一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的施工排水方法和装置与流程

本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的施工排水方法和装置。

背景技术：

随着交通建设的不断发展，隧道的埋深和长度不断增加，尤其在西南地区，山高水急，隧道在施工过程中面临高水压和大水量的问题，抽排困难，且对地下水系有较大的扰乱和破坏。比如正在修建的高黎贡山隧道，全长35km，埋深普遍大于500m，其中1#竖井深度约750m，为应对隧道开挖面的偶发性出水，在竖井底部设置了站场，其中仅临时储水池面积就超过了1000m²。

在常规的隧道施工开挖过程中，对于开挖面偶发性出水，采用汇水、多级蓄水、多级抽排的方式，最终排出隧道口或竖井口外，而面对特长深埋隧道和特深竖井，其水压特高，在10mpa以上，排水距离特长，水平方向超过5km，垂直方向超过500m，出水量特大，大于30m³/h，常规方法除了能耗巨大以外，还可能对水系造成很大扰乱，甚至大面积影响地表植被生长，如在国家a级自然保护区、世界物种基因库。

因此，就需要一种可操作且相对便捷的施工临时排水方法，在确保隧道正常施工的同时，能够降低抽排水能耗、且对地下水系干扰小，对整体环境起到保护作用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水方法，对隧道开挖面附近区域的地下水引导排出，在开挖面后方以施作完防水层和衬砌层的区域重新注入围岩，确保正常施工的同时，能耗低，效率高，且对地下水系影响小，可以很好的保护环境。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的施工排水方法，该施工排水方法如下：

步骤一、埋设注水管：

在隧道完成底部开挖后，在隧道底部的左右两侧均设置一竖向导向管，然后依次施作隧道底部初支结构，铺设底部防水层和浇筑隧道底板；在凝固后的隧道底板上，且位于各竖向导向管的位置钻设注水孔，各注水孔与对应位置的竖向导向管相连通；将各注水管的末端插入各导向管中，并在注水管的上端安装注水阀，完成该注水管的埋设；

沿隧道开挖方向，重复注水管的埋设过程；且在开挖面距离后方注水管的距离不小于100m，且不大于150m时，注水管投入使用。

步骤二、埋设集水管：

在隧道主体净空开挖完成后，在隧道左右边墙的下部，垂直边墙埋设多个水平导向管，并施作初支结构，多个水平导向管沿隧道轴向间隔排布；在初支结构上，且位于各水平导向管处钻设导孔；将各集水管的远端插入各导孔中，在其近端安装出水阀；

步骤三、连接安装排水系统：

在出水阀和注水阀间，由出水阀端依次连接前置处理器、连接管、辅助增压泵和单向止流器，使单向止流器与注水阀相连接；并在前置处理器的竖直臂上安装排渣阀；

步骤四、排水系统启动：地下水由集水管的远端汇集，流入注水管的末端注入围岩地层中。

进一步地，该步骤四的具体过程如下：打开排渣阀和出水阀，地下水由集水管的远端汇集流入其内，水流随渣块颗粒从排渣阀流出，待水流清澈后，关闭排渣阀，打开注水阀，并启动辅助增压泵，地下水从开挖面的附件围岩，经集水管汇集，依次流过前置处理器、连接管、辅助增压泵、单向止流器、注水阀和注水管，由注水管的末端注入围岩地层中。

进一步地，随着开挖面的推进，形成新的开挖面，在新的开挖面区域重复步骤二，埋设集水管；

关闭排水系统，拆除前置处理器与原开挖面区域内的集水管的连接，将前置处理器与新开挖面区域内的集水管相连通，形成新的排水系统，启动排水。

进一步地，对已使用过的所述集水管和注水管注浆封闭。

本发明还公开了一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水装置，包括：

水平设置的集水管，位于开挖面区域的左或右侧边墙下部，其远端垂直于所在侧的边墙，且穿过初支结构插入围岩内；集水管用于汇集开挖面区域初支结构外围岩中的地下水；

集水管的近端与前置处理器的入口端轴向连接，前置处理器的出口端通过水平设置的连接管与单向止流器的进口端轴向相连接；

单向止流器的出口端连接有一竖直向的注水管，注水管设置于开挖面区域的后方已施作防水层和衬砌的区域，与开挖面区域的距离不小于100米；

注水管位于隧道底部的左或右侧，其末端位于隧道已施作防水层和衬砌的围岩中，注水管用于将由集水管汇集来的地下水导入隧道已施作防水层和衬砌的围岩中。

进一步地，该前置处理器为“t”形腔体结构，包括垂直连接的水平臂和竖直臂；竖直臂的端部连接有一排渣阀，在排渣阀关闭时，封堵流入竖直臂腔内的渣块颗粒，在排渣阀开启时，排出竖直臂腔内的渣块颗粒；

