一种岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法及导水结构与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法及导水结构。


背景技术：

2.在岩溶地区修建隧道，区域地下岩溶管道、暗河水系十分发育，不可避免地会遭遇到突涌水的威胁和挑战，施工期防排水控制困难，处治不当容易引起隧道淹没、围岩失稳、结构破坏，甚至造成重大人员伤亡等严重事故。
3.目前岩溶地区隧道正穿暗河，根据现场开挖揭露暗河发育情况，一般采用架桥跨越、隧道下方增设泄水洞排水等方式，然而当隧道与暗河相交位置处于隧道断面上部，暗河涌水量大且河道坡度缓平，上下游揭露点之间高差较小，传统的暗河处治方法就不再适用。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法及导水结构，适用于隧道与暗河相交位置处于隧道断面上部，暗河涌水量大且河道坡度缓平，在此情况下，基于地下水环境保护理念，处治暗河涌水，并尽快恢复施工。
5.为实现上述目的，本发明提供的岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法，包括以下步骤：1）采用三级台阶分步法开挖隧道穿越暗河段落；2）施作穿越高水位暗河的呈桥梁型式上跨隧道的导水结构；3）对所述导水结构的进水口周围设置挡水墙，封堵暗河径流路径，将水引入挡水墙中预埋的导水管道；4）对所述导水结构出水口周围设置挡水墙，保证暗河管道内的水不回流至隧道范围内。
6.进一步地，在所述步骤1）之前，还包括，确认洞内暗河走向、规模、高程、流量、围岩状况，绘制暗河地形平面图与典型剖面图的步骤。
7.进一步地，所述步骤1），还包括，由三级台阶的上台阶、中台阶到下台阶依次开挖；揭露暗河处于隧道断面上部位置；在中、下台阶开挖中，进行局部出水点的注浆加固。
8.进一步地，在所述步骤2）之前，还包括设置穿越高水位暗河导水结构：根据结构自重和最大过水量，验算所述导水结构基础承载力f：设工字钢横梁、斜撑自重为q1，导水管道自重为q2，单侧立柱自重为q3，最大过水量情况下水重为q，横梁长度为l，采用结构力学分析计算，单侧的混凝土基础需要达到的承载力f应满足：f≥（q+q1+q2）l/2+q3。
9.进一步地，在所述步骤2），还包括，
在隧道两侧施作导水结构的基础；施作导水结构的钢支撑桁架；施作导水结构的导水管道。
10.进一步地，所述在隧道两侧施作导水结构的基础的步骤，还包括，本发明实施例中，在隧道两侧施作导水结构的基础，确定u型混凝土底座与下部钢花管位置，将所述钢花管呈梅花型布置并打入下部基岩中；进一步地，所述施作导水结构的钢支撑桁架的步骤，还包括，将所述钢支撑桁架的立柱、斜撑与横梁连接在一起，并将所述立柱固定于u型混凝土底座上；将横梁设置在隧道拱顶的上部1~3m；设置一道或多道斜撑，角度为45
°
。
11.更进一步地，所述施作导水结构的导水管道的步骤，还包括，将导水管道由水流方向依次分为：进水口侧导水管道、上跨段导水管道、出水口侧导水管道；根据暗河涌水量监测峰值及富余系数，确定导水管道数量与断面积；将导水管道布设于所述钢支撑桁架的横梁上，将所述进水口侧导水管道和所述出水口侧导水管的坡度为10
°
，设置上跨段导水管道的坡度为2
°
布设于所述导水结构钢支撑桁架的横梁上。
12.为实现上述目的，本发明还提供一种岩溶隧道穿越高水位暗河施工的导水结构，包括，导水管道、钢支撑桁架、u型混凝土底座，以及钢花管，其中所述导水管道设置在所述钢支撑桁架上；所述钢支撑桁架位于所述u型混凝土底座上；所述u型混凝土底座下部设置有所述钢花管，所述钢花管呈梅花型布置并打入下基岩中。
13.更进一步地，所述钢支撑桁架，包括，固定连接在一起的立柱、斜撑与横梁；所述导水管道，包括，进水口侧导水管道、上跨段导水管道、出水口侧导水管道；所述进水口侧导水管道和所述出水口侧导水管的坡度为10
°
，上跨段导水管道的坡度为2
°
，并布设在所述导水结构钢支撑桁架的横梁上。
