岩溶或断层的隧道及边坡的酸溶钻孔排水结构及施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其是一种岩溶或断层的隧道及边坡的排水结构及施工方法。

背景技术

隧道的防水层或衬砌结构存在缺陷时，会产生局部地下水渗出。尤其是富水性岩溶、断层隧道，渗水更加严重，洞壁渗水进入隧道内引起积水、结冰等问题，影响隧道运营安全。另外，渗水破坏隧道衬砌混凝土及围岩内部结构，降低隧道结构耐久性，缩短隧道的使用寿命。

对于瓦斯隧道，隧道渗水往往混杂瓦斯等有害气体，部分有害气体具有燃烧性和爆炸性，有害气体逸出进入隧道会对隧道运营期构成安全威胁。

公开号CN107237650A的中国专利申请提出一种隧道渗水负压排水技术，其核心思想是向注浆封闭钻孔段内注浆，预留透水钻孔段，排水作用使透水钻孔段内形成负压，迫使隧道围岩的地下水快速流向钻孔并排出表。透水钻孔段与外界大气隔绝，排水过程发生前，孔内压力会随地下水的入渗而逐步增高，促使地下水自然流出孔口，当排水过程发生后，由于排水管的排水能力大于地下水入渗到透水钻孔段的空腔内的流量，透水管内会形成空腔，空腔的气压小于大气压(即负压)，因而透水管周围土体中的水流向透水管。同样，由于透水管内存在负压，透水管周围各个方向的水都会流向透水管，因而，排水范围会增大，排水范围增大更有利于排出隧道围岩中的地下水。

然而，隧道渗水负压排水技术在现场施工过程中，钻孔的下半部分为透水钻孔段，需要保持透水效果，注浆封闭钻孔段的注浆不能进入透水钻孔段，如果注浆压力大，往往会冲破膨胀橡胶止水环等隔挡结构，浆体进入透水钻孔段，导致钻孔失效；如果注浆压力小，则起不到封堵封闭钻孔段的效果，形成不了负压的效果。因此，需要新的注浆技术来解决上述问题。

再如，公开号CN111794238A的中国专利申请提出一种充填可溶晶体的注浆结构及施工方法，其利用透水管内填充固态盐、固态糖、固态明矾和固态冰等可溶晶体，提高注浆压力，减少所述注浆段的裂隙，提高封闭效果，进而提升透水段的负压效果。然而，在工程现场试验中发现，可溶晶体的融化很难受到人为控制，如果注浆段的施工遇到停滞，浆液未能充分凝固，冰块就会受到地下水、环境温度等作用逐渐融化，起不到隔绝浆液的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种岩溶或断层的隧道及边坡的酸溶钻孔排水结构及施工方法，提高排水结构施工的可控性。

本发明公开的岩溶或断层的隧道及边坡的酸溶钻孔排水结构，包括透空段与注浆段，所述透空段位于下倾的钻孔的下部，所述注浆段位于所述钻孔上部，所述透水段与注浆段之间设置止水构件，所述透水段内设有透水管，所述透水管内具有空腔，所述透水管内设置有穿过止水构件向外延伸的排水管，所述透水管内填充有可溶于酸且不可溶于水的固体填充材料，所述止水构件下部、透水管以及排水管均为耐酸材质或者具有耐酸表层。

优选地，所述透水管内设置有穿过止水构件向外延伸的注酸管，所述注酸管的内端部位于透水管的上部靠近止水构件的位置，所述排水管的内端部位于透水管的底部。

优选地，所述注酸管内端部套设有与所述固体填充材料相同材质的透水外壳。

优选地，所述透水管内设置有充压囊体，所述充压囊体连接有穿过止水构件向外延伸的充压管。

优选地，所述充压囊体采用可溶于酸的材质。

优选地，所述止水构件包括位于下部和耐酸性垫片和位于上部的遇水膨胀橡胶止水环。

优选地，所述固体填充材料为碳酸钙。

用于所述的岩溶或断层的隧道及边坡的酸溶钻孔排水结构的施工方法，包括如下步骤：

确定打设排水钻孔的位置，并进行钻孔施工；

在钻孔下部的透空段内放置透水管，钻孔内放置伸入透水管而得的排水管；

向透水管内放置可溶于酸且不可溶于水的固体填充材料，并压实塞满透空段后，在透空段与注浆段之间设置止水构件；

在注浆段注入砂浆；

注浆结束后，待注浆段浆液凝固并达到最大强度后，向透水管内注入酸性溶液，将固体填充材料溶解。

优选地，在放置透水管后，在钻孔内放置伸入透水管的注酸管，所述注酸管的内端部位于透水管的上部靠近止水构件的位置，所述排水管的内端部位于透水管的底部，然后再放置固体填充材料；

