CN111396125B - 一种隧道仰拱的排水系统及排水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道仰拱的排水系统及排水方法，排水系统包含排水装置和风扇部件，所述排水装置包含活塞部件、进水管路和出水管路，所述活塞部件包含活塞杆和活塞腔，所述活塞腔分别连通所述进水管路和出水管路，所述进水管路和出水管路上均设有阀门，所述风扇部件连接所述活塞杆，所述风扇部件转动能够带动所述活塞杆作活塞运动。本装置在日常情况下能够利用自然风带动排水，能够在没有额外动力驱动下缓解仰拱受到的水压力，有利于节省能源，本装置结构简单，成本低廉，运营及维保成本低，能够通过风力将仰拱处的地下水排出，有效避免仰拱受压破坏，有利于保证隧道运营安全，降低维修治理成本和难度。

Description

一种隧道仰拱的排水系统及排水方法
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，特别涉及一种隧道仰拱的排水系统及排水方法。
背景技术
在岩溶发育或地下水丰富的地区建设隧道，经常遇到地下水以及高压富水断层等不良地质问题，处理好隧道排水问题是减少病害的关键。
传统隧道设计仰拱通常不设置排水系统，而隧道仰拱以下的地下水水位较低，因此排出仰拱以下地下水比较困难。如遇地下水发育在水压力的作用下，仰拱在会处于承压状态，压力作用在仰拱处初期支护和二次衬砌上，会导致衬砌结构受到破坏进而使仰拱处发生隆起、变形、涌水、翻浆冒泥等病害，引发质量问题，影响隧道运营安全，维修治理也极其困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的隧道仰拱下通常不设排水系统，导致的仰拱受压破坏，引发质量问题，影响隧道运营安全，维修治理困难等上述不足，提供一种隧道仰拱的排水系统及排水方法。
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种隧道仰拱的排水系统，包含排水装置和风扇部件，所述排水装置包含活塞部件、进水管路和出水管路，所述活塞部件包含活塞杆和活塞腔，所述活塞腔分别连通所述进水管路和出水管路，所述进水管路和出水管路上均设有阀门，所述风扇部件连接所述活塞杆，所述风扇部件转动能够带动所述活塞杆作活塞运动。
采用本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统，在使用时，将所述进水管路的进水口连通仰拱需要抽水的地方，所述出水管路的出水口连通能够排水的地方，如集水沟，所述风扇部件能够通过风力带动转动，进而带动所述活塞杆作活塞运动，当所述活塞杆运动使所述活塞腔内压强减小时，开启所述进水管路上的所述阀门，能够将所述地下水抽入所述活塞腔，然后在所述活塞杆运动使所述活塞腔内压强增大时，开启所述出水管路上的所述阀门，就能将所述活塞腔内的水从所述出水管路排出，因此能够有效将仰拱处的积水排出，所述进水管路的长度根据排水需求确定，仅通过所述活塞部件抽水，抽水深度最大能达到排水处大气压对应的水柱高度，所述风扇部件转动一次即可完成一次排水工作，且风力属于再生清洁能源，在日常情况下能够利用自然风带动排水，在没有额外动力驱动下缓解仰拱受到的水压力，有利于节省能源，本装置结构简单，成本低廉，运营及维保成本低，能够通过风力将仰拱处的地下水排出，有效避免仰拱受压破坏，有利于保证隧道运营安全，降低维修治理成本和难度。
优选的，所述风扇部件通过传动部件一连接所述活塞杆，所述传动部件一包含滑块和滑槽，所述滑块滑动连接于所述滑槽，所述风扇部件连接于所述滑块，所述滑槽连接于所述活塞杆。
所述风扇部件转动能够带动所述滑块做圆周运动，由于所述滑块设置在所述滑槽中，能够带动所述滑槽运动，进而带动所述活塞杆运动。
进一步优选的，所述活塞部件包含至少两个，每个所述活塞杆均连接于所述滑槽。
进一步优选的，所述活塞部件包含至少两个，所述滑槽连接于其中一个所述活塞杆，相邻两个所述活塞杆之间连接有传动部件二。