水平臂由远端到近端包括轴向上依次相连通的缓流管、前置处理仓和束流管，其中，前置处理仓的侧壁与竖直臂相连接，且腔体相连通；在前置处理仓内，且靠近束流管侧设置有过滤板，过滤板用于阻挡地下水中的渣块颗粒流通。

进一步地，该过滤板为钢制网片，其倾斜设置，且顶部朝向缓流管的远端倾斜。

进一步地，该缓流管和束流管均为变径管体；缓流管由远端到近端内径逐渐变大，直至与前置处理仓的内径相同；束流管由远端到近端内径逐渐变小，直至与连接管的内径相一致。

进一步地，在集水管和前置处理器间还连接有出水阀；在连接管上还安装有辅助增压泵，辅助增压泵用于增加水流的水压；在注水管的上端安装有注水阀。

进一步地，在集水管的管体侧壁上开设有多个集水孔，用于汇集初支结构外围岩中的地下水。

本发明还公开了一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水系统，包括多个上述的一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水装置。

本发明具有如下优点：1.在隧道正常施工的过程中，在开挖面区域的左或右侧边墙下部设置水平向的集水管，围岩中的地下水在集水管处汇集，并通过集水管向外排出，对地下水系的干扰小，有利于整体环境的保护；且不需要布设大型抽水装置。2.在隧道开挖施工过程中，在开挖面区域的后方已施作防水层和衬砌的围岩区域，且与所述开挖面区域的距离不小于100米处，设置竖直向的注水管，注水管与集水管管路联通，辅以小功率增压水泵，注水管将围岩中的地下水导入已施作防水层和衬砌的围岩区域，不会对围岩结构造成破坏。构造简单，操作便捷，不需要额外构建新的储水空间。

附图说明

图1为一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水系统纵向示意图；

图2为一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水系统俯视示意图；

图3为排水系统前置处理器剖面示意图；

图4为一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水系统安装(纵向)示意图；

图5为一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水系统安装(截面)示意图；

图6为排水系统单向止流器剖面示意图；

其中：1.集水管；2.出水阀；3.前置处理器；4.排渣阀；5.连接管；6.辅助增压泵；7.单向止流器；8.注水阀；9.注水管；

31.缓流管；32.前置处理仓；33.过滤板；34.束流管；

71.单向止流器外壳；72.特斯拉阀管组；73.定位柱；74.橡胶套。

具体实施方式

本发明中的一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水方法和装置中的特长隧道和竖井，一般是指长度超过35km的隧道，以及垂直方向超过500m的竖井。

本发明一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的施工排水方法，该施工排水方法如下：如图4和5所示：

步骤一、埋设所述注水管9：

在隧道完成底部开挖后，在隧道底部的左右两侧均设置一竖向导向管，然后依次施作隧道底部初支结构，铺设底部防水层和浇筑隧道底板；在凝固后的所述隧道底板上，且位于各所述竖向导向管的位置钻设注水孔，各所述注水孔与对应位置的竖向导向管相连通；将各所述注水管(9)的末端插入各所述导向管中，并在所述注水管(9)的上端安装注水阀(8)，完成该注水管(9)的埋设；

沿隧道开挖方向，重复所述注水管(9)的埋设过程；且在开挖面距离后方所述注水管(9)的距离不小于100m，且不大于150m时，所述注水管(9)投入使用。

施工时，各竖向导向管的末端均贴于围岩，其侧壁与隧道底部初支结构凝固为一体。各竖向导管侧壁与底部防水层间密封处理，以不渗漏水为准。然后在底部防水层上浇筑隧道底板。

沿隧道开挖方向，重复所述注水管(9)的埋设过程；且在开挖面距离后方所述注水管(9)的距离不小于100m，且不大于150m时，所述注水管(9)投入使用；

随着隧道不断开挖，在开挖面距离后方布设的注水管9超过100m后，注水管9所在断面已完成全断面衬砌结构，即初支结构+防水层+衬砌层已形成全包围的封闭闭合区，此时通过注水管9向围岩中注水，对开挖面和封闭闭合区隧道均无影响。

