特长隧道涌水防治系统及其施工方法

摘要

本发明提出了一种特长隧道涌水防治系统及其施工方法，防治系统包括由混凝土浇筑形成的挡水墙，挡水墙设置于距正洞掌子面预设距离的位置，并与正洞的周向侧壁完全贴合，挡水墙的底部浇筑形成有挡水墙基础，正洞基坑的底部挖设有容纳挡水墙基础的基槽，挡水墙的周边通过砂浆锚杆锚入基岩，挡水墙内预埋有导向管，导向管沿掘进方向延伸且其两端伸出挡水墙，导向管呈梅花型布设，挡水墙的下方靠近正洞基坑两侧的位置开设有临时排水沟，钻机的钻杆穿过导向管钻打正洞掌子面，在正洞掌子面形成泄水孔，解决现有技术中隧道斜井内有大量存水时，隧道正洞施工至斜井贯通面附近时易发生涌水、突泥等现象，存在较大安全隐患和不便施工的问题。

说明书

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，具体提供一种特长隧道涌水防治系统及其施工方法。

背景技术

近年来，随着我国公路、铁路交通建设的蓬勃发展，隧道建设里程不断刷新，地质情况越发复杂，隧道突发涌水、突泥已经成为最严重的工程灾害之一。快速解决涌水、突泥的后续工作，迅速恢复生产，正在成为当前的一个研究热点。

以云南华丽高速公路营盘山隧道为例，其全长11.28km，最大埋深883m，穿越褶皱带，节理裂隙发育，地质为白云岩，IV级围岩，基岩中有裂隙水和岩溶水，地形、地质环境条件特殊，施工重难点较多，技术难题十分复杂。

施工过程中，营盘山隧道2#斜井正洞左洞掌子面突发涌水和突泥，瞬时突水量达8000m³，突泥量5000m³以上。历时1年多，斜井与斜井转主洞内存水量达26万m³，送风、排风斜井洞口仍以1500m³/h的速度向外排放。

随着正洞的掘进，正洞距离2#斜井贯通面越来越近，随时可能出现涌水、突泥及大范围坍塌等情况，安全风险越来越高，现急需要对斜井内存水进行排放，以保证掌子面的安全施工和正洞的顺利贯通。

相应地，本领域需要一种特长隧道涌水防治系统及其施工方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提出一种特长隧道涌水防治系统及其施工方法，解决现有技术中的隧道斜井内有大量存水时，隧道正洞施工至斜井贯通面附近时易发生涌水、突泥等现象，存在较大安全隐患和不便施工的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种特长隧道涌水防治系统，特长隧道包括斜井和正洞，特长隧道涌水防治系统包括由混凝土浇筑形成的挡水墙，所述挡水墙设置于距正洞掌子面预设距离的位置，并与正洞的周向侧壁完全贴合，所述挡水墙的底部浇筑形成有挡水墙基础，正洞基坑的底部挖设有容纳所述挡水墙基础的基槽，所述挡水墙的周边通过砂浆锚杆锚入基岩，所述挡水墙内预埋有导向管，所述导向管沿掘进方向延伸且其两端伸出所述挡水墙，所述导向管呈梅花型布设，所述挡水墙的下方靠近正洞基坑两侧的位置开设有临时排水沟，钻机的钻杆穿过所述导向管钻打正洞掌子面，在正洞掌子面形成泄水孔。

本方案的技术效果是：因预留岩柱内节理裂隙发育，通过钻设泄水孔，泄水孔能够与斜井内水系连通，排出斜井内对正洞施工有威胁的积水，释放存水在隧道内的巨大水压，随着泄水孔数的不断增加，斜井及正洞水位会持续下降，水压力不断减小，消除正洞涌水的风险源—斜井大体量存水，消除正洞掘进时水压力对围岩带来的安全隐患，待水位下降至安全水压力要求时，即可拆除挡水墙继续掘进剩余段围岩，实现主洞与斜井的贯通；通过挡水墙降低泄水孔贯通时强大水流冲击，减少对人员、机械、设备的伤害，将施工风险降到最低，涌水经挡水墙两侧的临时排水沟流入洞内排水系统排至洞外，实现主洞安全泄水、掌子面稳步推进。

