CN112727543B - 一种隧道智能化多级降压排水系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道智能化多级降压排水系统及使用方法，包括隧道支护结构和隧道常规排水系统，隧道支护结构包括：初支结构，其用于支护隧道围岩；二衬结构，其设置于初支结构内侧；仰拱填充，其沿仰拱上表面轴向延伸；隧道常规排水系统包括：侧沟，其设置于仰拱填充两侧，中心沟，其设置于仰拱填充中间位置，还包括多级式排水结构，多级式排水结构包括：隧底排水结构，其贯穿隧道支护结构底部，隧底排水结构一端与中心沟连通，另一端伸入隧道下方的围岩，边墙排水结构，其贯穿边墙部位的隧道支护结构，边墙排水结构一端与侧沟连通，另一端伸入隧道侧面的围岩。本发明具有动态排水能力、施做便捷、具备“预警‑警戒”水害防控体系。

Description

一种隧道智能化多级降压排水系统及使用方法

技术领域

本发明涉及防排水系统领域，具体涉及一种隧道智能化多级降压排水系统；本发明还具体涉及一种隧道智能化多级降压排水系统使用方法。

背景技术

在岩溶隧道中，运营隧道会受到地下水的影响，产生结构不良变形、隧道渗漏水、结构开裂破损、结构掉块坍塌等现象，严重影响隧道结构安全性并制约隧道使用功能。

对比文件1：中国发明专利公开说明书CN101798939A，公开日20130424，公开了一种可维护式隧道排水系统。其包括两条纵向排水沟、多条横、纵向排水盲管、多条环向盲管、多个检查井以及两条边沟。对比文件2：中国发明专利公开说明书CN106640189A，公开日20191227，公开了一种可承压的隧道底部结构排水体系及其施工方法，利用可承压透水材料形成竖向排水通道，以降低隧道底部水压。对比文件3：中国发明专利公开说明书CN107227974A，公开日20171003，公开了一种隧道衬砌排水结构及排水方法，在现有排水体系下通过增设伸缩缝预埋件以解决排水管易堵塞的难题。对比文件4：中国发明专利公开说明书CN109236366A，公开日20190118，公开了一种隧道富水地层仰拱体外排水系统及施工方法，通过在隧道底部设置数条打孔波纹管排泄隧底积水，降低隧道底部水压力。

但是，现有技术中仍存在如下不足：(1)地层水位会因地表降雨存在明显波动，而隧道有效排水通道却是固定不变的；这将导致当排水管布设数量较少时难以有效控制水压力，而在排水管布设数量较多时隧道排水量过大，不利于生态环保。(2)在现有排水体系下排水设施转角繁多且大多隐蔽于结构内，一旦出现堵管问题难以有效解决。(3)现有技术缺乏动态反馈功能，并未建立运营隧道水害的“预警-警戒”防控体系，无法在病害较轻时及时采取措施规避病害的严重化，待病害发现时往往已对结构产生了不可逆的损伤。

因此，需要提供一种隧道智能化多级降压排水系统及使用方法，来解决隧道有效排水通道难以应对地层水压波动，排水设施难以维护，排水设施缺乏现场动态反馈功能的问题。

发明内容

本发明提供一种隧道智能化多级降压排水系统及使用方法，具有动态排水能力来应对地层水压波动；排水系统安装便捷利于疏通；排水系统能够反馈现场动态并具备“预警-警戒”水害防控体系的特点。来解决现有技术中的不足。

一种隧道智能化多级降压排水系统，包括隧道支护结构和隧道常规排水系统，所述的隧道支护结构包括：初支结构，其用于支护隧道围岩；二衬结构，其设置于初支结构内侧；仰拱填充，其沿仰拱上表面轴向延伸；所述隧道常规排水系统包括：

侧沟，其设置于仰拱填充(13)两侧，

中心沟，其设置于仰拱填充(13)中间位置，

还包括多级式排水结构，所述多级式排水结构包括：

隧底排水结构，其贯穿隧道支护结构底部，所述隧底排水结构一端与中心沟连通，另一端伸入隧道下方的围岩，

边墙排水结构，其贯穿边墙部位的隧道支护结构，所述边墙排水结构一端与侧沟连通，另一端伸入隧道侧面的围岩。

采用这样的结构，利用多级式排水结构，使得隧底排水结构与中心沟连通，边墙排水结构与侧沟连通。在地层水压出现变化时，多级式排水结构能够应对水压的变化而进行全部排水、部分排水或关闭。在不改变隧道常规排水系统的前提下，实现了隧道总排水能力与排水路径可随地层水压变化而动态改变。

