漫谈矿山法隧道技术第十四讲——隧道涌水及其控制方法

分析制定隧道控制地下水对策的基本观点:既要考虑隧道施工对地下水的影响,也要考虑地下水对隧道施工的影响。指出控制地下水的对策必须符合3个条件:1)确保施工作业安全、顺利地开展;2)不对周边环境产生有害的影响;3)以合理的工费和工期来实现。隧道涌水视其发生位置、涌水量、发生时期、涌水量的历时变化等是各种各样的,应对隧道涌水进行合理分类,以便有的放矢地采取相应的对策。介绍了日本统计的地质构造和涌水现象的分类。涌水处理应达到3个基本目标:1)确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境"可接受干扰"的条件下进行;2)二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时把水压控制在二次衬砌容许的范围内;3)运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。达到上述目标的基本方法是:充分利用和提高围岩的隔水性能,合理地处理好"排"与"堵"的关系。针对涌水处理的3个基本目标,分别介绍了国内外相应的经验和措施。1)一些国家的指南、标准对隧道的涌水量进行了分级,认为涌水量≤2.5 L/(min·m)时基本上可以认为是在无水条件下施工;一般的线状流水、经常涌水可以用自然排水法排水;而针对突发大量涌水,则需要采取特殊的地下水对策予以解决。2)按照二次衬砌是否承受水压,隧道可分为3种情况:1衬砌不承受水压,即所谓的完全排水型隧道;2衬砌承受全部水压,即所谓的非排水型(防水型)隧道;3衬砌背后设置注浆域,分担衬砌承受的水压,衬砌只承受部分容许的水压。从目前的隧道设计实际来看,在山岭隧道中多数采用方案1,在城市隧道中多数采用方案2,在高水压和突发大量涌水的极端情况下采用方案3。介绍了日本、美国的设计经验。3)我国铁路隧道采用把地下水引入隧道,再从洞内两侧边墙附近设置的排水沟排出地下水的做法是值得商榷的;特别是在可能发生冻害的地区,更不可取。在国外,日本、德国、法国等国家的铁路、公路隧道基本上是把中央排水管设置在仰拱内或仰拱下方,而在隧道两侧只留有用于排出流入隧道内的雨水或隧道清洗水的排水沟;因此,建议立项研究取消洞内排水沟,设置中央或两侧脚部排水管的问题。最后指出,实现涌水处理的3个基本目标我们尚需努力,特别是"目标"的定位问题,尚需进行基础性的研究才能解决。在隧道施工中,涌水是不可避免的、客观存在的现象,我们积累的经验非常丰富,但缺乏系统的、认真的总结和归纳。     

低等级特长公路隧道逃生救援关键技术研究

随着人们对交通需求的提高,一些早期建成的公路隧道在使用功能上已不满足要求,如隧道内照度不满足要求,隧道内空气条件较差等等,个别特长隧道因建设年代早,消防救援设施较为匮乏,因此各地公路管养部门根据隧道的实际使用情况逐步对其进行升级改造。在诸多改造内容中,因隧道为地下工程,断面改造难度大,消防救援设施的改造更为困难,需要进行多方案的研究及比选。以连云港某低等级超长公路隧道为对象,研究了避难所、平行导洞及上部逃生通道三种方案,最终根据项目条件推荐采用避难所作为本项目的推荐方案,供类似工程参考。     

金门特长公路隧道通风方案比选研究

为解决目前特长公路隧道通风方案比选时局限于送排式通风的问题,从方案设计角度分析几种不同纵向通风模式的功能特点、适用条件,结合送排式通风与互补式通风的特点,提出单通道互补式通风的组合通风模式,并以金门特长公路隧道为例,从全寿命周期角度,对“通风井送排式”“单通道互补式”“双通道互补式”“吸尘式”4种通风方案进行比选研究。结果表明： 1）送排式通风受通风井位置影响较大,从运营通风角度,宜设置在上坡隧道中部偏下风方向; 2）互补式、吸尘式通风能够突破通风井选址的限制,但对于超过5 km的隧道,需要设置专用排烟井; 3）单通道互补式通风省去送风井,保留了送排式通风的排烟功能,具备比选价值。     