进一步优选的，所述传动部件二包含齿轮齿条组件。也可以采用现有的其他传动机构来带动。
即设有多个抽排水部件，有利于提高效率，每个所述活塞腔均连通有所述进水管路和出水管路，各个所述活塞杆可以均通过所述滑槽带动运动，也可以通过其他所述活塞杆带动运动，不同的所述活塞部件可以同步排水，也可以不同步排水。
优选的，所有所述活塞杆的运动方向相互平行，所有所述活塞部件均设于所述风扇部件的同侧。
有利于缩小排水装置的体积，节省布置空间，益于在有限的环境中增大所述活塞杆的行程，进而提高排水效率。
优选的，所述进水管路包含进水管和进水室，所述出水管路包含出水管和出水室，所述进水管连通所述进水室，所述出水管连通所述出水室，所述进水室和出水室均设于所述活塞腔中，所述进水室和出水室均设有所述阀门。
进一步优选的，所有所述阀门均为单向阀。
进一步优选的，所述风扇部件和排水装置均设于隧道中，所述进水管路深入地下水位线以下，所述排水管路连通侧沟。
进一步优选的，所述排水装置连接于所述隧道的拱墙，所述风扇部件的扇面朝向所述隧道内设置。
采用上述设置方式，在所述隧道的拱墙中预留空腔安装所述排水装置，所述排水装置可整体隐藏于所述拱墙中，也可以部分凸出所述拱墙外，无需额外的土建施工，有利于节省安装成本，便于安装维修，所述隧道在运营过程中，所述风扇部件能够有效利用列车或汽车在隧道内运行产生的活塞风作为动力排水，进一步节省能源，并且大型车辆或者高速列车的行驶速度超过80km/h时，隧道内产生的高速活塞风风速可接近10m/s，若列车的行驶速度超过160km/h时，高速活塞风的风速可达前者的几倍，而且列车频次通常固定，车辆运行通常也频繁，因此能够无需借助外部提供动能的情况下实现持续高效稳定的排水过程，有效避免仰拱水压力过大的问题。
一种隧道仰拱的排水方法，应用如上述任一所述的一种隧道仰拱的排水系统，包含如下步骤：
a、测试隧道内不同位置在列车或汽车运行下的风速，确定风扇部件的预设安装位置；
b、将所述风扇部件连接在所述预设安装位置处，将所述风扇部件的扇面朝向所述隧道内设置，将进水管路连通地下水，将出水管路连通侧沟；
c、列车或汽车沿所述隧道中通行产生的风带动所述风扇部件转动，所述风扇部件转动带动所述活塞杆作活塞运动，进而将所述地下水沿所述进水管路和出水管道排入所述侧沟，完成仰拱以下的排水。
采用本发明所述的一种隧道仰拱的排水方法，使得所述隧道在运营过程中，所述风扇部件能够有效利用列车或汽车在隧道内运行产生的活塞风作为动力排水，能够无需借助外部提供动能的情况下实现持续高效稳定的排水过程，有效避免仰拱水压力过大的问题，节能效果明显，能够及时排出富裕的地下水，保护所述仰拱的结构安全，提升隧道的运营安全，降低隧道的维保成本。
优选的，所述预设安装位置为所述隧道内的风速最大处。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统，在日常情况下能够利用自然风带动排水，在没有额外动力驱动下缓解仰拱受到的水压力，有利于节省能源，本装置结构简单，成本低廉，运营及维保成本低，能够通过风力将仰拱处的地下水排出，有效避免仰拱受压破坏，有利于保证隧道运营安全，降低维修治理成本和难度。
2、采用本发明所述的一种隧道仰拱的排水方法，使得所述隧道在运营过程中，所述风扇部件能够有效利用列车或汽车在隧道内运行产生的活塞风作为动力排水，能够无需借助外部提供动能的情况下实现持续高效稳定的排水过程，有效避免仰拱水压力过大的问题，节能效果明显，能够及时排出富裕的地下水，保护所述仰拱的结构安全，提升隧道的运营安全，降低隧道的维保成本。
附图说明：
图1为本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统的结构示意图；
图2为本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统的布置示意图；
图3为实施例2所述的一种隧道仰拱的排水系统的工作状态示意图一；
图4为实施例2所述的一种隧道仰拱的排水系统的工作状态示意图二；
图5为实施例3所述的一种隧道仰拱的排水系统的结构示意图。