这样的结构能够使得隧道排水系统兼顾排水降压效果与隧址区生态环保，强降雨后地层水位明显上升时隧道排水通道逐步开启、增大自身排水能力，确保隧道结构稳定与运营安全，而当在少雨季节地层水位较低时隧道排水通道逐步关闭、减小自身排水能力，尽可能降低隧道排水对生态环境的不利影响。并且这样的结构能够在确保排水能力的同时最大限度地减少隧底排水结构和边墙排水结构的数量，节约成本、方便施工，也方便了后期的维护。

进一步的，所述隧道常规排水系统还包括：

环向排水盲管，其设置于初支结构与二衬结构之间，所述环向排水盲管沿隧道纵向间隔设置，

纵向排水盲管，其纵向连接环向排水盲管，

横向排水管，其连通纵向排水盲管和侧沟，

横向连接管，其连通侧沟与中心沟。

采用这样的结构，可以进一步的连通隧道常规排水系统和多级式排水结构，形成一个环绕隧道的排水管路环网，防止个别部位的管道由于堵塞、憋管或损坏等问题而导致的排水不畅的问题。增强了本发明的稳定性。

进一步的，所述的隧底排水结构包括：

第一圆形钢管，其贯穿隧道支护结构底部并一端伸入隧道底部的围岩，另一端伸入中心沟，

第一排水孔，其均匀布设于第一圆形钢管位于围岩的一端，

第一隔砂层，其包裹在第一排水孔上，

第一定压安全阀，其一端连接第一圆形钢管位于中心沟的一端，

出流钢管，其与第一定压安全阀的另一端连接，

第一信号发射器，其设置于出流钢管内表面，用于检测水流并传输水流信号，

盖板支架，其一端连接出流钢管顶部，

挡水盖板，其设置于盖板支架的另一端。

进一步的，所述的边墙排水结构包括：

第二圆形钢管，其贯穿边墙部位的隧道支护结构，并且一端伸入隧道侧面的围岩，另一端临近侧沟，

第二排水孔，其均匀布设于第二圆形钢管位于围岩的一端，

第二隔砂层，其包裹在第二排水孔上，

第二定压安全阀，其一端与第二圆形钢管临近侧沟的一端连接，

导流钢管，其一端第二定压安全阀的另一端连接，另一端连通侧沟，

第二信号发射器，其设置于导流钢管内表面，用于检测水流并传输水流信号。

采用这样的结构，本发明在容易造成堵塞的围岩端的第一圆形钢管和第二圆形钢管上，分别设置有第一隔砂层和第二隔砂层。极大地避免了堵管情况的发生，若发生堵管的情况，维护人员只需要疏通围岩端的第一圆形钢管和第二圆形钢管并且替换第一隔砂层和第二隔砂层等部件就可以解决；本发明中的管道多为直通管且转角少，不易于形成堵管，清淤便利，便于管道的疏通，方便维护。

本发明设置的多级式排水结构结构简单安装方便，可以提前预制，在现场仅需钻孔安装即可，施工方便、快速高效。可适用于隧道建设与运营的各个阶段，能够在隧道原有的排水系统上加装；在存在水害风险的待施工区段、施工后显现水害隐患的待运营区段、运营后发生水害的待抢修区段均可以采用该方法优化隧道排水能力、有效控制隧道水压。更具实用性，避免了现有技术中的排水系统均需要在施工阶段安装的短板。

进一步的，所述的第一信号发射器与第二信号发射器为水浸传感器，并通过有线传输或无线传输发送水流信号。

进一步的，还包括传输系统，所述的传输系统包括：

信号接收器，其接收第一信号发射器与第二信号发射器发送的水流信号，

数据引线，所述数据引线与信号接收器连接，并且传输水流信号至数据采集与控制中心。

采用这样的结构，本发明在第一圆形钢管和第二圆形钢管内分别设置的第一信号发射器和第二信号发射器可实时监测多级式排水结构的出流状态，一旦出流，水流信号即被发出且通过传输系统反馈至数据采集与控制中心。根据不同泄压等级的水流信号，隧道维护人员一方面可以判断地层实时水压范围，及时发现水害潜在风险，另一方面依据信号等级可及时实施针对性的水害防治措施，避免水害的严重化。并且现场的水流信号的能够迅速反馈，能够实时动态地反馈现场的情况，从而帮助维护人员更及时更全面地掌握现场状态，从而更加及时作出正确的处理。数据采集与控制中心能够将水流信息数据记录下来，便于后期的分析计算。

