛网(11)后通过拆流分离实现二次分离有害气体，分离出的气体升空后进入环向排气盲管(12)排出，分离后的地下水透过不锈钢筛网(11)流入水汽分离箱(9)底部弧形槽通过出水管(5)排入隧道侧沟(7)，最后通过横向导水管(6)汇入中心沟(8)排出洞外。

在本发明中，水汽分离箱(9)采用螺旋型，目的是通过利用离心分离原理将水汽分离，同时，采用u型断面的目的主要是保证地下水在旋转离心分离过程中气体挥发上升排出。

作为本发明上述的又再进一步优选的技术方案，所述离心分离槽(10)为螺旋型，采用磷化处理的铁皮材质制作；离心分离槽(10)的横断面为u型槽道，槽道上部与环向盲管(3)锚固接口固接，衬砌背后地下水经环向盲管(3)流入螺旋离心分离槽(10)后通过离心力分离融入水中的有害气体，分离出的气体升空后进入环向排气盲管(12)排出；

所述环向排气盲管(12)与所述纵向排气盲管(13)均为pvc管。

作为本发明上述的还又再更进一步优选的技术方案，所述离心分离槽(10)的高度为40cm，每环槽道高度为10cm；所述环向排气盲管(12)与所述纵向排气盲管(13)的形状大小一致，直径均为50mm。

作为本发明上述的还又再更加的进一步优选的技术方案，所述环向排气盲管(12)布置在有害气体分布段落并与环向盲管(3)按相同间距并排布置；所述纵向排气盲管(13)布置在有害气体分布段落隧道拱顶位置沿纵向通长布置，并延伸至较近一侧隧道洞口排出，且纵向排气盲管(13)的出口高于隧道仰坡地面2m，并在延伸的端头处设置挡雨遮罩。

工作原理是：上述设计结构的一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置在进行使用之前，需要将其进行制作并加以安装作为备用。

安装时，施工人员只需将上述制作结构的一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置安装于有害气体分布段落(100)隧道边墙下部并与隧道排水系统连接。

具体的安装工序为，首先是隧道初期支护结构施工：在隧道初期支护结构施工过程中，隧道开挖后进行初次喷射混凝土施工，之后进行钢架施作；钢架施作完成后在边墙底部初支钢架之间埋设预制水汽分离箱，再进行喷射混凝土复喷，并预留环向盲管、环向排气盲管及出水管接口条件及位置；

然后是隧道拱墙防排水系统施工：隧道初期支护结构施作完成后，按常规工序及工法进行隧道结构防排水施工；在此过程中，参照环向盲管施工流程，并列增设环向排气盲管，并一起接入水汽分离箱；在隧道拱顶沿纵向布置纵向排气盲管(需从洞口开始施作衔接至不良气体段落末端)，并与环向排气盲管按拟定间距连接；水汽分离箱底部出水管与横向排水管连接至侧沟，其余隧道排水措施按常规工序施工；

再然后是隧道初期支护结构及防排水系统施工完成后，按照常规施工工法及工序进行隧道二次衬砌及其余项目施工，并依次进行多循环施工直到隧道贯通。

最后，上述安装完成之后，即可进行使用，使用时，隧道围岩中的不良气体与地下水混合后一起渗入环向排水盲管集中排至水汽分离箱，顺着螺旋槽道旋转排水过程中利用离心分离原理实现第一次水汽分离；之后，排至螺旋槽道末端的剩余水汽混合体垂直而下跌落至不锈钢筛网表面，利用跌水原理及拆流分离原理实现第二次水汽分离；上述两次分离出的不良气体自然升空后沿环向排气盲管汇集排出后进入纵向排气盲管，最终排至较近一侧洞外，以此实现有效控制和解决运营过程中隧道不良气体渗漏的工程问题。

在上述的整个实施操作过程中，环向盲管(3)作为常规隧道衬砌排水设施，全隧均有布置，其功能主要是将拱、墙位置地下水、混合不良气体吸收排至水汽分离箱(9)，而环向排气盲管(12)的功能主要是将分离出的不良气体收集排出，环向盲管(3)和环向排气盲管(12)二者均属于分离箱装置的对外接口，二者间距必须相同，且与水汽分离箱的接口一一对应。

