CN111379589A - 一种隧道排水系统及排水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及隧道工程领域，公开了一种隧道排水系统及排水方法。本发明的排水系统包括设置于隧道内的虹吸管，虹吸管的最高处连接有风力排气装置，风力排气装置包括扇叶、抽气腔、圆轮和运动片，扇叶迎向隧道活塞风方向设置，圆轮偏心设置于抽气腔内并且一侧与抽气腔的内壁形成动密封，运动片的顶端与抽气腔的内壁相接触形成动密封，运动片和圆轮将抽气腔划分为吸气空间和排气空间，进气管与吸气空间相连通，排气管与排气空间相连通。该隧道排水系统利用列车产生的活塞风带动风力排气装置将虹吸管内聚集的气体及时排出，防止虹吸作用失效，可实时排出隧道围岩内多余的地下水，无需任何外部动力，无需人工维护。

Description

一种隧道排水系统及排水方法
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，尤其是一种隧道排水系统及排水方法。
背景技术
隧道工程漏水病害是一个困扰隧道运营和养护的难题。隧道长期渗漏水会对隧道衬砌产生侵蚀破坏，渗漏水对隧道围岩也会产生软化作用，降低了围岩的强度，致使围岩失稳破坏。目前的排水措施对衬砌整体性破坏较大，长期的效果不佳，排水范围较小，用于养护的成本较高。
现有技术中，虹吸排水是目前隧道排水措施中较为优秀的排水方式，虹吸排水是利用虹吸作用无需任何外部动力即可将隧道围岩内多余的地下水自动排出，如中国专利公开号CN105822347A，公开了一种隧道虹吸排水系统及其建造方法，其具有排水孔布置方便、集水能力强、截排水效果好、工程建设速度快等优点。
然而在使用隧道虹吸排水方法的工程中，虹吸管顶部需要保持一定的真空度，但是由于溶解在水中的气泡负压下会析出、外界空气渗入虹吸管等原因，部分虹吸管常常因为空气在管内累积而导致真空度下降，部分虹吸管会暂时处于停止工作状态，如果虹吸管长时间处于停流状态，会导致虹吸排水维护困难甚至整个虹吸排水系统中断，虹吸启动变得异常困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道排水系统及排水方法，防止导致虹吸失效的问题。
本发明公开的隧道排水系统，包括设置于隧道内的虹吸管，所述虹吸管的最高处连接有风力排气装置，所述风力排气装置包括扇叶、抽气腔、圆轮和运动片，所述扇叶迎向隧道活塞风方向设置，所述圆轮偏心设置于抽气腔内并且一侧与抽气腔的内壁形成动密封，所述扇叶通过转轴与圆轮传动连接，所述圆轮对称设置有弹簧槽，所述运动片通过弹簧连接于弹簧槽内，所述运动片的顶端与抽气腔的内壁相接触形成动密封，所述圆轮的两侧分别设置有进气管和排气管，所述运动片和圆轮将抽气腔划分为吸气空间和排气空间，所述进气管与吸气空间相连通，所述排气管与排气空间相连通，所述虹吸管与风力排气装置的进气管相连通。
优选地，所述虹吸管的最高处设置有浮球阻断阀，所述浮球阻断阀包括浮球腔和设置于浮球腔内的浮球，所述浮球腔顶部设置有与风力排气装置进气管相连通的出口，浮球腔底部设置有与虹吸管相连通的进口，所述浮球与浮球腔出口的内壁密封配合。
优选地，所述浮球阻断阀与风力排气装置之间设置有负压仓。
优选地，所述负压仓与风力排气装置之间设置有通向风力排气装置的单向阀。
本发明还公开的所述隧道排水系统的排水方法，包括如下步骤：
选择隧道围岩需要进行仰拱排水的位置并向下钻孔，将虹吸管的一端放置在钻孔的底部，另一端放入隧道排水沟；
在虹吸管的最高处连接风力排气装置，将风力排气装置的扇叶迎向隧道活塞风方向设置；
