隧道渗水兼有害气体排放结构及半封闭充冰钻孔施工方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，特别涉及一种隧道渗水兼有害气体排放结构及半封闭充冰钻孔施工方法。

背景技术：

隧道的防水层或衬砌结构存在缺陷时，会产生局部地下水渗出。尤其是富水性隧道，渗水更加严重，洞壁渗水进入隧道内，会对隧道安全运营产生不利影响，甚至还会破坏隧道衬砌混凝土及围岩内部结构，降低隧道结构耐久性，缩短隧道的使用寿命。目前常用的隧道渗水治理方法：对于小面积渗水，常用速凝材料注浆堵水，采用加密横向、环向引排水孔，并加设纵向盲沟进行引排，或采用打排水管孔插管排水；对于大面积渗水，一般对渗水段采用注浆堵水的办法处理。但注浆堵水会导致围岩地下水沿防水层流动；同时渗水处置技术方法的工序复杂、施工工期长，严重影响隧道的正常使用。

中国专利公开号cn107237650a提出了一种隧道渗水负压排水技术，其核心思想是向注浆封闭钻孔的注浆段并预留透水段，排水作用使透水段内形成负压，迫使隧道围岩的地下水快速流向钻孔并排出地表。透水段与外界大气隔绝，排水过程发生前，孔内压力会随地下水的入渗而逐步增高，促使地下水自然流出孔口，当排水过程发生后，由于排水管的排水能力大于地下水入渗到透水钻孔段的空腔内的流量，透水管内会形成空腔，空腔的气压小于大气压（即负压），因而透水管周围的水会流向透水管。同时，由于透水管内存在负压，透水管周围各个方向的水都会流向透水管，因而，排水范围会增大，排水范围增大更有利于排出隧道围岩中的地下水。

然而，隧道渗水负压排水技术在现场施工过程中，钻孔的下半部分为透水钻孔段，需要保持透水效果，注浆封闭钻孔段的注浆不能进入透水钻孔段，如果注浆压力大，往往会冲破膨胀橡胶止水环等隔挡结构，浆体进入透水钻孔段，导致钻孔失效；如果注浆压力小，则起不到封堵封闭钻孔段的效果，形成不了负压的效果。因此，需要新的注浆技术来解决上述问题。

另外，对于瓦斯隧道，隧道渗水往往混杂有燃烧性和爆炸性的瓦斯等有害气体，其逸出进入隧道会对隧道运营安全构成威胁。瓦斯、一氧化碳等有害气体富集的隧道内，有害气体的防治主要采用封堵结合隧道内通风的方式进行。但衬砌背后的瓦斯气体，仅有极其微量的部分会通过渗透以及现有隧道的排水结构逸出，大量的瓦斯实际在衬砌背后集聚，引起衬砌背后水压和瓦斯压力回升，导致侵入隧道正常运营空间产生安全隐患甚至事故。而通过现有隧道排水结构逸出的瓦斯，在排水结构中发生水气混合，在隧道底部沿盲沟全纵向进行流通，虽然仅为微量，但也实际增加了瓦斯逸出的风险，尽管现有工程常常利用水气分离装置对水和瓦斯气体实施分离，然而该装置结构复杂，在使用过程中会存在施工不完善的问题，使装置产生缺陷而失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中隧道渗水通过负压排水的方案，存在注浆问题，导致负压形成效果不理想，同时沿排水结构逸出的有害气体难以与水分离，分离成本高，施工复杂，运营安全风险大等上述不足，提供一种隧道渗水兼有害气体排放结构及半封闭充冰钻孔施工方法。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种隧道渗水兼有害气体排放结构，包含透水管，所述透水管设于钻孔的透水段内，所述钻孔包含透水段与注浆段，所述钻孔从隧道的侧壁钻设，所述透水段与注浆段之间设有止水构件，所述透水管内填充有冰块，所述透水段内设有排水管的进水口，所述排水管进水口的高程高于所述排水管出水口的高程，所述排水管的扬程小于大气压对应的水柱高度。