一种上述装置的隧道智能化多级降压排水系统使用方法，包括如下步骤：

步骤1：根据隧道及隧道所在地层富水情况设计参数，通过有限元软件与模型试验分析确定隧道的水压预警值和水压警戒值，分别记为P1和P2；

步骤2：将位于同一个排水断面上的第一定压安全阀和第二定压安全阀的水压控制值皆设置为步骤1中预定的水压预警值P1或水压警戒值P2，并将不同水压控制值的隧底排水结构和边墙排水结构标识为不同颜色；

步骤3：在隧道支护结构和隧道常规排水系统施工完成后，在具有水害风险的区段，沿隧道纵向设置的至少两个排水断面中，每个排水断面在隧道上分别钻设与隧底排水结构、边墙排水结构相匹配的预留孔洞；

步骤4：将一个排水断面中的第一定压安全阀和第二定压安全阀的水压控制值设置为水压预警值P1，其相邻排水断面中的第一定压安全阀和第二定压安全阀的水压控制值设置为水压警戒值P2，沿隧道纵向，P1和P2交替设置；然后在对应断面分别安设隧底排水结构的预制件和边墙排水结构的预制件；

步骤5：在隧道支护结构内表面布置信号接收器，并通过数据引线将信号数据传输至隧道外的数据采集与控制中心；

步骤6：根据地层水压力实际情况、水压预警值P1和水压警戒值P2的比对情况，多级式排水结构进入不同等级的工作状态并发出对应等级的信号数据，数据采集与控制中心依据接收的信号数据制定不同等级的水害防治措施。

进一步的，在步骤6中，

当地层水压力小于水压预警值P1时，仅有隧道常规排水系统工作，多级式排水结构的第一定压安全阀和第二定压安全阀均关闭，系统正常运行；

当地层水压力大于水压预警值P1且小于水压警戒值P2时，隧道常规排水系统工作，水压控制值设置为水压预警值P1的排水断面，其中的多级式排水结构开启，进行排水工作，数据采集与控制中心接收预警信号；

当地层水压力大于水压警戒值P2时，隧道常规排水系统工作，所有排水断面中的多级式排水结构开启，进行排水工作，数据采集与控制中心接收报警信号。

采用这样的方法，可以得知，水压预警值P1小于水压警戒值P2；一个排水断面中的第一定压安全阀和第二定压安全阀的水压控制值设置为水压预警值P1，另一个相邻排水断面中的第一定压安全阀和第二定压安全阀的水压控制值设置为水压警戒值P2，当地层水压力超过水压预警值P1且不超过水压警戒值P2时，水压控制值设置为水压预警值P1的多级式排水结构工作，并发送预警信号给数据采集与控制中心，直到所述水压恢复正常；当地层水压力超过水压警戒值P2时，所有多级式排水结构工作，并发送警告信号给数据采集与控制中心。这样方便维护人员实时掌握现场的水压和水流情况，并能够根据情况进行处理。由于每个隧底排水结构都有第一定压安全阀，每个边墙排水结构都有第二定压安全阀；所以维护人员通过数据采集与控制中心能够轻松获取各部位的隧底排水结构和边墙排水结构的水流状态，充分了解现场情况，从而远程判断其运行状态。

本发明的有益效果如下：

1.本发明能够应对水压的变化而进行全部排水、部分排水或关闭，具有动态排水能力。使得隧道排水系统兼顾排水降压效果与隧址区生态环保，地层水位明显上升时增大自身排水能力，确保隧道结构稳定与运营安全，地层水位较低时减小自身排水能力，尽可能降低隧道排水对生态环境的不利影响。