图中标记：1-排水装置，2-风扇部件，31-活塞杆，32-活塞腔，4-阀门，51-滑块，52-滑槽，6-齿轮齿条组件，61-滚轮，71-进水管，72-进水室，73-出水管，74-出水室，8-隧道，81-侧沟，82-仰拱，9-地下水位线，10-壳体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1-2所示，本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统，包含排水装置1和风扇部件2，所述排水装置1包含活塞部件、进水管路和出水管路，所述活塞部件包含活塞杆31和活塞腔32，所述活塞腔32分别连通所述进水管路和出水管路，所述进水管路和出水管路上均设有阀门4，所述风扇部件2连接所述活塞杆31，所述风扇部件2转动能够带动所述活塞杆31作活塞运动。
采用本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统，在使用时，将所述进水管路的进水口连通仰拱82需要抽水的地方，所述出水管路的出水口连通能够排水的地方，如集水沟，所述风扇部件2能够通过风力带动转动，进而带动所述活塞杆31作活塞运动，当所述活塞杆31运动使所述活塞腔32内压强减小时，开启所述进水管路上的所述阀门4，能够将所述地下水抽入所述活塞腔32，然后在所述活塞杆31运动使所述活塞腔32内压强增大时，开启所述出水管路上的所述阀门4，就能将所述活塞腔32内的水从所述出水管路排出，因此能够有效将仰拱82处的积水排出，所述风扇部件2转动一次即可完成一次排水工作，且风力属于再生清洁能源，在日常情况下能够利用自然风带动排水，在没有额外动力驱动下缓解仰拱受到的水压力，有利于节省能源，本装置结构简单，成本低廉，运营及维保成本低，能够通过风力将仰拱处的地下水排出，有效避免仰拱受压破坏，有利于保证隧道运营安全，降低维修治理成本和难度。
具体的，如本实施例中，如图1，所述风扇部件2包含扇叶和转轴，所述扇叶受风力作用转动进而带动所述转轴转动，所述排水装置1包含活塞部件、进水管路和出水管路，所述活塞部件包含活塞杆31和活塞腔32，所述活塞杆31包含端部的活塞头，所述进水管路包含进水管71和进水室72，所述出水管路包含出水管73和出水室74，所述进水管71连通所述进水室72，所述出水管73连通所述出水室74，所述进水室72和出水室74均设于所述活塞腔32中，所述进水室72和出水室74均设有所述阀门4，所述阀门4均为单向阀，所述进水室72的阀门4单向进水，所述出水室74的阀门4单向出水，无需额外接电控制；当然，所述阀门4也能够通过控制系统控制驱动系统开启或关闭；也可以不在所述活塞腔32内设置进水室72和出水室74，在进水管71和出水管73上分别设置单向阀，配合活塞运动进行排水。
所述风扇部件2通过传动部件一连接所述活塞杆31，如所述传动部件一包含滑块51和滑槽52，所述滑块51通过连杆连接在所述扇叶的中心套管上，也可以将所述滑块51连接于所述扇叶上，即可带动所述滑块51转动，所述滑块51滑动连接于所述滑槽52，如所述滑槽52沿所述滑块51运动的切线方向设置，所述滑槽52的一端连接于所述活塞杆31，所述滑槽52也可以通过延长杆连接于所述活塞杆31，所述活塞杆31的运动方向优选与所述滑槽52的运动方向平行，如图1，当所述风扇部件2沿图中顺时针方向转动时能够带动所述滑块51做圆周运动，由于所述滑块51设置在所述滑槽52中，能够带动所述滑槽52沿图中上下方向往复运动，进而带动所述活塞杆31沿图中上下作活塞运动，当所述活塞杆31向下运动时，开启所述进水室72的阀门4，所述出水室74的阀门4关闭，使地下水流入所述进水室72，当所述活塞杆31向上运动时，开启所述出水室74的阀门4，所述进水室72的阀门4关闭，使地下水从所述出水管73排出到指定区域。
图1中所述风扇部件2与所述活塞部件的位置关系可以改变，如所述活塞腔部件也可以朝下设置，或者所述滑槽52的移动方向也可以设置成沿图中水平方向移动，或斜向方向设置，所述活塞部件的活塞运动方向对应调整。