所述透水管即是管壁具有透水孔的管体。

所述排水管的扬程小于大气压对应的水柱高度，即是所述排水管进水口与所述钻孔孔口之间的高差小于当地大气压对应的水柱高度，以便能够进行负压排水。

采用本发明所述的一种隧道渗水兼有害气体排放结构，根据所述隧道洞壁的渗水点的位置与范围，确定所述钻孔的位置，由于瓦斯、硫化氢、一氧化碳等有害气体密度低，容易向上聚集，所述钻孔从所述隧道侧壁向围岩内钻设，有利于在排水时排出围岩中的有害气体。所述注浆段能够起到封闭作用，除了用于保证形成负压，还能防止瓦斯等有害气体逸出进入隧道，迫使围岩地下水以及有害气体快速流向钻孔并排出隧道，在洞外产生水气分离，更加安全有效。在所述透水管中填充有冰块，使得在进行注浆时，能够对所述止水构件给予一定支撑，有利于防止所述浆体进入所述透水段，又能避免所述止水构件被挤压而产生较大位移，同时，能够有利于调高注浆压力，降低所述注浆段的孔隙率，更好的起到封闭作用，以保证所述透水段的负压效果，所述冰块溶解后，对所述隧道结构无影响，当所述隧道围岩中的地下水位上升引起所述排水管进水口的水头高度大于钻孔的孔口高程时，所述透水段内的地下水在水头差的作用下由排水管排出，随着排水过程的不断发生，会产生虹吸作用并引起所述透水段内产生负压，使围岩内的地下水加速流向所述透水段内，当排干钻孔附近的地下水时，所述排水管的吸排作用消失，一次排水过程结束；随着隧道围岩地下水位上升循环发生，排水过程循环重复进行。

采用本结构能够在排水环节中有效排出围岩中的有害气体，避免有害气体逸出进入所述隧洞中或在围岩中大量集聚，降低隧洞运营安全风险，延长隧道结构耐久性，在注浆时能够有效支撑止水构件，防止浆体进入透水段而干扰负压环境的形成，避免透水管的堵塞，防止止水构件因挤压而产生较大位移，有利于提高注浆压力，减少所述注浆段的裂隙，提高封闭效果，进而提升透水段的负压效果，有利于保证持续性排水、排气效果，结构简单难度低，对解决隧道渗水、瓦斯泄漏的治理问题具有重大意义。

优选的，所述冰块通过向所述透水段注入液氮形成。

所述透水段淹没在地下水以下时，可以通过充入液氮，使所述透水段内的水凝结形成冰块。

进一步优选的，所述注浆段的浆体为水泥砂浆或水泥-水玻璃双浆体。

优选的，所述冰块的粒径为所述钻孔孔径的5%-10%。

优选的，所述排水管的出水口置于所述隧道的侧沟中或所述隧道出口下方的水槽中。

若非瓦斯隧道，对有害气体的排放需求不高，则所述排水管的出水口置于所述隧道内的侧沟中，若需要同时排放地下水及有害气体，则置于所述水槽中。所述排水管的出水口宜一直处于液面以下，避免空气进入。