2.本发明能够在确保排水能力的同时最大限度地减少隧底排水结构和边墙排水结构的数量，节约成本、方便施工，也方便了后期的维护。

3.本发明设置的多级式排水结构3结构简单安装方便，可以提前预制，在现场仅需钻孔安装即可，施工方便、快速高效。可适用于隧道建设与运营的各个阶段，能够在隧道原有的排水系统上加装，优化隧道排水能力、有效控制隧道水压；更具实用性，避免了现有技术中的排水系统均需要在施工阶段安装的短板。

4.本发明在第一圆形钢管和第二圆形钢管内分别设置的第一信号发射器和第二信号发射器可实时监测多级式排水结构的出流状态，一旦出流，水流信号即被发出且通过传输系统反馈至数据采集与控制中心。根据不同泄压等级的水流信号，隧道维护人员一方面可以判断地层实时水压范围，及时发现水害潜在风险，另一方面依据信号等级可及时实施针对性的水害防治措施，避免水害的严重化。并且现场的水流信号的能够迅速反馈，能够实时动态地反馈现场的情况，从而帮助维护人员更及时更全面地掌握现场状态，从而更加及时作出正确的处理。数据采集与控制中心能够将水流信息数据记录下来，便于后期的分析计算。

5.本发明在容易造成堵塞的围岩端的第一圆形钢管和第二圆形钢管上，分别设置有第一隔砂层和第二隔砂层。极大地避免了堵管情况的发生，若发生堵管的情况，维护人员只需要疏通围岩端的第一圆形钢管和第二圆形钢管并且替换第一隔砂层和第二隔砂层等部件就可以解决；本发明中的管道多为直通管且转角少，不易于形成堵管，清淤便利，便于管道的疏通，方便维护。

附图说明

图1为本发明隧道智能化多级降压排水系统的横断面示意图；

图2为图1中本发明隧道智能化多级降压排水系统的A-A剖视示意图；

图3为图1中本发明隧道智能化多级降压排水系统的B-B剖视示意图；

图4为隧底排水结构的结构示意图；

图5为边墙排水结构的结构示意图；

附图标记：

1、隧道支护结构；11、初支结构；12、二衬结构；13、仰拱填充；2、隧道常规排水系统；21、环向排水盲管；22、纵向排水盲管；23、横向排水管；24、侧沟；25、中心沟；26、横向连接管；3、多级式排水结构；31、隧底排水结构；32、边墙排水结构；311、第一圆形钢管；312、出流钢管；313、第一排水孔；314、第一隔砂层；315、第一定压安全阀；316、第一信号发射器；317、盖板支架；318、挡水盖板；321、第二圆形钢管；322、导流钢管；323、第二排水孔；324、第二隔砂层；325、第二定压安全阀；326、第二信号发射器；4、传输系统；41、信号接收器；42、数据引线；5、数据采集与控制中心。

具体实施方式

显然，下面所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

一种隧道智能化多级降压排水系统，包括隧道支护结构1和隧道常规排水系统2，所述的隧道支护结构1包括：初支结构11，其用于支护隧道围岩；二衬结构12，其设置于初支结构11内侧；仰拱填充13，其沿仰拱上表面轴向延伸；所述隧道常规排水系统2包括：

侧沟24，其设置于仰拱填充13两侧，

中心沟25，其设置于仰拱填充13中间位置，

还包括多级式排水结构3，所述多级式排水结构3包括：

隧底排水结构31，其贯穿隧道支护结构1底部，所述隧底排水结构31一端与中心沟25连通，另一端伸入隧道下方的围岩，

边墙排水结构32，其贯穿边墙部位的隧道支护结构1，所述边墙排水结构32一端与侧沟24连通，另一端伸入隧道侧面的围岩。

采用这样的结构，利用多级式排水结构3，使得隧底排水结构31与中心沟25连通，边墙排水结构32与侧沟24连通。在地层水压出现变化时，多级式排水结构3能够应对水压的变化而进行全部排水、部分排水或关闭。在不改变隧道常规排水系统2的前提下，实现了隧道总排水能力与排水路径可随地层水压变化而动态改变。

这样的结构能够使得隧道排水系统兼顾排水降压效果与隧址区生态环保，强降雨后地层水位明显上升时隧道排水通道逐步开启、增大自身排水能力，确保隧道结构稳定与运营安全，而当在少雨季节地层水位较低时隧道排水通道逐步关闭、减小自身排水能力，尽可能降低隧道排水对生态环境的不利影响。并且这样的结构能够在确保排水能力的同时最大限度地减少隧底排水结构31和边墙排水结构32的数量，节约成本、方便施工，也方便了后期的维护。