复合式衬砌隧道防排水设计几个问题探讨

为了防止和减少隧道渗漏水病害,通过分析复合式衬砌隧道防排水的现状和存在的主要问题,研究隧道排水量和水压力控制值分级、上下分离的防排水体系、围岩防水能力、防水层和二次衬砌混凝土整体防水效果检验评价等,并对防排水系统的设计和参数选择提出以下建议： 1）对于采用复合式衬砌的隧道,如果能满足环境保护及使用功能要求,其全隧道排水量宜控制在1.0 m3/（m·d）〖JP〗以内,二次衬砌背后承受的水压力最大宜控制在1.0 MPa以内; 2）为了减少隧道渗漏水发生的概率,并保证隧道结构的稳定,可考虑将拱、墙防排水体系和仰拱防排水体系分开设置,拱部、侧墙部位的渗水直接排入侧沟,仰拱部位的水主要通过纵向中心排水盲管排出,当水压力高时,通过与中心排水盲管连通的横向排水管将水引入新增的侧沟,并通过在横向排水管出水口安装的阀门进行限量排放; 3）通过地面隔离墙（咬和桩）、地面注浆、洞内注浆、旋喷、超前管棚、超前管幕、施作双层衬砌等措施,阻断和减小来水通道,提高地层强度和完整性,降低隧道涌水量和衬砌背后的水压力,并降低大量排水对运营和环境的不利影响。     

寒区铁路隧道保温排水设施设计标准研究

针对目前寒区隧道保温排水设施缺乏系统设计标准的问题,结合寒区分区及隧道保温排水技术现状,通过调研东北及华北北部地区寒区铁路隧道冻害情况,提出按气温条件的寒区铁路隧道设计分区方法;通过分析保温排水设施的适用条件,结合运营铁路隧道内及排水设施内的温度实测分析,提出不同分区的寒区隧道保温排水措施设置建议长度。结果表明:1)寒区铁路隧道可按年平均气温和最冷月平均气温划分为5个分区; 2)高式保温测沟仅在温度较高的寒区适应; 3)洞口一定范围段的水沟埋置于结构以下是寒区保温排水的有效手段; 4)长隧道洞身段采取保温措施后可以将水沟置于结构内; 5)有条件时长隧道宜采用人字坡,并加大隧道内的纵坡坡度,有利于改善排水条件,防止水沟冻结。     

严寒地区拉法山隧道保温型防排水系统设计施工技术探讨

严寒地区隧道结构因为地下水的存在,会长期出现冻胀的问题,经过冻融后,隧道结构易产生破坏,将大大影响结构的使用寿命。严寒地区的拉法山隧道从设计到施工,在"防、排、截、堵相结合,因地制宜,综合治理"的原则指导下,摸索出"先堵水、后排水、再防水"的防排水工程三要素。即先对围岩进行封闭注浆堵水,达到衬砌背后无水、少水的目的,再对衬砌背后增加聚氨酯保温层,保证衬砌背后不结冻;同时,采用在冻结线以下的深埋中央水沟,保证排水的通畅,解决了隧道在严寒环境下的冻胀问题。在施工技术上,开发了挂设聚氨酯保温层的施工方法,同时对止水带施工工艺进行优化,仰拱纵向钢边止水带、中埋式止水带和衬砌中埋止水带均采用了特制的定型钢模板施工,有效地解决了隧道防排水系统施工的质量通病。     

大广高速上坪大断面浅埋偏压隧道进洞施工方案与应急处治研究

基于大广高速广东段上坪大断面浅埋偏压隧道工程实际,采用弹塑性有限元方法进行数值模拟,论证了深埋侧隧洞先行开挖的原则,双侧壁导坑法施工亦应采取深埋侧先行方案。结合实际工程,进一步讨论了浅埋偏压隧道施工的注意问题,对类似隧道的施工具有指导借鉴意义。     

武汉三阳路公铁合建越江隧道通风设计

武汉三阳路隧道为穿越长江的城市公路和轨道交通合建隧道,具有环保要求高、长度长和空间受限等特点,通风排烟系统设计难度大,且影响隧道的投资、运营费用、行车安全和防灾救援。为了解决洞口环保问题,对不同通风方案的气流组织、初期投资和运营费用进行研究,确定了竖井送排式纵向通风方案;针对公铁合建防灾要求高的特点,结合横断面布置,合建段公路隧道采用重点排烟,地铁隧道采用分段设置排烟道的纵向排烟方式,并采用模拟分析的方法对典型火灾工况进行了仿真计算,验证了排烟效果。     