优选的，所述止水构件包含遇水膨胀橡胶止水条、止水带或沙袋。

优选的，所述注浆段的长度与所述隧道的衬砌混凝土厚度相同。

若所述隧道的衬砌混凝土的厚度不确定时，所述注浆段的长度取0.5-0.6m。

本发明还提供一种半封闭充冰钻孔施工方法，应用如上述任一所述的一种隧道渗水兼有害气体排放结构，包含如下步骤：

a、根据隧道侧壁渗水点的位置与范围，对应打设向下倾斜的钻孔，还可以结合有害气体逸出点的位置；

b、在所述钻孔的透水段内设置透水管，然后在所述透水管内插入排水管；

c、向所述透水管内填充冰块，然后安装止水构件封堵所述透水段；

d、向所述钻孔中入浆体形成注浆段，完成排放结构的施工。

采用本发明所述的一种半封闭充冰钻孔施工方法，排水结构施工简便、周期较短，利于对既有隧道渗漏水进行治理，排水结构同时能够利于有害气体排出，结构长期有效，施工难度小，通过在所述透水管中填充冰块以支撑所述止水构件，并未额外增加较大难度和成本，有效提高注浆环节的注浆压力，有利于提高注浆效率，避免损坏止水部件，有效保证注浆效果，从而保证负压环境的有效形成，进而保障排水系统的有效运行，实现持续性排水。

优选的，所述钻孔向下的倾角为5-10°。

优选的，在注浆结束后，还包含通过所述排水管向所述透水段注入40℃-50℃的水。

有利于加快冰块的融化，以便围岩中的地下水进入所述透水管中。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用本发明所述的一种隧道渗水兼有害气体排放结构，能够在排水环节中有效排出围岩中的有害气体，避免有害气体逸出进入所述隧洞中或在围岩中大量集聚，降低隧洞运营安全风险，延长隧道结构耐久性，在注浆时能够有效支撑止水构件，防止浆体进入透水段而干扰负压环境的形成，避免透水管的堵塞，防止止水构件因挤压而产生较大位移，有利于提高注浆压力，减少所述注浆段的裂隙，提高封闭效果，进而提升透水段的负压效果，有利于保证持续性排水、排气效果，结构简单难度低，对解决隧道渗水、瓦斯泄漏的治理问题具有重大意义。

2、采用本发明所述的一种半封闭充冰钻孔施工方法，排水结构施工简便、周期较短，利于对既有隧道渗漏水进行治理，排水结构同时能够利于有害气体排出，结构长期有效，施工难度小，通过在所述透水管中填充冰块以支撑所述止水构件，并未额外增加较大难度和成本，有效提高注浆环节的注浆压力，有利于提高注浆效率，避免损坏止水部件，有效保证注浆效果，从而保证负压环境的有效形成，进而保障排水系统的有效运行，实现持续性排水。

附图说明：

图1为本发明所述的一种隧道渗水兼有害气体排放结构的断面示意图；

图2为本发明所述的一种隧道渗水兼有害气体排放结构排水的断面示意图。

图3为实施例1中的排水管的另一种结构示意图。

图中标记：1-透水管，21-透水段，22-注浆段，23-止水构件，24-浆体，3-冰块，4-排水管，5-地下水位线，6-隧道，61-侧沟，62-水槽。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，隧道6对有害气体的排放无要求，主要针对渗水治理，本发明所述的一种隧道渗水兼有害气体排放结构，包含透水管1，所述透水管1设于钻孔的透水段21内，所述钻孔的位置根据渗水点位置确定，从所述隧道6的侧壁俯倾钻设，所述钻孔与水平面的倾角为5-10°，所述钻孔包含透水段21与注浆段22，所述注浆段22的长度与所述隧道6的衬砌混凝土厚度相同，所述透水段21长度如为5-10m，若所述隧道6的衬砌混凝土的厚度不确定时，所述注浆段22的长度取0.5-0.6m。所述透水段21与注浆段22之间设置止水构件23，所述透水段21内设有透水管1，所述透水管1内填充有固态的冰块3，所述透水段21内设有排水管4的进水口，所述排水管4进水口的高程高于所述排水管4出水口的高程，所述排水管4的出水口置于所述隧道6内的侧沟61中，所述排水管4的出水口宜一直处于液面以下，避免空气进入，所述排水管4的扬程小于当地大气压对应的水柱高度。