所述隧道常规排水系统2还包括：

环向排水盲管21，其设置于初支结构11与二衬结构12之间，所述环向排水盲管21沿隧道纵向间隔设置，

纵向排水盲管22，其纵向连接环向排水盲管21，

横向排水管23，其连通纵向排水盲管22和侧沟24，

横向连接管26，其连通侧沟24与中心沟25。

采用这样的结构，可以进一步的连通隧道常规排水系统2和多级式排水结构3，形成一个环绕隧道的排水管路环网，防止个别部位的管道由于堵塞、憋管或损坏等问题而导致的排水不畅的问题。增强了本发明的稳定性。

所述的隧底排水结构31包括：

第一圆形钢管311，其贯穿隧道支护结构1底部并一端伸入隧道底部的围岩，另一端伸入中心沟25，

第一排水孔313，其均匀布设于第一圆形钢管311位于围岩的一端，

第一隔砂层314，其包裹在第一排水孔313上，

第一定压安全阀315，其一端连接第一圆形钢管311位于中心沟25的一端，

出流钢管312，其与第一定压安全阀315的另一端连接，

第一信号发射器316，其设置于出流钢管312内表面，用于检测水流并传输水流信号，

盖板支架317，其一端连接出流钢管312顶部，

挡水盖板318，其设置于盖板支架317的另一端。

所述的边墙排水结构32包括：

第二圆形钢管321，其贯穿边墙部位的隧道支护结构1，并且一端伸入隧道侧面的围岩，另一端临近侧沟24，

第二排水孔323，其均匀布设于第二圆形钢管321位于围岩的一端，

第二隔砂层324，其包裹在第二排水孔323上，

第二定压安全阀325，其一端与第二圆形钢管321临近侧沟24的一端连接，

导流钢管322，其一端第二定压安全阀325的另一端连接，另一端连通侧沟24，

第二信号发射器326，其设置于导流钢管322内表面，用于检测水流并传输水流信号。

采用这样的结构，本发明在容易造成堵塞的围岩端的第一圆形钢管311和第二圆形钢管321上，分别设置有第一隔砂层314和第二隔砂层324。极大地避免了堵管情况的发生，若发生堵管的情况，维护人员只需要疏通围岩端的第一圆形钢管311和第二圆形钢管321并且替换第一隔砂层314和第二隔砂层324等部件就可以解决；本发明中的管道多为直通管且转角少，不易于形成堵管，清淤便利，便于管道的疏通，方便维护。

本发明设置的多级式排水结构3结构简单安装方便，可以提前预制，在现场仅需钻孔安装即可，施工方便、快速高效。可适用于隧道建设与运营的各个阶段，能够在隧道原有的排水系统上加装；在存在水害风险的待施工区段、施工后显现水害隐患的待运营区段、运营后发生水害的待抢修区段均可以采用该方法优化隧道排水能力、有效控制隧道水压。更具实用性，避免了现有技术中的排水系统均需要在施工阶段安装的短板。

所述的第一信号发射器316与第二信号发射器326为水浸传感器，并通过有线传输或无线传输发送水流信号。

还包括传输系统4，所述的传输系统4包括：

信号接收器41，其接收第一信号发射器316与第二信号发射器326发送的水流信号，

数据引线42，所述数据引线42与信号接收器41连接，并且传输水流信号至数据采集与控制中心5。

采用这样的结构，本发明在第一圆形钢管311和第二圆形钢管321内分别设置的第一信号发射器316和第二信号发射器326可实时监测多级式排水结构3的出流状态，一旦出流，水流信号即被发出且通过传输系统反馈至数据采集与控制中心5。根据不同泄压等级的水流信号，隧道维护人员一方面可以判断地层实时水压范围，及时发现水害潜在风险，另一方面依据信号等级可及时实施针对性的水害防治措施，避免水害的严重化。并且现场的水流信号的能够迅速反馈，能够实时动态地反馈现场的情况，从而帮助维护人员更及时更全面地掌握现场状态，从而更加及时作出正确的处理。数据采集与控制中心5能够将水流信息数据记录下来，便于后期的分析计算。