所述排水系统在安装时可以连接在安装基础上，如建筑物墙体上、隧道的拱墙上、专门支架上；也可以设置一个具有一个敞开面的壳体10，所述风扇部件2位于所述敞开面一侧，所述转轴连接于所述壳体10的背板，所述延长杆下设有滚动支撑部件，如滚轮61，便于所述延长杆在所述壳体10中滑动，在安装时，直接将装配好的所述壳体10连接在安装基础上，安装快捷方便。
使用时，将所述风扇部件2设置在风力条件较好的地方，也可以将所述风扇部件2和排水装置1均设于隧道8中，如将所述排水装置1安装在所述隧道8风速最大处的边墙中，在所述拱墙中预留空间，无需额外的土建结构施工，有利于节省安装成本，便于安装维修，也可以设于拱圈中。所述风扇部件2的扇面朝向所述隧道8内，将所述进水管71深入地下水位线9以下，如可以在所述仰拱82需要排水的位置向下钻孔，将所述进水管71的入口深入所述孔中，将所述排水管73连通侧沟81，所述侧沟81位于所述隧道8的地面侧边，所述侧沟81沿所述隧道8轴向设置。所述风扇部件2即可利用列车或汽车在隧道内运行产生的活塞风作为动力排水，进一步节省能源，并且大型车辆或者高速列车的行驶速度超过80km/h时，隧道内产生的高速活塞风风速可接近10m/s，若列车的行驶速度超过160km/h时，高速活塞风的风速可达前者的几倍，而且列车频次通常固定，车辆运行通常也频繁，因此能够在无需借助外部提供动能的情况下，能够实现持续高效稳定的排水，抽水深度能够达到排水处大气压对应的水柱的高度，有效避免所述仰拱82水压力过大而损坏的问题。
所述排水系统可以在两侧的所述边墙中均设置。
实施例2
如图3-4所示，本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统，其结构与实施例1大致相同，其不同之处在于，所述活塞部件包含至少两个。
本实施例以两个所述活塞部件示例，相邻两个所述活塞杆31之间连接有传动部件二，所述传动部件二可以采用现有的传动机构来带动，如所述传动部件二包含齿轮齿条组件6，所述滑槽52连接于图3中右侧的所述活塞杆31，也可以连接图中左侧的所述活塞杆31，所述滑槽52连接于对应的所述活塞杆31的齿条，所述齿条下连接有用于滑动的所述滚轮61。每个所述活塞腔32均连通有所述进水管路和出水管路，即设有多个抽排水部件，每个所述活塞部件的进水管路可以连通不同的抽水位置，同时对多处进行水压缓解，也可以连在同一处，有利于提高效率。所有所述活塞杆31的运动方向相互平行，如均平行于所述滑槽52的移动方向，所有所述活塞部件均设于所述风扇部件2的同侧，有利于缩小排水装置的体积，节省布置空间，如像图3所示，所述风扇部件2位于所述活塞部件的下侧，便于将所述风扇部件2布置在车辆行驶的高度范围中，以益于在有限的环境中增大所述活塞杆31的行程，进而提高排水效率。
如图3，如风沿图中箭头作用，所述风扇部件2沿图中顺时针方向转动，带动所述滑槽51向下移动，进而带动右侧的所述活塞杆31下移进行抽水，并通过所述齿轮齿条部件6带动左侧的所述活塞杆31反向运动，即左侧的所述活塞杆31上移进行排水，如图4所示。所述风扇部件2循环转动，以便持续进行排水工作。
实施例3
如图5所示，本发明所述的一种隧道仰拱的排水系统，其结构与实施例2大致相同，其不同之处在于，每个所述活塞杆31均连接于所述滑槽52，即各个所述活塞杆31可以均通过所述滑槽32带动运动，各个所述活塞部件可以同步排水，即所有所述活塞杆31同步上移或同步下移，也可以不同步排水。
实施例4
本发明所述的一种隧道仰拱的排水方法，包含应用如实施例1-3任一所述的隧道仰拱的排水系统，包含如下步骤：
a、测试隧道8内不同位置在列车或汽车运行下的风速，确定风扇部件2的预设安装位置；
b、将所述风扇部件2连接在所述预设安装位置处，将所述风扇部件2的扇面朝向所述隧道8内设置，将进水管路连通地下水，将出水管路连通侧沟81；
c、列车或汽车沿所述隧道8中通行产生的风带动所述风扇部件2转动，所述风扇部件2转动带动所述活塞杆31作活塞运动，进而将所述地下水沿所述进水管路和出水管道排入所述侧沟81，完成仰拱82以下的排水。