具体的，所述钻孔孔径宜大于70mm，所述透水管1可采用外织滤布、内撑hdpe的带孔波纹管，能够防止粗砂碎石等大颗粒进入，所述排水管4可采用管径为4-6mm的pu管，所述排水管4具有良好的气密性，围岩内的地下水位上升引起所述透水段21内的水头高度大于钻孔孔口高程时，所述透水段21内的地下水就会在水头差的作用下由所述排水管4排出，排水过程发生，虹吸作用引起所述透水段21产生负压，使围岩内的地下水加速流向所述透水段21，排干围岩及钻孔空腔内的地下水后，一次排水过程结束；随着降雨入渗的循环发生，排水过程循环进行，如图2所示。

所述注浆段22的浆体24采用水泥砂浆或水泥-水玻璃双浆体，利于防止瓦斯等有害气体逸出进入隧道6中，所述止水构件23包含遇水膨胀橡胶止水条、止水带或沙袋，待所述止水构件23封闭后，通过注浆封闭所述注浆段22的排水管4和孔壁之间的空隙。

所述透水管1内与排水管4之间充满所述冰块3，所述冰块的粒径为所述钻孔孔径的5%-10%，以便于在注浆时有效支撑所述止水构件23，有利于防止所述浆体24进入所述透水段21，又能避免所述止水构件23被挤压而产生较大位移。如所述透水段21淹没在地下水以下时，也可以通过充入液氮，使所述透水段21内的水凝结形成冰块，充入液氮对所述隧道6结构无影响。之后随时间持续，能够使所述冰块3溶解，从而腾出所述透水管1内的空腔以便进行排水。

本结构在注浆时能够有效支撑止水构件，防止浆体进入透水段而干扰负压环境的形成，避免透水管的堵塞，防止止水构件因挤压而产生较大位移，有利于提高注浆压力，减少所述注浆段的裂隙，提高封闭效果，进而提升透水段的负压效果，保证排水系统的有效性和持续性，结构简单难度低，具有良好的应用前景。

如图3所示，若所述隧道6为瓦斯隧道，需要排放瓦斯、硫化氢都有害气体，所述钻孔的位置结合有害气体逸出点的位置确定，从所述隧道6的侧壁靠近顶部位置俯倾钻设，所述钻孔底部与孔口之间的高差为1.5-2m，瓦斯等有害气体密度低，容易向上聚集，上述方式利于对有害气体的吸排，所述排水管4的出水口则置于所述隧道6以外的排水结构中，如出口下方的水槽62中，以便将有害气体排入所述隧道6以外，使其在洞外产生水气分离，更加安全有效。

实施例2

本发明所述的一种半封闭充冰钻孔施工方法，采用如实施例1所述的排放结构，包含如下步骤：

a、根据隧道6侧壁的渗水点、有害气体逸出点（若有）的位置与范围，对应打设向下倾斜的钻孔；

b、在所述钻孔的透水段21内设置透水管1，然后在所述透水管1内插入排水管4，使所述排水管4的端口深入所述透水管1底部；

c、使所述透水管1内充满冰块3并压实，然后安装止水构件23封堵所述透水段21；

d、向所述钻孔中入浆体24形成注浆段22，完成排放结构的施工；注浆时能够提高注浆压力，所述浆体24流入周围围岩中，进一步保证所述注浆段22的封闭性，进一步避免渗水和有害气体逸出。

步骤d中，在注浆结束后，还可包含通过所述排水管4向所述透水段21注入40℃-50℃的水，有利于加快冰块的融化，以便围岩中的地下水进入所述透水管1中。

该方法施工简便、周期较短，利于对既有隧道渗漏水进行治理，排水结构同时能够利于有害气体排出，结构长期有效，施工难度小，通过在所述透水管中填充冰块以支撑所述止水构件，并未额外增加较大难度和成本，有效提高注浆环节的注浆压力，有利于提高注浆效率，避免损坏止水部件，有效保证注浆效果，从而保证负压环境的有效形成，进而保障排水系统的有效运行，实现持续性排水、排气。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。