该装置是安装在隧道初期支护结构中的钢架之间，前后均包裹有喷射混凝土；初期支护结构施工完成后继续施作二次衬砌结构，直至整个隧道施工完成，所以该装置施工后不做拆除，而是隧道建成后永久暗埋于隧道墙体内部，无需做任何拆除。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明结构简单、构造新颖，操作施工便捷，通过水汽分离箱中的离心分离槽道离心力分离作用和/或不锈钢筛网拆流分离作用，可两次分离混于隧道地下水中的有害气体，有效实现气液分离和排放，保障隧道施工及运营安全；同时，本发明中的构成部件水汽分离箱可产品化预制，体积小，造价低，施工便捷，且能够与既有隧道排水管网有效连接，对隧道结构及施工基本影响较小，可主动、有效的控制和解决隧道洞身有害气体分离排放问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明隧道有害气体与地下水分离排放系统装置横断面安装位置示意图；

图2为本发明隧道有害气体与地下水分离排放系统装置纵断面安装位置示意图；

图3为本发明隧道有害气体与地下水分离排放系统装置断面安装位置大样图；

图4为本发明隧道有害气体与地下水分离排放系统水汽分离排放路径示意图；

图5为本发明隧道有害气体与地下水分离排放系统装置空间立体轮廓示意图；

图6为本发明隧道有害气体与地下水分离排放系统装置空间立体正面示意图；

其中，图中标号：1—初期支护结构；2—二次模筑衬砌；3—环向盲管；4—纵向盲管；5—出水管；6—横向导水管；7—侧沟；8—中心沟；9—水汽分离箱；10—螺旋离心分离槽；11—不锈钢筛网；12—环向排气盲管；13—纵向排气盲管；100—有害气体分布段落；200—线路中线；300—隧道中线；l—纵向排气盲管的出口高于隧道仰坡地面的距离。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创造特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及具体实施方式对本发明的技术方案作更进一步详细的说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如说明书附图1至说明书附图6所示的一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置，它包括隧道初期支护结构1、二次模筑衬砌2、环向盲管3、纵向盲管4、出水管5、横向导水管6、侧沟7、中心沟8、水汽分离箱9、螺旋离心分离槽10和环向排气盲管12以及纵向排气盲管13，纵向排气盲管13在有害气体分布段落隧道拱顶位置沿纵向通长布置，并延伸至距离其最近一侧的隧道洞口排出，其中，在水汽分离箱9的箱体顶部设置有环向排气盲管12，环向排气盲管12的上、下两端分别与纵向排气盲管13和水汽分离箱9连接，水汽分离箱9整体安装于初期支护结构1的初支边墙下部且布置于初支钢架之间，在水汽分离箱9内部设置有离心分离槽10，离心分离槽10顶部与环向盲管3连接；在水汽分离箱9的底部设置出水管5，出水管5与纵向盲管4搭接并连接至隧道侧沟7，隧道侧沟7通过横向导水管6连接至中心沟8。

进一步的，隧道初期支护结构1采用直边墙，以便水汽分离箱9安装及水汽排放接口对接；

环向盲管3为透水软管，外部环形包裹有与之相搭配完成工作的无纺布；

纵向盲管4为双壁打孔波纹管，在外部环形包裹有与之相搭配完成工作的无纺布。

具体的，透水软管的总数量设计根据实际施工需要布置，其中，每个透水软管的直径均为50mm，且相邻的两个透水软管之间的布置间距为8～12m，地下水发育地段加密至3～5m；

所述波纹管的总数量设计根据实际施工需要布置，其中，每个波纹管的直径均为100mm，且相邻的两个波纹管之间的布置间距为8～12m。

进一步的，出水管5与环向盲管3布置间距相同且连接引入侧沟7；所述横向导水管6为pvc管，该pvc管的设计总数量根据实际施工需求设计为多个。

具体的，的出水管5的设计总数量根据实际施工需求设计为多个，其中每个出水管5的直径均为80mm；所述每个横向导水管6的直径均为100mm，且相邻的两个pvc管之间的布置间距为30m，地下水发育地段加密至20m。