向透水管内注入酸性溶液时，通过注酸管注入，利用排水管将透水管中液态物质抽出，直到抽出的物质为纯净的酸液。

优选地，在固体填充材料溶解后，剪断溶解管外露的注酸管，向注酸管中注入聚氨酯，封闭注酸管。

优选地，在放置透水管后，在钻孔内放置充压囊体，充压囊体连接向外延伸的充压管；

在注入砂浆的同时，通过充压管向充压囊体注入流体进行充压。

优选地，在固体填充材料溶解后，剪断溶解管外露的充压管，向充压管中注入聚氨酯，封闭充压管。

优选地，注入的酸性溶液为醋酸溶液。

优选地，对醋酸溶液进行加热后注入透水管。

本发明的有益效果如下：

1.本发明采用相变技术在透空段设置碳酸钙固体颗粒，可以防止注浆进入透空段、防止止水构件被挤压发生较大位移。同时，相比充冰、充可溶晶体的方法，不会存在冰等可溶晶体在山区工程现场运输储存困难的问题，也不会受到气温、地下水等影响而导致碳酸钙溶解时间不可控的问题。

2、本发明的透空段塞满碳酸钙固体物质，注浆时可以调高注浆压力，注浆段的裂隙的浆液填充率高，能够更好起到封闭注浆段作用，达到负压排水的技术效果。

3、本发明启动后利用可实现实时排出边坡地下水、隧道深部地下水等解决岩溶、断层、蚀变带、节理密集带、瓦斯隧道渗水的问题。

4、本发明的注浆段，有封闭作用，还可以防止瓦斯等有害气体逸出而进入隧道，排水排气过程中，虹吸作用在透空段内形成负压，迫使围岩地下水以及瓦斯等有害气体快速流向钻孔并排出隧道。实现了洞外水气分离，安全有效。

5、隧道瓦斯等有害气体密度低，容易向上聚集，而本发明形成的负压区对有害气体有吸排作用，更有效排放瓦斯。

附图说明

图1是本发明用于隧道的一种实施方式的示意图；

图2是图1中钻孔处的放大图；

图3是本发明用于隧道且包含有充压囊体的实施方式的示意图；

图4是图3中钻孔处的放大图；

图5是本发明的排水管的出水口设置在隧道外的纵断面示意图；

图6是本发明用于边坡的一种实施方式的示意图。

附图标记：隧道1；侧沟11；隧道外水槽12；地下水位线2；钻孔3；注浆段31；透空段32；透水管4；止水构件5；遇水膨胀橡胶止水环51；耐酸性垫片52；排水管6；透水管靴61；注酸管7；透水外壳71；固体填充材料8；充压囊体9；充压管91；充压泵92，边坡10。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明。

本发明公开的岩溶或断层的隧道及边坡的酸溶钻孔3排水结构，包括透空段32与注浆段31，所述透空段32位于下倾的钻孔3的下部，所述注浆段31位于所述钻孔3上部，所述透水段与注浆段31之间设置止水构件5，所述透水段内设有透水管4，所述透水管4内具有空腔，所述透水管4内设置有穿过止水构件5向外延伸的排水管6，所述透水管4内填充有可溶于酸且不可溶于水的固体填充材料8，所述止水构件5下部、透水管4以及排水管6均为耐酸材质或者具有耐酸表层，防止被酸性溶液腐蚀。

该排水结构的施工方法包括如下步骤：

确定打设排水钻孔3的位置，并进行钻孔3施工，例如对于隧道排水，调查隧道岩溶、断层、节理密集带、蚀变带、瓦斯等有害气体富集的段落的洞壁渗水点的位置与范围；

在钻孔3下部的透空段32内放置透水管4，钻孔3内放置伸入透水管4而得的排水管6，排水管6的具体设置方式可以参考现有的隧道排水管6，通常排水管6的进水口的高程大于排水管6的出水口的高程，排水管6的扬程小于隧道内大气压对应的水柱高度，排水管6的进水口可设置透水管靴61；