在上述特长隧道涌水防治系统的优选技术方案中，所述特长隧道涌水防治系统还包括喷筑于正洞掌子面的封闭墙，所述封闭墙通过砂浆锚杆锚固于正洞掌子面。

本方案的技术效果是：封闭墙和砂浆锚杆对正洞掌子面和岩柱形成加固，避免钻机钻设泄水孔时钻杆和水压共同作用破坏掌子面，造成涌水乱流或岩柱不稳定的现象。

在上述特长隧道涌水防治系统的优选技术方案中，所述导向管的两端伸出所述挡水墙不少于20cm，且所述导向管背离正洞掌子面的一端安装有球阀。

本方案的技术效果是：导向管两端伸出挡水墙，有利于导向管与钻机端头连接，以及对钻机的钻杆进行更好的导向，确保钻孔的精度；钻孔完毕后缓慢抽出钻杆，并关闭导向管上的球阀，使水暂时不能流通，为钻机钻设其它泄水孔创造较好的施工环境。

在上述特长隧道涌水防治系统的优选技术方案中，所述导向管的仰角为1°至3°。

本方案的技术效果是：由于钻具较长，在钻孔时会发生沉降，为了提高钻孔精度，达到技术要求，将导向管设置为略微向上抬起，对钻具起到良好的导向。

在上述特长隧道涌水防治系统的优选技术方案中，所述挡水墙内预埋有钢筋网片和门型支架，所述门型支架设置于所述钢筋网片之间并与所述钢筋网片连接，所述导向管支设于所述门型支架上并与所述门型支架连接。

本方案的技术效果是：确保导向管定位准确牢靠，浇筑混凝土期间导向管不发生偏移，确保导向管仰角及轴线。

另一方面，本发明还提供了一种特长隧道涌水防治系统的施工方法，具体包括以下步骤：

S10、测量放线，定位出桩位中心线及开挖边界线；

S20、掏槽清底，采用破碎锤开凿基坑至设计标高形成基槽，并于基槽背离正洞掌子面的一侧凿出两条临时排水沟；

S30、砂浆锚杆锚固，沿挡水墙周边设置砂浆锚杆，并将砂浆锚杆的部分锚入基岩；

S40、挡水墙基础施工，于基槽内安装模板并浇筑；

S50、挡水墙施工，于挡水墙基础上支设模板和钢筋网片，在钢筋网片之间支设门型支架，并采用钢筋将门型支架与其两侧的钢筋网片连接，于门型支架上呈梅花型固定导向管，浇筑形成挡水墙；

S60、泄水孔钻孔，钻机就位，将钻机的钻杆穿过导向管在正洞掌子面上钻孔，形成泄水孔。

在上述特长隧道涌水防治系统的施工方法的优选技术方案中，所述步骤“泄水孔钻孔，钻机就位，将钻机的钻杆穿过导向管在正洞掌子面上钻孔，形成泄水孔”具体包括以下步骤：

于钻机底部浇筑混凝土垫层；

固定钻机底座，控制钻孔角度向上1°至3°，并由中间向两侧、由下至上逐层穿过导向管进行钻孔。

在上述特长隧道涌水防治系统的施工方法的优选技术方案中，所述步骤“S10、测量放线，定位出桩位中心线及开挖边界线”前，还包括以下步骤：

于正洞掌子面打设砂浆锚杆，并满铺钢筋网片，连接钢筋网片与砂浆锚杆；

于正洞掌子面自下而上喷射混凝土，形成封闭墙。

在上述特长隧道涌水防治系统的施工方法的优选技术方案中，所述步骤“于正洞掌子面打设砂浆锚杆，并满铺钢筋网片，连接钢筋网片与砂浆锚杆”前，还包括以下步骤：

于隧道既有临时设施外浇筑拦水墙。

在上述特长隧道涌水防治系统的施工方法的优选技术方案中，所述步骤“泄水孔钻孔，钻机就位，将钻机的钻杆穿过导向管在正洞掌子面上钻孔，形成泄水孔”之后，还包括以下步骤：

判断泄水孔泄水是否明显；

泄水不明显的情况下，于斜井内抽排水降低静水位，加深泄水孔；

重复判断泄水孔泄水是否明显；

泄水不明显的情况下，继续加深泄水孔，至连通正洞掌子面和斜井掌子面。

综上所述，在本发明特长隧道涌水防治系统的施工方法的技术方案中，因预留岩柱内节理裂隙发育，通过钻设泄水孔，泄水孔能够与斜井内水系连通，排出斜井内对正洞施工有威胁的积水，释放存水在隧道内的巨大水压，随着泄水孔数的不断增加，斜井及正洞水位会持续下降，水压力不断减小，消除正洞涌水的风险源—斜井大体量存水，消除正洞掘进时水压力对围岩带来的安全隐患，待水位下降至安全水压力要求时，即可拆除挡水墙继续掘进剩余段围岩，实现主洞与斜井的贯通；浇筑挡水墙降低了泄水孔贯通时强大水流冲击，减少对人员、机械、设备的伤害，将施工风险降到最低，涌水经挡水墙两侧的临时排水沟流入洞内排水系统排至洞外，实现主洞安全泄水、掌子面稳步推进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明特长隧道涌水防治系统的正视图；