步骤二、埋设集水管1：

在隧道主体净空开挖完成后，在隧道左右边墙的下部，垂直边墙埋设多个水平导向管，并施作初支结构，使导向管与初支结构锚固成为一体；多个所述水平导向管沿隧道轴向间隔排布；在所述初支结构上，且位于各水平导向管处钻设导孔，钻孔深度不小于3m，将各所述集水管1的远端插入各导孔中，在其近端安装出水阀2，关闭出水阀2可临时控制涌水。

步骤三、连接安装排水系统：

在所述出水阀2和注水阀8间，由所述出水阀2端依次连接前置处理器3、连接管5、辅助增压泵6和单向止流器7，使所述单向止流器7与所述注水阀8相连接；并在所述前置处理器3的竖直臂上安装排渣阀4，形成封闭的水流通道。

步骤四、排水系统启动：

打开排渣阀4和出水阀2，地下水由所述集水管1的远端汇集流入其内，水流随渣块颗粒从排渣阀4流出，待水流清澈后，关闭所述排渣阀4，打开所述注水阀8，并启动辅助增压泵6，地下水从开挖面的附件围岩，经集水管1汇集，依次流过前置处理器3、连接管5、辅助增压泵6、单向止流器7、注水阀8和注水管9，由所述注水管9的末端注入隧道后方100m外的围岩地层中。

上述地下水注入隧道后方100m外的围岩地层中，且对围岩不会产生影响和破坏，不需要额外建造储水空间，节省了空间和费用。排水后，前方开挖面处水量大幅度减少，便于开挖施工。

步骤五、排水系统维护与运行：

集水管1汇集的初始水流中可能含有渣块泥沙等颗粒物，不断在前置处理器3中沉淀累积，应根据实际情况，定期定时排渣维护，以防止堵管。

维护时按顺序，依次关闭辅助增压泵6、出水阀2和注水阀3，而后打开排渣阀4进行排渣；

启动时，先关闭排渣阀4，而后依次打开注水阀3、出水阀2、和辅助增压泵6，排水系统启动。

开挖过程中，开挖面是一变化的作业面，在前述描述中，给出的是对某一开挖面处的围岩中的地下水的处理方法。随着开挖面不断向前推进，形成新的开挖面，则在新的开挖面埋设集水管1，然后进行如下操作：

步骤六、排水系统的移动：

新的开挖面的集水管1投入工作，当新开挖面的集水管1距离后方在用的注水管9超过150m后，可临时关闭排水系统系统，拆除一节或多节连接管5，将连接管5与更靠近新开挖面的注水管9联通，形成新的排水系统。

在排水的过程中，排水系统过长时，能耗大时间长，要控制整个排水系统的长度确保排水效率，节约管材和能耗。

随着开挖面的推进，在原开挖面区域，多个集水管1不再使用；在已施作防水层和衬砌的区域，多个注水管9不再使用，需进行后续处理。

步骤七、后续处理：

对于废弃的集水管1和注水管9既可以作为永久结构，充当运营隧道的紧急排水井，也可以对其进行注浆封闭填充。

本发明一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水装置，如图1和2所示，包括：

水平设置的集水管1，位于开挖面区域的左或右侧边墙下部，其远端垂直于所在侧的边墙，且穿过初支结构插入围岩内；所述集水管1用于汇集开挖面区域初支结构外围岩中的地下水。所述集水管1的近端与前置处理器3的入口端轴向连接，所述前置处理器3的出口端通过水平设置的连接管5与单向止流器7的进口端轴向相连接；

所述单向止流器7的出口端连接有一竖直向的注水管9，所述注水管9设置于所述开挖面区域的后方已施作防水层和衬砌的区域，与所述开挖面区域的距离不小于100米；

所述注水管9位于隧道底部的左或右侧，其末端位于隧道已施作防水层和衬砌的围岩中，所述注水管9用于将由集水管1汇集来的地下水导入隧道已施作防水层和衬砌的围岩中。

在上述集水管1的管体侧壁上开设有多个集水孔，用于汇集初支结构外围岩中的地下水，其远端插入围岩深度不小于3m，使地下水聚集流入集水管1中。为了保证地下水的流动不受阻碍，流通顺畅，上述集水管1选用钢制直管，直径10cm或以上，