进一步的，水汽分离箱9采用磷化处理的铁皮材质制成，水汽分离箱9底部设置为弧形槽，可有效避免箱体底部沉渣淤积且便于排水；在水汽分离箱9的箱体顶部设置有环向盲管3和环向排气盲管12锚固接口，在水汽分离箱9的箱体底部设置有出水管5锚固接口；在水汽分离箱9的内壁设置有不锈钢筛网11，不锈钢筛网11为双层316不锈钢轧花网。

具体的，水汽分离箱9的设计总数量根据实际施工需求设计为多个，其中，每个水汽分离箱9的外缘高度均为80cm，宽度均为20cm；且相邻的两个水汽分离箱9的布置间距与初支钢架一致；

双层316不锈钢轧花网的四周与水汽分离箱9内壁固接，水流经螺旋离心分离槽10跌流撞击不锈钢筛网11后通过拆流分离实现二次分离有害气体，分离出的气体升空后进入环向排气盲管12排出，分离后的地下水透过不锈钢筛网11流入水汽分离箱9底部弧形槽通过出水管5排入隧道侧沟7，最后通过横向导水管6汇入中心沟8排出洞外。

进一步的，离心分离槽10为螺旋型，采用磷化处理的铁皮材质制作；离心分离槽10的横断面为u型槽道，槽道上部与环向盲管3锚固接口固接，衬砌背后地下水经环向盲管3流入螺旋离心分离槽10后通过离心力分离融入水中的有害气体，分离出的气体升空后进入环向排气盲管12排出；

所述环向排气盲管12与所述纵向排气盲管13均为pvc管。

进一步的，离心分离槽10的高度为40cm，每环槽道高度为10cm；所述环向排气盲管12与所述纵向排气盲管13的形状大小一致，直径均为50mm。

进一步的，环向排气盲管12布置在有害气体分布段落并与环向盲管3按相同间距并排布置；所述纵向排气盲管13布置在有害气体分布段落隧道拱顶位置沿纵向通长布置，并延伸至较近一侧隧道洞口排出，且纵向排气盲管13的出口高于隧道仰坡地面2m，并在延伸的端头处设置挡雨遮罩。

在本发明中，为了延长整个装置在隧道中的使用寿命，在制作加工的过程中，预先在环向盲管3、纵向盲管4、出水管5、横向导水管6、水汽分离箱9和环向排气盲管12以及纵向排气盲管13的外表面上均从内至外依序喷涂有注塑层和防锈层，其中，在注塑层上注塑有高分子耐磨材料；所述防锈层包括环氧富锌底漆和氯化橡胶面漆以及位于环氧富锌底漆和氯化橡胶面漆之间的环氧云铁中间漆。

综上所述，本发明更为具体的实施方式是：

上述设计结构的一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置在进行使用之前，需要将其进行制作并加以安装作为备用。

制作时，如图1至图6所示，一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置，包括隧道初期支护结构1、二次模筑衬砌2、环向盲管3、纵向盲管4、出水管5、横向导水管6、侧沟7、中心沟8、水汽分离箱9、螺旋离心分离槽10、不锈钢筛网11、环向排气盲管12和纵向排气盲管13组成，其中，隧道初期支护结构1采用直边墙。环向盲管3采用直径50mm透水软管，外裹无纺布，布置间距为8～12m，地下水发育地段加密至3～5m；纵向盲管4采用直径100mm双壁打孔波纹管，外裹无纺布，布置间距为8～12m；出水管5直径为80mm，与环向盲管3布置间距相同且连接引入侧沟7；横向导水管6采用直径100mmpvc管，布置间距为30m，地下水发育地段加密至20m；水汽分离箱9采用磷化处理的铁皮材质，外缘高度为80cm，宽度为20cm，整体安装于初支边墙下部且布置于初支钢架之间，布置间距与初支钢架一致，箱体顶部设置有环向盲管3和环向排气盲管12锚固接口，底部设置有出水管5锚固接口；螺旋离心分离槽10采用磷化处理的铁皮材质，高度为40cm，断面为u型槽道，每环槽道高度为10cm，槽道上部与环向盲管3锚固接口固接，衬砌背后地下水经环向盲管3流入螺旋离心分离槽10后通过离心力分离融入水中的有害气体，分离出的气体升空后进入环向排气盲管12排出；不锈钢筛网11采用双层316不锈钢轧花网，四周与水汽分离箱9壁固接，水流经螺旋离心分离槽10跌流撞击不锈钢筛网11后通过拆流分离实现二次分离有害气体，分离出的气体升空后进入环向排气盲管12排出，分离后的地下水透过不锈钢筛网11流入水汽分离箱9底部弧形槽通过出水管5排入隧道侧沟7，最后通过横向导水管6汇入中心沟8排出洞外；环向排气盲管12采用直径50mmpvc管，在有害气体分布段落与环向盲管3按相同间距并排布置，上下端分别与纵向排气盲管13和水汽分离箱9连接，纵向排气盲管13采用直径50mmpvc管，在有害气体分布段落隧道拱顶位置沿纵向通长布置，并延伸至较近一侧隧道洞口排出，出口应高于隧道仰坡地面2m，并在端头设置挡雨遮罩，按照上述的要求制作加工完成之后即可将其进行安装。

