本發(fā)明涉及一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)及其施工工藝。

背景技術(shù)：

壓力隧洞的特點(diǎn)是：一是斷面形狀多為圓形，因其主要荷載為高內(nèi)水壓力及高外水壓力，故圓形斷面的受力條件較好，且斷面濕周最??；二是洞身在巖體中開(kāi)挖而成，巖體原有的平衡狀態(tài)遭受破壞，可能產(chǎn)生較大變形或崩塌，故常常采取永久性襯砌以確保安全；三是洞身要承受高內(nèi)外水壓力及圍巖壓力等作用。因此，洞身襯砌要有足夠的強(qiáng)度和抗?jié)B漏功能。

隧洞襯砌的主要目的是：承受高內(nèi)水、外水壓力及其他荷載；防止內(nèi)水外滲，危及圍巖及鄰近建筑物的安全等。目前，常采用的襯砌型式有普通鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼板襯砌等。由于用鋼筋來(lái)防止混凝土裂縫的發(fā)生，理論上和實(shí)踐中都證明是行不通的，故國(guó)內(nèi)外多采用有粘結(jié)或無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌隧洞，上述預(yù)應(yīng)力混凝土均需耗費(fèi)大量預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)、低松弛鋼材和錨具以及相當(dāng)多的普通鋼筋，施工麻煩。同時(shí)，因沿程預(yù)應(yīng)力損失，致使環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力分布不均勻，受力狀態(tài)欠佳。因此，選用外加預(yù)應(yīng)力法，采用圓環(huán)形扁千斤頂施加預(yù)應(yīng)力，不僅省去大量高強(qiáng)鋼材，而且應(yīng)力分布均勻，是一種經(jīng)濟(jì)、合理的選擇。

地下水的存在，一般來(lái)說(shuō)，總是不利的因素，它除了使地質(zhì)條件惡化之外，更會(huì)在隧洞襯砌外面產(chǎn)生很大的外水壓力，而外水壓力卻是促使襯砌破壞的主要原因之一。巖體中的隧洞必須和巖體的埋藏特性、構(gòu)造和水化學(xué)特性相適應(yīng)，必須對(duì)巖體的裂隙度、透水程度以及地下水對(duì)巖石的溶解度進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，尤其是當(dāng)斷層、裂縫中夾有易被水侵蝕、淘刷的軟弱填充物時(shí)，更不能忽視。應(yīng)該指出，最危險(xiǎn)的情況是由細(xì)沙和淤泥組成的含水層。在這種情況下，任何一種自然平衡的破壞、急劇的抽水或壅水都可能引起流沙移動(dòng)，從而使得上部巖層發(fā)生滑動(dòng)或坍塌。

透水的和龜裂的巖體，常使雨水和位于隧洞高程以上的山溪、積雪和湖泊中的水流向深處，因而在隧洞襯砌外側(cè)造成很大的外水壓力。在原來(lái)沒(méi)有地下水的巖體內(nèi)，高壓隧洞中的水也可能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)緩慢地從隧洞內(nèi)滲出，并填充在周圍巖體的孔隙中。當(dāng)以后隧洞放空時(shí)，襯砌就會(huì)在接近于內(nèi)水壓力強(qiáng)度的外水壓力作用下被破壞。有些巖體中會(huì)有粘土層存在，它可能是原生的或由變質(zhì)作用形成的。這種成層狀的巖體有可能沿粘土層或其他巖層滑動(dòng)，此時(shí)，地下水的存在是特別危險(xiǎn)的因素。在這種情況下，巖層將發(fā)生較大的位移，巖石壓力將隨即急劇增大，被水潤(rùn)濕的云母頁(yè)巖亦有這種危險(xiǎn)。