向虹吸管灌水排出空气，实现虹吸效果；
列车行驶进入隧道后，产生的活塞风带动扇叶转动，扇叶通过转轴带动圆轮和运动片转动，运动片受到离心力和弹簧作用力，运动片的顶端与抽气腔内壁始终保持密封滑动，吸气空间逐渐增大，通过进气管吸入气体，排气空间逐渐缩小，通过排气管排出气体，将虹吸管内的空气排出，防止虹吸失效；
列车离开隧道后，扇叶停止转动，风力排气装置停止工作，下一辆列车进入隧道，风力排气装置继续工作，循环重复排气过程，不断吸出虹吸管内累积的空气。
优选地，在安装风力排气装置时，测试隧道内列车运行时不同位置产生的风速值，确定风速最大的位置，将扇叶设置在风速最大的位置。
优选地，所述虹吸管的最高处设置有浮球阻断阀，所述浮球阻断阀包括浮球腔和设置于浮球腔内的浮球，所述浮球腔顶部设置有与风力排气装置进气管相连通的出口，浮球腔底部设置有与虹吸管相连通的进口，所述浮球与浮球腔出口的内壁密封配合；
在通过风力排气装置抽气后，虹吸管内聚集在最高处的空气被排出，液面上升，浮球阻断阀的浮球随着液面上升，当浮球上升至浮球腔顶部出口时，与浮球腔内壁形成密封，防止虹吸管内的水进入风力排气装置。
优选地，所述浮球阻断阀与风力排气装置之间设置有负压仓；
在列车活塞风的作用下，风力排气装置持续抽出负压仓内的空气，使负压仓的真空度始终高于虹吸管内的真空度，一旦虹吸管出现积累出空气即被吸入负压仓内，保持虹吸管的虹吸效果。
本发明的有益效果是：该隧道排水系统利用列车产生的活塞风带动风力排气装置将虹吸管内聚集的气体及时排出，保持虹吸管的真空度，保持虹吸长期有效，只要地下水发生汇聚，就能自动高效实时排出隧道围岩内多余的地下水，无需任何外部动力，无需人工维护，特别适用于超过1千米的长隧道。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的风力排气装置的正面示意图；
图3为本发明的风力排气装置的侧面示意图；
图4是浮球阻断阀的示意图。
附图标记：隧道1、钻孔2、虹吸管3、排水沟4、风力排气装置5、进气管6、排气管7、抽气腔8、圆轮9、弹簧槽10、运动片11、弹簧12、转轴14、扇叶15、地下水位线16，负压仓17，浮球阻断阀18，浮球19，浮球腔20，单向阀21。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
本发明公开的隧道排水系统及排水方法，包括设置于隧道内的虹吸管3，其特征在于，所述虹吸管3的最高处连接有风力排气装置5，所述风力排气装置5包括扇叶15、抽气腔8、圆轮9和运动片11，所述扇叶15迎向隧道活塞风方向设置，所述圆轮9偏心设置于抽气腔8内并且一侧与抽气腔8的内壁形成动密封，所述扇叶15通过转轴14与圆轮9传动连接，所述圆轮9对称设置有弹簧槽10，所述运动片11通过弹簧12连接于弹簧槽10内，所述运动片11的顶端与抽气腔8的内壁相接触形成动密封，所述圆轮9的两侧分别设置有进气管6和排气管7，所述运动片11和圆轮9将抽气腔8划分为吸气空间和排气空间，所述进气管6与吸气空间相连通，所述排气管7与排气空间相连通，所述虹吸管3与风力排气装置5的进气管6相连通。
采用所述隧道排水系统的排水方法，包括如下步骤：
选择隧道围岩需要进行仰拱排水的位置并向下钻孔2，将虹吸管3的一端放置在钻孔2的底部，另一端放入隧道排水沟4；
在虹吸管3的最高处连接风力排气装置5，将风力排气装置5的扇叶15迎向隧道活塞风方向设置；在同一隧道中可以在不同的位置分别设置虹吸管3，每根虹吸管3均分别设置风力排气装置5用以排气。向虹吸管3灌水排出空气，实现虹吸效果，根据虹吸原理，只要隧道围岩的地下水位线16高于隧道排水沟4的水位高度即可通过虹吸作用将隧道围岩中的水通过虹吸管3排入隧道围岩内。