勐捧特长公路隧道通风方案

文章对勐捧特长公路隧道的全射流纵向通风、斜竖井分段送排式纵向通风、横向通风、平导式通风、静电除尘、互补式通风等一系列通风方式进行了可行性研究,选定斜竖井分段送排式作为本隧道的通风方案。综合考虑通风效率、施工组织、火灾排烟、防灾救援等因素,根据经济技术比选论证,推荐方案为:左线单斜井两区段+右线两斜井三区段送排式纵向通风,左、右线均为三区段两斜井排烟。该推荐方案共设置了三座斜井,通过斜井优化,形成了"一井多用,保证功能,降低造价"的设计理念,斜井既能在施工期增加工作面以辅助主洞施工,又能作为运营通风井改善隧道内空气环境,同时又是火灾工况下的排烟通道。通过筛选最优通风方案,旨在最大限度地发挥斜井各个阶段的功能,并减少隧道全寿命周期费用。     

在建隧道排水系统结晶堵塞试验

为了探究在建公路隧道排水系统结晶堵塞机理,分析隧道排水系统结晶堵塞的发展过程,自主研制了可模拟隧道初支混凝土、地下水渗流过程、隧道排水系统的试验装置系统.通过该系统模拟了富水隧道排水系统渗流结晶过程;通过检测隧道排水管排出溶液的pH值、总碱度、Ca2+浓度以及排水管内的结晶量等,研究了速凝剂掺量、地下水水质对生成结晶体...     

双洞八车道公路隧道施工方案研究

双洞八车道公路隧道最大跨度在23m左右,扁平率小于0．5,为超大断面隧道。通过对某双洞八车道公路隧道在几种围岩条件下多种施工开挖方案的有限元计算分析,得出双洞八车道公路隧道宜采用三心圆拱型断面和复合式支护衬砌,软弱围岩段宜采用双侧壁导坑法开挖,并通过相似模型实验研究,得到隧道围岩在施工中的位移发展,遵循台阶式发展过程并符合Hill函数变化规律,可对类似工程设计施工提供类比和指导。     

预防富水铁路隧道道床翻浆冒泥病害的设计施工措施探讨

针对富水铁路隧道内道床翻浆冒泥病害,以现行铁路隧道通用图为基础,结合富水隧道地下水水量大且具承压性的特点,对通用图中洞内防排水设施功能分析后提出改进方向,形成以降水压、消隐患、排渗水的富水隧道洞内防排水设计方案总体思路;并提出了富水隧道洞内增设降水井,调整双线隧道侧沟位置并加深,优化中心水沟井壁设计,道床板下增设渗水盲管等具体防排水改进措施。针对隧底存在虚碴层问题,提出采用水平光面爆破开挖,增加人工清底工序,按隐蔽工程验收及无损探测检查等具体施工质量控制措施。该设计施工预防措施经工程验证是有效、可行的。     

运营公路隧道排水系统病害检查方法与技术要点

运营公路隧道排水系统的病害处治问题目前已经成为隧道养护的重难点，而目前尚未形成系统性的病害检查技术。结合现场实施工程案例，提出了具有普适性的运营公路隧道排水系统病害检查方法和技术要点，包括方案编制、检查实施和分析总结3个主要阶段，其中方案编制主要是搜集隧道和现场资料，编制检查实施方案；检查实施主要是采用地质雷达、内窥镜等设备针对中央排水管、纵横向排水盲管、边墙检查井和中央排水管出水口进行全面检查；分析总结主要对检查获得的资料进行整理、分析、编制报告和资料存档。该检查方法试用于某运营公路隧道排水系统检查的实际案例，取得了良好效果。     

公路隧道洞口结构因素对废气窜流的影响

为了给减弱公路隧道洞口废气窜流提供洞口土建结构设计方案,对洞口废气窜流影响的显著性因素进行了探讨,从洞口纵向错开不同距离、洞外设置不同位置及高度的挡壁等结构因素出发,借助计算流体动力学技术,进行了多因素异水平混合型数值模拟正交试验,探讨了不利自然风条件下洞外不同组合结构因素对洞1：7废气窜流的影响规律。结果表明：不同结构因素组合对废气窜流改善效果明显不同,洞1：7纵向错开改善窜流效果最为明显;在隧道出口侧设置有挡壁的所有组合结构均能较好地改善出口废气窜流,其中最有效的是同时在出口侧、中侧、入口侧设置与洞口等高的挡壁;仅在洞外中侧设置中间挡壁,其高度约为洞口高度的2倍时,可以有效改善废气窜流,其他情况下采用高挡壁结构的改善效果不佳;若同时在两隧道中侧与入口隧道侧设置挡壁则废气窜流改善效果差;若仅在入口隧道侧设置长挡壁,则加剧废气窜流。     