采用本发明所述的一种隧道仰拱的排水方法，先测试隧道8内不同位置在列车或汽车运行下的风速，确定风扇部件2的预设安装位置，优选的，所述预设安装位置为所述隧道8内的风速最大处的拱墙处，如图2所示，将所述风扇部件2的扇面朝向所述隧道8内设置，所述排水装置1可嵌入所述拱墙中，所述风扇部件2可伸出所述拱墙外侧，然后将所述进水管71深入钻孔中连通地下水，将所述出水管73连通侧沟81，以便排水。
所述隧道8在运营过程中，所述风扇部件2能够有效利用列车或汽车在隧道内运行产生的活塞风作为动力排水，能够无需借助外部提供动能的情况下实现持续高效稳定的排水过程，有效避免仰拱82处水压力过大的问题，节能效果明显，能够及时排出富裕的地下水，保护所述仰拱的结构安全，提升隧道的运营安全，降低隧道的维保成本。
以上所述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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种隧道仰拱的排水系统，其特征在于，包含排水装置(1)和风扇部件(2)，所述排水装置(1)包含活塞部件、进水管路和出水管路，所述活塞部件包含活塞杆(31)和活塞腔(32)，所述活塞腔(32)分别连通所述进水管路和出水管路，所述进水管路和出水管路上均设有阀门(4)，所述风扇部件(2)连接所述活塞杆(31)，所述风扇部件(2)转动能够带动所述活塞杆(31)作活塞运动，所述活塞杆(31)竖向设置，所述进水管路和出水管路均位于所述活塞杆(31)上方，所述活塞杆(31)向下运动时所述活塞腔(32)进水，所述活塞杆(31)向上运动时所述活塞腔(32)排水，所述风扇部件(2)通过传动部件一连接所述活塞杆(31)，所述传动部件一包含滑块(51)和滑槽(52)，所述滑块(51)滑动连接于所述滑槽(52)，所述风扇部件(2)连接于所述滑块(51)，所述滑槽(52)连接于所述活塞杆(31)，所述活塞部件包含至少两个；
每个所述活塞杆(31)均连接于所述滑槽(52)，或者
所述滑槽(52)连接于其中一个所述活塞杆(31)，相邻两个所述活塞杆(31)之间连接有传动部件二，所述传动部件二包含齿轮齿条组件(6)。
2.根据权利要求1所述的排水系统，其特征在于，所述进水管路包含进水管(71)和进水室(72)，所述出水管路包含出水管(73)和出水室(74)，所述进水管(71)连通所述进水室(72)，所述出水管(73)连通所述出水室(74)，所述进水室(72)和出水室(74)均设于所述活塞腔(32)中，所述进水室(72)和出水室(74)均设有所述阀门(4)，所述阀门(4)均为单向阀。
3.根据权利要求2所述的排水系统，其特征在于，所述风扇部件(2)和排水装置(1)均设于隧道(8)中，所述进水管路深入地下水位线(9)以下，所述出水管路连通侧沟(81)。
4.根据权利要求3所述的排水系统，其特征在于，所述排水装置(1)连接于所述隧道(8)的拱墙，所述风扇部件(2)的扇面朝向所述隧道(8)内设置。
5.一种隧道仰拱的排水方法，其特征在于，应用如权利要求1-4任一所述的一种隧道仰拱的排水系统，包含如下步骤：
a、测试隧道(8)内不同位置在列车或汽车运行下的风速，确定风扇部件(2)的预设安装位置；
b、将所述风扇部件(2)连接在所述预设安装位置处的拱墙内，将所述风扇部件(2)的扇面朝向所述隧道(8)内设置，将进水管路连通地下水，将出水管路连通侧沟(81)；
c、列车或汽车沿所述隧道(8)中通行产生的风带动所述风扇部件(2)转动，所述风扇部件(2)转动带动所述活塞杆(31)作活塞运动，进而将所述地下水沿所述进水管路和出水管路排入所述侧沟(81)，完成仰拱(82)以下的排水。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设安装位置为所述隧道(8)内的风速最大处。
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