高速列车在隧道内运行时会产生活塞风，活塞风风速与列车速度成正比，在理论条件下隧道内活塞风可达10m/s，活塞风利用技术目前处于空白。本发明中，列车行驶进入隧道后，产生的活塞风带动扇叶15转动，扇叶15通过转轴14带动圆轮9和运动片11转动，运动片11受到离心力和弹簧12作用力，运动片11的顶端与抽气腔8内壁始终保持密封滑动，吸气空间逐渐增大，通过进气管6吸入气体，排气空间逐渐缩小，通过排气管7排出气体，将虹吸管3内的空气排出，防止虹吸失效。如图2所示，虽然运动片11和圆轮9在转动，但是始终会在抽气腔8的左侧形成吸气空间，在抽气腔8的右侧形成排气空间，圆轮9在扇叶15的带动下顺时针旋转，随着运动片11的位置变化，位于左侧吸气空间会逐渐增大，内部气压降低，从而通过进气管6将虹吸管3内的空气抽入抽气腔8，而位于右侧的排气空间会逐渐缩小，内部气压增大，通过排气管7将抽气腔8内的气体排出，在活塞风的作用下，风力排气装置5可以持续进行抽排气。列车离开隧道后，扇叶15停止转动，风力排气装置5停止工作，下一辆列车进入隧道，风力排气装置5继续工作，循环重复排气过程，不断吸出虹吸管3内累积的空气。可在同一圆轮9上设置2对运动片11，以提高风力排气装置5的使用寿命。
对于列车经过产生的活塞风，在不同的位置风速是不同的，在安装风力排气装置5时，测试隧道内列车运行时不同位置产生的风速值，确定风速最大的位置，将扇叶15设置在风速最大的位置，以获得最大的驱动力。
在风力排气装置5工作过程中，可能会抽出虹吸管3内的水，而这些水进入风力排气装置5后，会对风力排气装置5的工作产生负面影响，为解决这一问题，本发明在所述虹吸管3的最高处设置有浮球阻断阀18，所述浮球阻断阀18包括浮球腔20和设置于浮球腔20内的浮球19，所述浮球腔20顶部设置有与风力排气装置5进气管6相连通的出口，浮球腔20底部设置有与虹吸管3相连通的进口，所述浮球19与浮球腔20出口的内壁密封配合。当虹吸管3内聚集有空气时，其最高点的液面下降，浮球19随之下降，浮球阻断阀18开启，风力排气装置5可以顺利将虹吸管3内的空气抽出，在通过风力排气装置5抽气后，虹吸管3内聚集在最高处的空气被排出，液面上升，浮球阻断阀18的浮球19随着液面上升，当浮球19上升至浮球腔20顶部出口时，与浮球腔20内壁形成密封，防止虹吸管3内的水进入风力排气装置5。
虹吸管3内混入空气的时间是长期且随机的，而列车经过产生活塞风驱动风力排气装置5运行也是有一定时间间隔的。为了让虹吸管3内一旦混入空气就会立刻被抽出，所述浮球阻断阀18与风力排气装置5之间设置有负压仓17；在列车活塞风的作用下，风力排气装置5持续抽出负压仓17内的空气，使负压仓17的真空度始终高于虹吸管3内的真空度，一旦虹吸管3出现积累出空气即被吸入负压仓17内，保持虹吸管3的虹吸效果，还可以在所述负压仓17与风力排气装置5之间设置有通向风力排气装置5的单向阀21，降低负压仓17泄压的可能性。单向阀21采用市售的气体单向阀即可。

Claims (8)

1.一种隧道排水系统，包括设置于隧道内的虹吸管(3)，其特征在于，所述虹吸管(3)的最高处连接有风力排气装置(5)，所述风力排气装置(5)包括扇叶(15)、抽气腔、圆轮(9)和运动片(11)，所述扇叶(15)迎向隧道活塞风方向设置，所述圆轮(9)偏心设置于抽气腔内并且一侧与抽气腔的内壁形成动密封，所述扇叶(15)通过转轴(14)与圆轮(9)传动连接，所述圆轮(9)对称设置有弹簧槽(10)，所述运动片(11)通过弹簧(12)连接于弹簧槽(10)内，所述运动片(11)的顶端与抽气腔的内壁相接触形成动密封，所述圆轮(9)的两侧分别设置有进气管(6)和出气管(7)，所述运动片(11)和圆轮(9)将抽气腔划分为吸气空间和排气空间，所述进气管(6)与吸气空间相连通，所述出气管(7)与排气空间相连通，所述虹吸管(3)与风力排气装置(5)的进气管(6)相连通。