消除外水壓力的有效方法是采用先“堵”后“排”的工程措施，所謂“堵”就是對(duì)襯砌外圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，深入圍巖一定深度鉆孔，在壓力下進(jìn)行水泥灌漿，灰漿充填節(jié)理、裂隙滲漏通道，使圍巖的整體性得到提高，同時(shí)提高其抗?jié)B性和堅(jiān)固性，以達(dá)到形成堅(jiān)固的承載圈和密實(shí)的防滲圈的目的。但固結(jié)灌漿并不能完全截?cái)酀B流，為了收集并排走滲透過(guò)來(lái)的水流，尚需在襯砌背后設(shè)置排水系統(tǒng)。所謂“排”就是在襯砌層背后設(shè)置排水孔，并深入到圍巖一定深度，但不穿過(guò)固結(jié)灌漿層，將襯砌外的滲水排出隧洞外，以達(dá)到進(jìn)一步降低襯砌外水壓力的目的。在固結(jié)灌漿層和系統(tǒng)排水的共同作用下，使襯砌外水壓力降至允許值以內(nèi)。

已建隧洞大多是以堵為主，堵、排結(jié)合的地下水防滲思想進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，認(rèn)為首先采取固結(jié)灌漿處理措施，形成良好的抗?jié)B灌漿圈，可將高地下水壓力控制在灌漿圈的外部，使灌漿圈圍巖成為承受外水壓力的主要結(jié)構(gòu)，然后，對(duì)隧洞頂部和側(cè)墻深入圍巖一定深度鉆排水孔，加強(qiáng)排水效果，以降低外水壓力。對(duì)于壓力隧洞的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則多是利用已有探洞、施工支洞或根據(jù)圍巖地質(zhì)構(gòu)造等因素專門設(shè)計(jì)用于排水目的的排水洞，然后在洞內(nèi)布置水平斜向和垂直斜向排水孔。排水洞的支護(hù)，ⅱ、ⅲ類圍巖僅用噴混凝土支護(hù)，ⅳ類圍巖及破碎帶地段則采用噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。

消除或減小外水壓力的有效工程措施是堵、排相結(jié)合的原則，堵即對(duì)襯砌外圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，以降低圍巖的滲透性。灌漿時(shí)間有兩種：一是襯砌完成后進(jìn)行，質(zhì)量有保證，但對(duì)排水孔可能造成堵塞；二是超前預(yù)灌漿，即在洞開(kāi)挖之前預(yù)灌漿后再開(kāi)挖洞，灌漿質(zhì)量有提高，但施工麻煩，難以推廣。對(duì)壓力隧洞的排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是設(shè)置排水洞，洞內(nèi)布置排水孔。問(wèn)題是排水洞的布置，當(dāng)然是利用施工支洞或地質(zhì)探洞，或開(kāi)挖專供排水的水平坑道，或多或少地與隧洞軸線垂直布置。因?yàn)榕c壓力隧洞平行布置的較大型排水洞是危險(xiǎn)的?？傊?，壓力隧洞的排水系統(tǒng)的出水口多不能在洞內(nèi)，因?yàn)榕聝?nèi)水跑出去。但也有研究將排水管出口布置在洞內(nèi)，此時(shí)出水口設(shè)有壓力閥，當(dāng)外水壓力大于內(nèi)水壓力時(shí)，閥門打開(kāi)，外水排入洞內(nèi)；當(dāng)外水壓力小于內(nèi)水壓力時(shí)，閥門關(guān)閉，防止內(nèi)水向外流出。由于壓力閥經(jīng)常失控，且不能消除外水壓力，故尚未推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)先固結(jié)灌漿，然后設(shè)置縱、橫向排水系統(tǒng)及排水孔系統(tǒng)，以降低或消除襯砌的承受的高外水壓力的壓力的隧洞結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的是還提供一種外加預(yù)應(yīng)力法施加預(yù)應(yīng)力，不僅可省去預(yù)應(yīng)力鋼材和錨具，考慮到混凝土抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)，適當(dāng)提出預(yù)應(yīng)力度，還可節(jié)省大量普通鋼筋的承受的高外水壓力的壓力的隧洞結(jié)構(gòu)施工工藝。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)，其包括：