14.本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法及导水结构，与现有技术相比较具有以下有益效果：将隧道施工中揭露暗河大流量地下水，以上跨隧道输导方式引入暗河下游，能够尽快恢复隧道施工，保护地下水环境并节约了大流量抽排水费用。
15.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为根据本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法流程图；图2为根据本发明的隧道穿越暗河段落台阶法施工工序示意图；
图3为图2中隧道台阶纵向开挖示意图；图4为根据本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河导水结构示意图；图5为根据本发明的溶洞管道进水口设置示意图；图6为根据本发明的溶洞管道出水口设置示意图。
17.图中标记列示如下：1-上台阶；2-中台阶；3-下台阶；4-局部出水点注浆加固；5-进水口侧导水管道（10
°
倾斜）；6-上跨段导水管道（2
°
倾斜）；7-出水口侧导水管道（10
°
倾斜）；8-立柱；9-斜撑；10-横梁；11-u型混凝土底座；12-钢花管；13-暗河河床；14-淤泥层；15-基岩；16-沙袋；17-挡水墙；18-清淤位置；19-溶洞管道出水口。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
19.本发明实施例提供一种岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法及导水结构，适用于隧道穿越暗河，暗河揭露点位于隧道断面上部，河床及水位较高。本发明能够在隧道揭露暗河后尽快恢复现场施工，同时将暗河水从上游导入下游，从而减少地下水流失并节约大流量抽排水的费用。
20.实施例1图1为根据本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法流程图，下面将参考图1，对本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法进行详细描述。
21.首先，在步骤101，暗河调查，绘制暗河地形平面图与典型剖面图。
22.本发明实施例中，采用地质调查、测量等手段，确认洞内暗河走向、规模、高程、流量、围岩状况等，绘制暗河地形平面图与典型剖面图。
23.在步骤102，开挖隧道穿越暗河段落。
24.本发明实施例中，在隧道穿越暗河段落开挖时，穿越段落分步施工采用三级台阶施工，所述三级台阶包括上台阶、中台阶和下台阶。
25.图2为根据本发明的隧道穿越暗河段落台阶法施工工序示意图，图3为图2中隧道台阶纵向开挖示意图，如图2和3所示，隧道穿越暗河段落开挖方法为三台阶法，由上至下依次开挖；其中，揭露暗河处于隧道断面上部位置；中、下台阶开挖中应当进行局部出水点的注浆加固。
26.在步骤103，在上台阶揭露高水位暗河后，进行地下水抽排。
27.本发明实施例中，在上台阶揭露高水位暗河后，及时进行地下水抽排，将隧道内涌水临时性抽出洞外，确保洞内不形成积水。
28.在步骤104，进行中、下台阶施工，对局部出水点注浆加固。
29.本发明实施例中，进行中、下台阶施工，将隧道断面下部淤泥清除干净，并对局部出水点采用注浆加固。
30.在步骤105，设置穿越高水位暗河导水结构。
31.本发明实施例中，在断面下部清淤后，施作穿越高水位暗河导水结构，导水结构呈桥梁型式上跨隧道。
32.本发明实施例中，为保证导水结构在施工期的稳定、安全，需考虑结构自重以及最
大过水量，验算导水结构基础承载力f：设工字钢横梁、斜撑自重为q1，导水管道自重为q2，单侧立柱自重为q3，最大过水量情况下水重为q，横梁长度为l，采用结构力学分析计算，单侧的混凝土基础需要达到的承载力f应满足：f≥（q+q1+q2）l/2+q3在步骤106，在隧道两侧施作导水结构的基础。
33.本发明实施例中，在隧道两侧施作导水结构的基础，基础由u型混凝土底座与下部钢花管组成，u型混凝土底座与下部钢花管位置根据现场情况确定，钢花管长度需打入下部基岩中。