图2为本发明特长隧道涌水防治系统的侧视图；

图3为本发明特长隧道涌水防治系统的挡水墙上砂浆锚杆的分布图；

图4为本发明特长隧道涌水防治系统的封闭墙的侧视图；

图5为本发明特长隧道涌水防治系统的封闭墙上砂浆锚杆的分布图；

图6为本发明特长隧道涌水防治系统的施工方法的步骤图。

附图标记列表：1、挡水墙；11、门型支架；2、挡水墙基础；3、临时排水沟；4、砂浆锚杆；5、导向管；6、钻机；7、泄水孔；8、封闭墙。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以背景技术中提到的云南华丽高速公路营盘山隧道为例，本发明的一种特长隧道涌水防治系统的具体实施例如下：

如图1、图2和图3所示，特长隧道包括斜井和正洞，正洞施工至距贯通面100m时，在距正洞掌子面1.5m的位置由混凝土浇筑形成挡水墙1，挡水墙1与正洞的周向侧壁完全贴合，挡水墙1的底部浇筑形成有挡水墙基础2，挡水墙基础2尺寸：11.9m*5m*1m，正洞基坑的底部挖设有容纳挡水墙基础2的基槽，基槽靠近正洞基坑两侧的位置朝向背离正洞掌子面的方向开设有临时排水沟3。挡水墙1的周边通过砂浆锚杆4锚入基岩，砂浆锚杆4长3m，锚入基岩2m，裸露在外1m，图3中剪头所指方向为环向，砂浆锚杆4环向间距100cm，横向间距60cm。挡水墙1内预埋有仰角为1°至3°的导向管5，导向管5呈梅花型布设，导向管5沿掘进方向延伸且其两端伸出挡水墙20cm，导向管5背离正洞掌子面的一端设有法兰盘和球阀，钻机6的钻杆穿过导向管5钻打正洞掌子面，在正洞掌子面形成泄水孔7。

由于钻具较长，在钻孔时会发生沉降，为了提高钻孔精度，达到技术要求，将导向管5设置为略微向上抬起，对钻具起到良好的导向。导向管5上的法兰盘有利于导向管5与钻机6端头连接，避免钻孔过程中巨大水压将钻机6冲倒，保护机械和施工人员安全；钻孔完毕后缓慢抽出钻杆，并关闭导向管5上的球阀，使水暂时不能流通，为钻机6钻设其它泄水孔7创造较好的施工环境。

继续参阅图1，为确保导向管5定位准确牢靠，浇筑混凝土期间导向管5不发生偏移，确保导向管5仰角及轴线，在挡水墙1内预埋有钢筋网片和门型支架11，门型支架11由钢筋焊接形成，门型支架11设置于钢筋网片之间并通过钢筋与钢筋网片连接，导向管5支设于门型支架11上并与门型支架11连接，通过门型支架11进行固定。

如图4和图5所示，由于预留岩柱内节理裂隙发育，钻机6钻设泄水孔7时钻杆和水压共同作用，可能会将正洞掌子面破坏，为了避免造成涌水乱流或岩柱不稳定的现象，特长隧道涌水防治系统还包括喷筑于正洞掌子面的封闭墙8，封闭墙8通过砂浆锚杆锚固于正洞掌子面，封闭墙8厚15cm，砂浆锚杆长8m，且砂浆锚杆之间的间距为100cm*100cm。

因预留岩柱内节理裂隙发育，通过钻设泄水孔7，泄水孔7能够与斜井内水系连通，排出斜井内对正洞施工有威胁的积水，释放存水在隧道内的巨大水压，随着泄水孔7数的不断增加，斜井及正洞水位会持续下降，水压力不断减小，消除正洞涌水的风险源—斜井大体量存水，消除正洞掘进时水压力对围岩带来的安全隐患，待水位下降至安全水压力要求时，即可拆除挡水墙1继续掘进剩余段围岩，实现主洞与斜井的贯通；通过挡水墙1降低泄水孔7贯通时强大水流冲击，减少对人员、机械、设备的伤害，将施工风险降到最低，涌水经挡水墙1两侧的临时排水沟3流入洞内排水系统排至洞外，实现主洞安全泄水、掌子面稳步推进。