2.如权利要求1所述的隧道排水系统，其特征在于：所述虹吸管(3)的最高处设置有浮球阻断阀(18)，所述浮球阻断阀(18)包括浮球腔(20)和设置于浮球腔(20)内的浮球，所述浮球腔(20)顶部设置有与风力排气装置(5)进气管(6)相连通的出口，浮球腔(20)底部设置有与虹吸管(3)相连通的进口，所述浮球与浮球腔(20)出口的内壁密封配合。
3.如权利要求2所述的隧道排水系统，其特征在于：所述浮球阻断阀(18)与风力排气装置(5)之间设置有负压仓(17)。
4.如权利要求3所述的隧道排水系统，其特征在于：所述负压仓(17)与风力排气装置(5)之间设置有通向风力排气装置(5)的单向阀(21)。
5.采用如权利要求1任一项所述隧道排水系统的排水方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择隧道围岩需要进行仰拱排水的位置并向下钻孔，将虹吸管(3)的一端放置在钻孔(2)的底部，另一端放入隧道排水沟(4)；
在虹吸管(3)的最高处连接风力排气装置(5)，将风力排气装置(5)的扇叶(15)迎向隧道活塞风方向设置；
向虹吸管(3)灌水排出空气，实现虹吸效果；
列车行驶进入隧道后，产生的活塞风带动扇叶(15)转动，扇叶(15)通过转轴(14)带动圆轮(9)和运动片(11)转动，运动片(11)受到离心力和弹簧(12)作用力，运动片(11)的顶端与旋片腔内壁始终保持密封滑动，吸气空间逐渐增大，通过进气管(6)吸入气体，排气空间逐渐缩小，通过出气管(7)排出气体，将虹吸管(3)内的空气排出，防止虹吸失效；
列车离开隧道后，扇叶(15)停止转动，风力排气装置(5)停止工作，下一辆列车进入隧道，启动装置继续工作，循环重复排气过程，不断吸出虹吸管(3)内累积的空气。
6.如权利要求5所述的排水方法，其特征在于：在安装风力排气装置(5)时，测试隧道内列车运行时不同位置产生的风速值，确定风速最大的位置，将扇叶(15)设置在风速最大的位置。
7.如权利要求5所述的排水方法，其特征在于：所述虹吸管(3)的最高处设置有浮球阻断阀(18)，所述浮球阻断阀(18)包括浮球腔(20)和设置于浮球腔(20)内的浮球(19)，所述浮球腔(20)顶部设置有与风力排气装置(5)进气管(6)相连通的出口，浮球腔(20)底部设置有与虹吸管(3)相连通的进口，所述浮球(19)与浮球腔(20)出口的内壁密封配合；
在通过风力排气装置(5)抽气后，虹吸管(3)内聚集在最高处的空气被排出，液面上升，浮球阻断阀(18)的浮球(19)随着液面上升，当浮球(19)上升至浮球腔(20)顶部出口时，与浮球腔(20)内壁形成密封，防止虹吸管(3)内的水进入风力排气装置(5)。
8.如权利要求5所述的排水方法，其特征在于：所述浮球阻断阀(18)与风力排气装置(5)之间设置有负压仓(17)；
在列车活塞风的作用下，风力排气装置(5)持续抽出负压仓(17)内的空气，使负压仓(17)的真空度始终高于虹吸管(3)内的真空度，一旦虹吸管(3)出现积累出空气即被吸入负压仓(17)内，保持虹吸管(3)的虹吸效果。
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