上述前置处理器3为“t”形腔体结构，包括垂直连接的水平臂和竖直臂；所述竖直臂的端部连接有一排渣阀4，在所述排渣阀4关闭时，封堵流入所述竖直臂腔内的渣块颗粒，在所述排渣阀4开启时，排出所述竖直臂腔内的渣块颗粒；排渣阀4为钢制耐高压球阀，直径与前置处理仓32相同，通过法兰盘与前置处理仓32连接，用于排出沉淀的渣块颗粒。

如图3所示，上述前置处理器3的水平臂由远端到近端包括轴向上依次相连通的缓流管31、前置处理仓32和束流管34，其中，所述前置处理仓32的侧壁与所述竖直臂相连接，且腔体相连通；在所述前置处理仓32内，且靠近所述束流管34侧设置有过滤板33，所述过滤板33用于阻挡地下水中的渣块颗粒流通。

所述过滤板33为钢制网片，其倾斜设置，且顶部朝向所述缓流管31的远端倾斜。在水流流入缓流管31中时，在流动过程中，受到过滤板33的阻挡，水流流过过滤板33，水流中的渣块颗粒受阻，在重力的作用下下沉，沉降至竖直臂的腔体内，实现了对水流的净化。

所述缓流管31和束流管34均为变径管体；所述缓流管31由远端到近端内径逐渐变大，直至与所述前置处理仓32的内径相同。上述缓流管31的小直径端通过法兰盘与出水阀2连接，大直径端直径为15cm，通过法兰盘与前置处理仓32连接，缓流管31的内径变大，其目的是扩大水流通道，降低水流的流速和水压，减小能量损失。

上述束流管34由远端到近端内径逐渐变小，直至与所述连接管5的内径相一致。其远端通过法兰盘与前置处理仓32连接，用于减小水流通道，提升流速和水压，增大进入连接管5内的水流的压力。

上述缓流管31与束流管34束流管34与缓流管31尺寸及材质相同。两者其联合使用，使水流在前置处理仓32内临时降速降压，一方面可使较大渣块颗粒自然沉淀，另一方面扩大了过滤面积，使水流的通过面积更大，阻力更小，减少了水流的动能损失。

在所述集水管1和前置处理器3间还连接有出水阀2；在所述连接管5上还安装有辅助增压泵6，所述辅助增压泵6用于增加水流的水压。在所述注水管9的上端安装有注水阀8。

上述出水阀2为钢制耐高压球阀，直径与集水管1相同，通过法兰盘与集水管1连接，用于打开或关闭开挖面汇集的地下水。连接管5为钢制直管，直径与集水管1相同，通过法兰盘与束流管34的小直径端连接，连接管5由多节管依次连接组成，规格为每节长度5m，各节间通过法兰盘连接，用于形成密闭的流水通道。

上述注水阀8为钢制耐高压球阀，直径与集水管1相同，通过法兰盘与单向止流器7连接，用于打开或关闭注水管9的水流通道。注水管9为钢制直管，直径与集水管1相同。注水管9插入围岩深度不小于5m，钢管末端1m的范围内，其侧壁上设置间距为15cm、孔径为0.5cm的梅花孔，用于向围岩中注水。

如图6所示，本发明中使用的单向止流器7包括：单向止流器外壳71；特斯拉阀管组72；定位柱73；橡胶套74；其中单向止流器外壳71为钢制扁矩形盒体，用于包容和保护内部构件；特斯拉阀管组72为钢管弯曲焊接制成，直径与集水管1相同，右侧进水口通过法兰盘与辅助增压泵6连接，形成特殊水流通道，水流正向流动时无阻力，水流逆向流动时受自身回流冲击，水压和流速降低，用于限制系统中的水流单向流动，限制逆流，同时相比于其他单向阀，水流正向流动时阻力极小，能量损失小。定位柱73为金属柱体，通过螺纹与单向止流器外壳71内部连接固定，用于固定特斯拉阀管组72，保持其稳定；橡胶套74为橡胶材质，套在定位柱73外，用于缓冲和减小振动，进一步保护特斯拉阀管组72，避免其摩擦磕碰产生损坏。

本发明还公开了一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水系统，包括上述的一种适用于特长深埋隧道及特深竖井的排水装置。