向透水管4内放置可溶于酸且不可溶于水的固体填充材料8，并压实塞满透空段32后，在透空段32与注浆段31之间设置止水构件5；

在注浆段31注入砂浆，注浆优选采用后退式注浆法；

注浆结束后，待注浆段31浆液凝固并达到最大强度后，向透水管4内注入酸性溶液，将固体填充材料8溶解，即完成排水结构的施工。当隧道围岩或边坡内部的地下水位线2上升引起排水管6进水口的水头高度大于钻孔3的孔口高程时，透空段32内的地下水在水头差的作用下由排水管6排出，随着排水过程的不断发生，会产生虹吸作用并引起透空段32内产生负压，使围岩内的地下水加速流向透空段32内，排干钻孔3附近隧道围岩及透空段内的地下水时，排水管6的吸排作用消失，一次排水过程结束。如图1-5所示，本发明可用于隧道1的排水，如图6所示，本发明亦可用于边坡10排水。如图1和4所示，在隧道排水时，排水管6可以通入侧沟11或者中心沟，也可以如图5所示，通入隧道外水槽12。

向透水管4注入酸性溶液时，可以直接通过排水管6注入，但是由于内部压力，此种注入方式实施较为困难，因此，如图1和2所示，在本申请的优选实施方式中，所述透水管4内设置有穿过止水构件5向外延伸的注酸管7，所述注酸管7的内端部位于透水管4的上部靠近止水构件5的位置，所述排水管6的内端部位于透水管4的底部。在放置透水管4后，在钻孔3内放置伸入透水管4的注酸管7，然后再放置固体填充材料8。向透水管4内注入酸性溶液时，通过注酸管7注入，利用排水管6将透水管4中液态物质抽出，直到抽出的物质为纯净的酸液，即表明固体填充材料8已被完全溶解。在固体填充材料8溶解后，剪断溶解管外露的注酸管7，向注酸管7中注入聚氨酯，封闭注酸管7。

为了给酸性溶液提供溶解空间，加大酸性溶液与固体填充材料8的接触面积，所述注酸管7内端部套设有与所述固体填充材料8相同材质的透水外壳71。

透水管4内的固体填充材料8通常采用颗粒材料，填充要求压实，但因为透水管4及排水管6等管道的存在，不便于对其进行过度挤压，以防止管道损坏，然而在注浆段31注入砂浆时，可能因为固体填充材料8提供的支撑力不足而造成止水构件5后移，影响注浆质量，为解决这一问题，，如图3和4所示，在本申请的优选实施方式中，所述透水管4内设置有充压囊体9，所述充压囊体9连接有穿过止水构件5向外延伸的充压管91。在放置透水管4后，在钻孔3内放置充压囊体9，充压囊体9连接向外延伸的充压管91；在注入砂浆的同时，利用充压泵92通过充压管91向充压囊体9注入流体进行充压。通过向充压囊体9充压可以在注浆时，提高下方的支撑压力，防止止水构件5发生位移。充压囊体9的充压优选略大于注浆压力，且注浆压力与充压的差值保持一定值，保证浆液不会绕道进入透空段32，该定值可有试验测得。充压囊体9的具体充压流体可以采用气体或者液体均可，最为常用的是空气或者水。类似地，在固体填充材料8溶解后，剪断溶解管外露的充压管91，向充压管91中注入聚氨酯，封闭充压管91。为了防止充压囊体9对于后续排水可能产生的不利影响，所述充压囊体9采用可溶于酸的材质，例如不饱和橡胶等材质。

前面提到止水构件5下部、透水管4以及排水管6均为耐酸材质或者具有耐酸表层，透水管4、排水管6以及注酸管7均可以采用耐腐蚀性较好的聚丙烯材质，而止水构件5则可包括位于下部和耐酸性垫片52和位于上部的遇水膨胀橡胶止水环51。耐酸性垫片52也可以是聚丙烯材质，上部的遇水膨胀橡胶止水环51可以保证注浆时，浆液不会进入透空段32。

固体填充材料8要求可溶于酸且不可溶于水，可以采用难溶性的盐类、碱类，金属氧化物等，其中以碳酸钙为最佳，其成本低廉易于获取、保存及运输，并且可以现场就近采集石灰石、大理石等含有碳酸钙的石材加工成颗粒作为固体填充材料8，酸性溶液通常采用醋酸等弱酸性溶液，为加快溶解还可以在对弱酸性溶液进行加热后注入透水管4。