34.本发明实施例中，建议采用φ108mm钢花管，间距15cm呈梅花型布置，钢花管长度根据下部淤泥层厚度确定并且需要打入基岩中。
35.在步骤107，施作导水结构的钢支撑桁架。
36.本发明实施例中，施作导水结构的钢支撑桁架，桁架包括立柱、斜撑与横梁，材料均采用工字钢，立柱采用螺栓连接固定于前述u型混凝土底座，立柱、斜撑与横梁采用焊接方式连接。
37.本发明实施例中，钢支撑桁架的立柱、斜撑与横梁，材料采用ⅰ36c工字钢。横梁与隧道拱顶距离h，h建议取1~3m；斜撑数量依据立柱高度（h）确定，当立柱高度h≤5m，宜设置一道斜撑，焊接位置位于立柱中点；当立柱高度h＞5m，宜设置两道斜撑，焊接位置分别位于1/3h、1/2h处，斜撑角度均采用45
°
。
38.在步骤108，施作导水结构的导水管道。
39.本发明实施例中，施作所述导水结构的导水管道，导水管道布设于上述钢支撑桁架的横梁上，采用铸铁管材，导水管道数量与断面积根据暗河涌水量监测峰值并考虑一定富余系数确定。所述导水管道分为3部分，由水流方向依次为进水口侧导水管道、上跨段导水管道、出水口侧导水管道。
40.本发明实施例中，导水管道数量与断面积根据暗河涌水量监测峰值并考虑一定富余系数确定。例如暗河涌水量峰值为每小时8000m3的涌水量，根据经验公式计算，并取富余系数1.2，建议采用2根φ80cm的铸铁管上跨隧道架设，同时为便于暗河水疏导，导水管道设置取倾斜角度2
°
布设于导水结构横梁上。
41.在步骤109，对导水结构的进水口周围溶洞进行清理。
42.本发明实施例中，对所述导水结构的进水口周围溶洞进行清理并设置挡水墙，封堵暗河径流路径，将水引入挡水墙中预埋的导水管道。管道坡度设置为10
°
。
43.在步骤110，对所述导水结构出水口周围溶洞管道进行清理。
44.本发明实施例中，对所述导水结构出水口周围溶洞管道进行清理，保证水流可以顺坡排出，并设置挡水墙，保证暗河管道内的水不回流至隧道范围内。
45.实施例2本发明的实施例还提供一种岩溶隧道穿越高水位暗河导水结构，图4为根据本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河导水结构示意图，图5为根据本发明的溶洞管道进水口设置示意图，图6为根据本发明的溶洞管道出水口设置示意图，如图4-6所示，本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河导水结构，包括，进水口侧导水管道5、上跨段导水管道6、出水口侧导水管道7、立柱8、斜撑9、横梁10、u型混凝土底座11，以及钢花管12，其中，
进水口侧导水管道5、上跨段导水管道6、出水口侧导水管道7依次连接，进水口侧导水管道5和出水口侧导水管道7坡度设置为为10
°
，上跨段导水管道6与平面的倾斜角度为2
°
。
46.横梁10，位于上跨段导水管道6下部，其两端分别与两个立柱8的上端部连接。
47.两个立柱8的下端部，分别位于两个设置在地上的u型混凝土底座11上。
48.两个斜撑9，分别设置在两个立柱8与横梁10之间。
49.多根钢花管12，分别设置在u型混凝土底座11的下部。
50.本发明实施例中，管道架设应当尽量保证管道顺直。挡水墙17地基承载力建议不小于250kpa，宜设置在暗河通道断面较小处。进水口侧挡水墙应封堵暗河径流路径，并在挡水墙中预埋导水管道；为保证进水口侧导水管道5的稳定性，应在导水管道拐角处垫沙袋16，沙袋高度根据现场情况和地基承载力进行调整，施工前要进行清淤处理。出水口侧架设管道并进行清淤，保证除管道外净空不小于原有溶洞断面面积，应当尽量保证管道顺直，以便于水流可以顺坡排出。
51.本发明的岩溶隧道穿越高水位暗河施工方法及导水结构，针对岩溶隧道施工中穿越暗河，暗河揭露点位于隧道断面上部，河床及水位较高，常规架设桥梁跨越、增设隧道下方泄水洞排水等处治方法并不适用的情况，能够快速恢复施工，有效保护地下水环境并节约大流量地下水抽排费用。
52.本发明的施工方法，应当在暗河枯水期及时施作导水结构并保证足够的抽水能力，以保证施工安全。
53.本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。