若干圍成圓形的扁千斤頂，扁千斤頂?shù)耐鈧?cè)為圍巖，圍巖的外層為固結(jié)灌漿圈，

設(shè)置在扁千斤頂內(nèi)側(cè)的預(yù)應(yīng)力砼襯砌，

排水系統(tǒng)，包括縱向排水槽、環(huán)向排水溝、排水層和排水孔，縱向排水槽開(kāi)設(shè)在圍巖表面的最低處，并與集水井連通；環(huán)向排水溝開(kāi)設(shè)于扁千斤頂之間，且底端與縱向排水槽連通；排水層位于預(yù)應(yīng)力砼襯砌與固結(jié)灌漿圈之間；所述排水孔的一端與環(huán)向排水溝連通，另一端穿過(guò)所述的圍巖并靠近固結(jié)灌漿圈。

所述排水孔的內(nèi)部設(shè)置有過(guò)濾排水花管，過(guò)濾排水花管帶有封底的一端插入排水孔內(nèi)，過(guò)濾排水花管包括管體，管體上分布有若干層過(guò)濾排水無(wú)紡織物。

所述環(huán)向排水溝的橫截面為長(zhǎng)方形或拱形。

所述相鄰的兩個(gè)環(huán)向排水溝之間的扁千斤頂?shù)臄?shù)目為一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)。

本發(fā)明的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)施工工藝，其包括以下步驟：

1)隧洞斷面開(kāi)挖完成后，首先進(jìn)行固結(jié)灌漿處理；然后放樣，將若干扁千斤頂?shù)陌惭b位置、縱向排水槽、環(huán)向排水溝以及排水孔的位置予以確定；

隧洞斷面開(kāi)挖完成后，在隧洞內(nèi)壁鉆孔，孔深約為隧洞半直徑，沿洞軸向排距及環(huán)向每排孔的間距均與灌漿壓力、灌漿孔水泥漿的擴(kuò)散半徑等因素有關(guān)，需由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。在所鉆孔內(nèi)插入注漿管，注漿管上設(shè)置氣壓止?jié){塞，以提高灌漿效果，灌漿時(shí)，首先進(jìn)行深層灌漿，氣壓止?jié){塞位于1/2孔深處，灌漿壓力2倍左右內(nèi)水壓力；打開(kāi)氣壓止?jié){塞的閥門，放掉空氣，并向外拉出灌漿管，使氣壓止?jié){塞距孔口約1/3孔深的位置時(shí)，充氣止?jié){后進(jìn)行淺層灌漿，灌漿壓力稍低。針對(duì)洞壁普遍發(fā)生松弛裂隙破壞的情況下設(shè)計(jì)淺層灌漿配合深層灌漿以提高灌漿層的承載能力和抗?jié)B性能；

2)在環(huán)向排水溝內(nèi)打排水孔并安裝過(guò)濾排水花管，完成后孔口用木塞堵住，以防雜物掉入孔內(nèi)；最后，在環(huán)向排水溝的圍巖一面鋪放無(wú)紡織物。

3)在隧洞開(kāi)挖斷面的底部開(kāi)挖縱向排水槽并以鋼筋混凝土襯砌，除與環(huán)向排水溝交叉部位外，其余部位均用薄鋼板封住頂口，以防混凝土等落入槽內(nèi)；

4)沿著隧洞中心線縱向均勻安裝扁千斤頂，用水泥砂漿封堵兩側(cè)縫隙；并埋入注漿管和排氣管，以便進(jìn)行扁千斤頂背后的回填灌漿；

5)拔掉排水孔上的木塞后，再安裝環(huán)向排水溝上部的鋼板構(gòu)件，用細(xì)鉛絲將構(gòu)件固定在地腳螺絲上。該構(gòu)件與兩側(cè)圓環(huán)形扁千斤頂接觸部位的縫隙用水泥砂漿抹平，形成光滑曲面。應(yīng)指出的是，縱向與環(huán)向排水槽、溝交叉連接處要通暢；