安装时，施工人员只需将上述制作结构的一种隧道有害气体与地下水分离排放系统装置安装于有害气体分布段落100隧道边墙下部并与隧道排水系统连接。

具体的安装步骤是：

步骤一，隧道初期支护结构施工：在隧道初期支护结构施工过程中，隧道开挖后进行初次喷射混凝土施工，之后进行钢架施作；钢架施作完成后在边墙底部初支钢架之间埋设预制水汽分离箱，再进行喷射混凝土复喷，并预留环向盲管、环向排气盲管及出水管接口条件及位置；

步骤二，隧道拱墙防排水系统施工：隧道初期支护结构施作完成后，按常规工序及工法进行隧道结构防排水施工；在此过程中，参照环向盲管施工流程，并列增设环向排气盲管，并一起接入水汽分离箱；在隧道拱顶沿纵向布置纵向排气盲管需从洞口开始施作衔接至不良气体段落末端，并与环向排气盲管按拟定间距连接；水汽分离箱底部出水管与横向排水管连接至侧沟，其余隧道排水措施按常规工序施工；

步骤三，隧道初期支护结构及防排水系统施工完成后，按照常规施工工法及工序进行隧道二次衬砌及其余项目施工，并依次进行多循环施工直到隧道贯通。

最后，上述安装完成之后，即可进行使用，使用时，隧道围岩中的不良气体与地下水混合后一起渗入环向排水盲管集中排至水汽分离箱，顺着螺旋槽道旋转排水过程中利用离心分离原理实现第一次水汽分离；之后，排至螺旋槽道末端的剩余水汽混合体垂直而下跌落至不锈钢筛网表面，利用跌水原理及拆流分离原理实现第二次水汽分离；上述两次分离出的不良气体自然升空后沿环向排气盲管汇集排出后进入纵向排气盲管，最终排至较近一侧洞外，以此实现有效控制和解决运营过程中隧道不良气体渗漏的工程问题。

在上述的整个实施操作过程中，环向盲管3作为常规隧道衬砌排水设施，全隧均有布置，其功能主要是将拱、墙位置地下水、混合不良气体吸收排至水汽分离箱9，而环向排气盲管12的功能主要是将分离出的不良气体收集排出，环向盲管3和环向排气盲管12二者均属于分离箱装置的对外接口，二者间距必须相同，且与水汽分离箱的接口一一对应。

该装置是安装在隧道初期支护结构中的钢架之间，前后均包裹有喷射混凝土；初期支护结构施工完成后继续施作二次衬砌结构，直至整个隧道施工完成，所以该装置施工后不做拆除，而是隧道建成后永久暗埋于隧道墙体内部，无需做任何拆除。

最后，需要说明的是，以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例，上述给定的参数仅为举例说明本发明的更为优的具体实施方式，技术人员可根据实际施工需求加以修改，装置中所涉及到的布置间距相同也仅是举例说明，具体的还可根据施工需要设置为不相同，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。