高速铁路黄土隧道群修建技术与应用——张茅大断面黄土隧道修建技术成果总结

针对以张茅隧道为代表的郑西高铁大断面黄土隧道建设中的一系列技术难题,通过大规模现场试验和理论分析,对大断面黄土隧道修建成套技术进行了研究。研究结果表明： 系统锚杆轴力较小,不超过12 kN,且拱部受压,边墙受拉;型钢、格栅钢架拱部平均应力分别为132 MPa和86 MPa,格栅应力相对均匀;新老黄土预留变形量建议取值分别为25～28 cm和10～15 cm;深浅埋分界深度为40～60 m;竖向初期支护与围岩接触压力实测较理论计算值小;浅、深埋隧道二次衬砌平均荷载分担比例为50%和10%;激振试验表明激振230万次后仰拱填充面的沉降稳定值≤0.5 mm,隧底饱和黄土未发现软化、泥化现象;大断面黄土隧道一般地段宜采用三台阶法开挖;砂质黄土浅埋下穿高速公路采用双侧壁导坑法施工时,地表沉降可控制在5 cm以内;可采用水泥土挤密桩消除隧道基础黄土湿陷性;饱和黄土隧道以排为主的方案可行。     

公路隧道洞外刚性路面倒漏斗形截水沟设计及施工研究

公路隧道洞口处于下坡方向时,在洞外路面全断面设置刚性倒漏斗形截水沟这一结构,口小腹大与路面一致设横坡,利于截水、集水和排水,可将洞外路面汇水完全地截留并引入路侧排水系统,有效地解决了路面汇水涌入隧道这一难题;小尺寸全断面截水口符合抗冲击、车辆运行和工具清理要求,通过设计和施工两方面精细的控制,实现该衔接部位全寿命管理,对隧道洞口防排水工程具有一定的参考价值。     

公路隧道竖井马头门区域通风优化分析

对公路隧道纵向排送通风方式中竖井马头门区域进行通风优化分析。分析表明,传统的通风设计中将之等同于等断面90°均匀拐弯进行取值的方法存在较大误差,应引起隧道通风工程界的重视。研究表明对马头门区域应同时采取结构优化和加设导流板的辅助措施;导流板数目并不是设置越多越好,设置过多的导流板对通风断面形成阻滞反而加大了风阻损失。只有设置合理数目的导流板,才能有效减少风阻。相关研究结论可供公路隧道通风设计计算参考。     

特长公路隧道通风竖井马头门区域优化分析研究

本文对公路隧道纵向排送通风方式中竖井马头门区域进行通风优化分析。分析表明,传统通风设计中将之等同于等断面90°均匀拐弯进行取值的方法存在较大误差,应引起隧道通风工程界的重视。研究表明,对马头门区域应同时采取结构优化和加设导流板的辅助措施;导流板数目并不是设置越多越好,设置过多的导流板对通风断面形成阻滞反而加大了风阻损失。只有设置合理数目的导流板,才能有效减少风阻。相关研究结论可供公路隧道通风设计计算参考。     

非公路标志分类及其设置关键技术指标研究

首先对非公路标志进行分类研究,用以科学地界定非公路标志发布内容;在此基础上,从禁止设置路段和限制设置路段两方面研究限定其设置位置,从横向(侧向)布设位置和纵向布设位置两方面研究其设置关键技术指标;最后,针对垂直(接近垂直)于道路走向设置的路侧式、单悬臂式和高耸式非公路标志设置角度分别进行研究,为科学制定非公路标志相关技术标准、规范设置非公路标志提供必要依据和有力参考。     

基于BP神经网络的阿拉套山隧道围岩物理力学参数反演分析

为研究高寒地区设置中心深埋水沟单线铁路隧道的围岩力学参数问题,以兰新铁路新建博州支线阿拉套山隧道为工程背景,基于FLAC3D数值模拟软件联合MATLAB中的神经网络工具箱构建BP神经网络算法,建立隧道开挖位移正演和反演模型,对围岩物理力学参数作反演分析。通过对中心水沟开挖前的拱顶和拱腰监测数据做拟合分析,发现隧道变形已趋于稳定,反演过程不需考虑中心水沟开挖对围岩的二次扰动。以水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值作为输入函数,以围岩的体积弹性模量K、剪切弹性模量G、黏聚力c、内摩擦角φ、重度γ作为输出函数训练神经网络模型,利用训练好的模型进行所需参数的反演分析。将反演参数代入FLAC3D正演模型计算后,提取中心水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值,与中心深埋水沟开挖前的实际监控量测值相比较为接近。结果证明,围岩物理力学参数的反演较为合理,对于变形的预测较为准确,可为隧道后期工程的施工和优化设计提供参考。