如图6所示，具体地，上述特长隧道涌水防治系统的施工方法，主要包括以下步骤：

S10、测量放线，定位出桩位中心线及开挖边界线；

S20、掏槽清底，采用破碎锤开凿基坑至设计标高形成基槽，并于基槽背离正洞掌子面的一侧凿出两条临时排水沟3；

S30、砂浆锚杆锚固，沿挡水墙1周边设置砂浆锚杆4，并将砂浆锚杆4锚入基岩2m，外露1m；

S40、挡水墙基础施工，于基槽内安装模板并浇筑，模板采用钢模板，并使用D48*3.5双钢管横向、竖向加固，配以大号蝶形卡紧固，浇筑混凝土时，采用振动棒振捣，快进慢出，间距30cm至50cm，振捣至混凝土不再下沉和流动；

S50、挡水墙施工，于临时排水沟3上覆盖木板，防止混凝土进入，于挡水墙基础2上支设模板和钢筋网片，在钢筋网片之间支设门型支架11，并采用钢筋将门型支架11与其两侧的钢筋网片连接，于门型支架11上呈梅花型固定22根直径20cm、长2.5m的导向管5，控制导向管5角度向上1°至3°，并使导向管5的延伸方向平行于隧道的轴线，导向管5外露20cm并在导向管5背离正洞掌子面的一侧焊接法兰盘、安装球阀，导向管5之间水平间距为120cm，竖向间距为100cm，浇筑形成挡水墙1；

S60、泄水孔钻孔，钻机6就位，将钻机6的钻杆穿过导向管5，钻机6端头与导向管5的法兰盘连接，于正洞掌子面上钻孔，形成泄水孔7，钻设下一个泄水孔7时，将导向管5上的球阀关闭。

为确保钻机6就位平稳，使钻机6在钻进过程中位置不偏移，做到钻孔完毕钻机6位置不变，其中，步骤S60具体包括以下步骤：

S601、于钻机6底部浇筑混凝土垫层；

S602、固定钻机6底座，控制钻孔角度向上1°至3°，于挡水墙1上标记导向管序号，由中间向两侧、由下至上逐层逐号穿过导向管5进行钻孔，形成泄水孔7。

泄水孔7第一次钻进50m，步骤602之后，还包括以下步骤：

判断泄水孔7泄水是否明显；

泄水不明显的情况下，于斜井内抽排水降低静水位，加深泄水孔7至80m；

重复判断泄水孔7泄水是否明显；

泄水不明显的情况下，继续加深泄水孔7至100m，即连通正洞掌子面和斜井掌子面，若泄水还是不明显，则考虑是否打穿岩柱。

由于预留岩柱内节理裂隙发育，钻机6钻设泄水孔7时钻杆和水压共同作用，可能会将正洞掌子面破坏，为了避免造成涌水乱流或岩柱不稳定的现象，步骤S10前，还包括以下步骤：

S01、于正洞掌子面打设砂浆锚杆，并满铺钢筋网片，连接钢筋网片与砂浆锚杆；

S02、于正洞掌子面自下而上喷射混凝土，喷射作业分层、分段、分片依次进行，喷射顺序由下而上移动，喷头直对受喷面，一次喷射厚度约50～80mm，每喷完一遍均需有一定的间歇，一般为前一层混凝土终凝后进行，对悬挂在网片上的混凝土结团应及时清除，保证喷射混凝土的密实度，喷射混凝土将钢筋网片全部覆盖，形成密实、无裂缝、无脱落、无漏喷、无漏筋、无空鼓、无渗漏水的封闭墙8。

为保证泄水期间，隧道既有的空压机房、配电房、保安室和隧道仓库等临时设施不被涌水淹没损坏，因此步骤S01 前，还包括以下步骤：

于隧道既有临时设施外浇筑拦水墙，拦水墙高100cm、厚30cm。

可以理解的是，本发明中拦水墙的施工步骤在掌子面的封闭墙施工步骤前，但是这并不是对拦水墙施工顺序的限制，在其他实施例中，拦水墙可以与封闭墙同步施工，或者在封闭墙施工完毕后施工。

以上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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。