6)澆筑隧洞襯砌混凝土待襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即可施加外預(yù)應(yīng)力。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)是通過(guò)采用外加預(yù)應(yīng)力，可節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼材和錨具；提高預(yù)應(yīng)力度，可節(jié)省大量普通鋼筋。采用先堵后排措施，可消除襯砌上的外水壓力，減小滲漏流量。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)的縱剖面示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)的橫剖面示意圖；

圖3是圖1中過(guò)濾排水花管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖1中a部的放大結(jié)構(gòu)示意圖之一；

圖5是圖1中a部的放大結(jié)構(gòu)示意圖之一；

圖6是圖1中b部的放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)施工工藝中固結(jié)灌漿圈灌漿結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

1、扁千斤頂；2、圍巖；3、固結(jié)灌漿區(qū)；4、預(yù)應(yīng)力砼襯砌；5、縱向排水槽；6、環(huán)向排水溝；7、排水層；8、排水孔；9、管體；10、過(guò)濾無(wú)紡織物；11、注漿管；12、氣壓止?jié){塞；13、封底；14、深層灌漿區(qū)；15、排水孔區(qū)；16、淺層灌漿區(qū)。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。

參見(jiàn)圖1-6所示；

本發(fā)明的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)，其包括：

若干圍成圓形的扁千斤頂1，扁千斤頂1的外側(cè)為圍巖2，圍巖2的外層為固結(jié)灌漿圈3，

設(shè)置在扁千斤頂1內(nèi)側(cè)的預(yù)應(yīng)力砼襯砌4，

排水系統(tǒng)，包括縱向排水槽5、環(huán)向排水溝6、排水層7和排水孔8，縱向排水槽5開(kāi)設(shè)在圍巖2表面的最低處，并與集水井(未圖示)連通，通過(guò)排水泵將集水井中的水排往洞外；環(huán)向排水溝6開(kāi)設(shè)于扁千斤頂1之間，且底端與縱向排水槽5連通；排水層6設(shè)置在圍成圓形的扁千斤頂1與淺層灌漿區(qū)15之間；所述排水孔7的一端與環(huán)向排水溝6連通，另一端穿過(guò)所述的圍巖2并靠近固結(jié)灌漿圈3。

所述排水孔8的內(nèi)部設(shè)置有過(guò)濾排水花管，過(guò)濾排水花管帶有封底13的一端插入排水孔8內(nèi)，過(guò)濾排水花管包括管體9，管體9上分布有若干層過(guò)濾無(wú)紡織物10。

所述環(huán)向排水溝6的橫截面為長(zhǎng)方形或拱形。

所述相鄰的兩個(gè)環(huán)向排水溝6之間的扁千斤頂1的數(shù)目為一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)。

本發(fā)明的一種承受高內(nèi)外水壓力的隧洞結(jié)構(gòu)施工工藝，其包括以下步驟：

1)隧洞斷面開(kāi)挖完成后，首先進(jìn)行固結(jié)灌漿處理；然后放樣，將若干扁千斤頂1的安裝位置、縱向排水槽5、環(huán)向排水溝6以及排水孔8的位置予以確定；

隧洞斷面開(kāi)挖完成后，并鉆孔，孔深約為隧洞半直徑，沿洞軸向排距及環(huán)向每排孔的間距均與灌漿壓力、灌漿孔水泥漿的擴(kuò)散半徑等因素有關(guān)，需由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。在所鉆孔內(nèi)插入注漿管11(如圖7所示)，注漿管11上設(shè)置氣壓止?jié){塞12，注漿管11上位于氣壓止?jié){塞12的后端為深層灌漿區(qū)14，靠近圍巖2的一端排水孔區(qū)15，排水孔區(qū)15與氣壓止?jié){塞12之間為淺層灌漿區(qū)16，以提高灌漿效果以提高灌漿效果，灌漿時(shí)，首先進(jìn)行深層灌漿，氣壓止?jié){塞12位于1/2孔深處，灌漿壓力2倍左右內(nèi)水壓力；打開(kāi)氣壓止?jié){塞12的閥門，放掉空氣，并向外拉出注漿管11，使氣壓止?jié){塞12距孔口約1/3孔深的位置時(shí)，充氣止?jié){后進(jìn)行淺層灌漿，灌漿壓力稍低。針對(duì)洞壁普遍發(fā)生松弛裂隙破壞的情況下設(shè)計(jì)淺層灌漿配合深層灌漿以提高灌漿層的承載能力和抗?jié)B性能；

2)在環(huán)向排水溝6內(nèi)打排水孔8并安裝過(guò)濾排水花管，完成后孔口用木塞堵住，以防雜物掉入孔內(nèi)；最后在環(huán)向排水溝的圍巖一面鋪放若干層無(wú)紡織物。

3)在隧洞開(kāi)挖斷面的底部開(kāi)挖縱向排水槽5并以鋼筋混凝土襯砌，除與環(huán)向排水溝6交叉部位外，其余部位均用薄鋼板封住頂口，以防混凝土等落入槽內(nèi)；

4)沿著隧洞中心線縱向均勻安裝扁千斤頂1，用水泥砂漿封堵兩側(cè)縫隙；并埋入注漿管和排氣管，以便進(jìn)行扁千斤頂1背后的回填灌漿；

5)拔掉排水孔8上的木塞后，再安裝環(huán)向排水溝6上部的鋼板構(gòu)件，用細(xì)鉛絲將構(gòu)件固定在地腳螺絲上。該構(gòu)件與兩側(cè)扁千斤頂1接觸部位的縫隙用水泥砂漿抹平，形成光滑曲面。應(yīng)指出的是，縱向排水槽5、環(huán)向排水溝6交叉連接處要通暢；

6)澆筑隧洞襯砌混凝土待襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即可施加外預(yù)應(yīng)力。

本發(fā)明的襯砌混凝土內(nèi)的巨大拉應(yīng)力主要靠外加預(yù)應(yīng)力法所產(chǎn)生的襯砌混凝土內(nèi)的預(yù)壓應(yīng)力來(lái)抵消。至于高外水壓力控制襯砌混凝土設(shè)計(jì)的壓力隧洞，宜采用固結(jié)灌漿封堵及設(shè)置有效的排水系統(tǒng)相結(jié)合的措施。

隧洞的襯砌混凝土厚度(不包括圍巖超挖部分)，可根據(jù)強(qiáng)度、抗?jié)B和構(gòu)造要求，并結(jié)合圓環(huán)形扁千斤頂1施加外預(yù)應(yīng)力的施工方法經(jīng)過(guò)綜合分析計(jì)算確定，為洞徑的1/10左右。若襯砌開(kāi)裂后，造成內(nèi)水外滲，會(huì)危及圍巖穩(wěn)定或鄰近建筑物安全時(shí)，應(yīng)按抗裂設(shè)計(jì)，可適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力度。襯砌不開(kāi)裂，自然也不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)水外滲現(xiàn)象。由于采用外加預(yù)應(yīng)力法，不需要任何額外支出，只需升高注漿壓力，即可獲得設(shè)計(jì)所需要的預(yù)壓應(yīng)力值。

環(huán)向排水溝6的斷面形狀可以是矩形斷面，如圖4所示，也可以是城門洞形或拋物線型，如圖5所示，環(huán)向排水溝6由圍巖表面及薄鋼板構(gòu)成。其間距為一道或二、三道圓環(huán)形扁千斤頂1的寬度，根據(jù)地質(zhì)和滲水情況而定。在環(huán)向排水溝6內(nèi)則布置排水孔8?？v向排水槽5和環(huán)向排水溝的6交叉連接如圖6所示。整個(gè)隧洞就構(gòu)成了縱、橫向排水網(wǎng)，最后直至匯流到集水井內(nèi)，再通過(guò)水泵排往下游。

以上只通過(guò)說(shuō)明的方式描述了本發(fā)明的某些示范性實(shí)施例，毋庸置疑，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式對(duì)所描述的實(shí)施例進(jìn)行修正。因此，上述附圖和描述在本質(zhì)上是說(shuō)明性的，不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。