一种上述装置的隧道智能化多级降压排水系统使用方法，包括如下步骤：

步骤1：根据隧道及隧道所在地层富水情况设计参数，通过有限元软件与模型试验分析确定隧道的水压预警值和水压警戒值，分别记为P1和P2；

步骤2：将位于同一个排水断面上的第一定压安全阀315和第二定压安全阀325的水压控制值皆设置为步骤1中预定的水压预警值P1或水压警戒值P2，并将不同水压控制值的隧底排水结构31和边墙排水结构32标识为不同颜色；

步骤3：在隧道支护结构1和隧道常规排水系统2施工完成后，在具有水害风险的区段，沿隧道纵向设置的至少两个排水断面中；每个排水断面在隧道上分别钻设与隧底排水结构31、边墙排水结构32相匹配的预留孔洞；

步骤4：将一个排水断面中的第一定压安全阀315和第二定压安全阀325的水压控制值设置为水压预警值P1，其相邻排水断面中的第一定压安全阀315和第二定压安全阀325的水压控制值设置为水压警戒值P2，沿隧道纵向，P1和P2交替设置，然后在对应断面分别安设隧底排水结构31与边墙排水结构32的预制件；

步骤5：在隧道支护结构1内表面布置信号接收器41，并通过数据引线42将信号数据传输至隧道外的数据采集与控制中心5；

步骤6：根据地层水压力实际情况、水压预警值P1和水压警戒值P2的比对情况，多级式排水结构3进入不同等级的工作状态并发出对应等级的信号数据，数据采集与控制中心5依据接收的信号数据制定不同等级的水害防治措施。

在步骤6中，

当地层水压力小于水压预警值P1时，仅有隧道常规排水系统2工作，多级式排水结构3的第一定压安全阀315和第二定压安全阀325均关闭，系统正常运行；

当地层水压力大于水压预警值P1且小于水压警戒值P2时，隧道常规排水系统2工作，水压控制值设置为水压预警值P1的排水断面，其中的多级式排水结构3开启，进行排水工作，数据采集与控制中心5接收预警信号；

当地层水压力大于水压警戒值P2时，隧道常规排水系统2工作，所有排水断面中的多级式排水结构3开启，进行排水工作，数据采集与控制中心5接收报警信号。

采用这样的方法，可以得知，水压预警值P1小于水压警戒值P2；一个排水断面中的第一定压安全阀315和第二定压安全阀325的水压控制值设置为水压预警值P1，另一个相邻排水断面中的第一定压安全阀315和第二定压安全阀325的水压控制值设置为水压警戒值P2，当地层水压力超过水压预警值P1且不超过水压警戒值P2时，水压控制值设置为水压预警值P1的多级式排水结构3工作，并发送预警信号给数据采集与控制中心5，直到所述水压恢复正常；当地层水压力超过水压警戒值P2时，所有多级式排水结构3工作，并发送警告信号给数据采集与控制中心5。这样方便维护人员实时掌握现场的水压情况，并能够根据情况进行处理。由于每个隧底排水结构31都有第一定压安全阀315，每个边墙排水结构32都有第二定压安全阀325；所以维护人员通过数据采集与控制中心5能够轻松获取各部位的隧底排水结构31和边墙排水结构32的水流状态，充分了解现场情况，从而远程判断其运行状态。

本发明的有益效果如下：

1.本发明能够应对水压的变化而进行全部排水、部分排水或关闭，具有动态排水能力。使得隧道排水系统兼顾排水降压效果与隧址区生态环保，地层水位明显上升时增大自身排水能力，确保隧道结构稳定与运营安全，地层水位较低时减小自身排水能力，尽可能降低隧道排水对生态环境的不利影响。

2.本发明能够在确保排水能力的同时最大限度地减少隧底排水结构31和边墙排水结构32的数量，节约成本、方便施工，也方便了后期的维护。

3.本发明设置的多级式排水结构3结构简单安装方便，可以提前预制，在现场仅需钻孔安装即可，施工方便、快速高效。可适用于隧道建设与运营的各个阶段，能够在隧道原有的排水系统上加装，优化隧道排水能力、有效控制隧道水压；更具实用性，避免了现有技术中的排水系统均需要在施工阶段安装的短板。

4.本发明在第一圆形钢管311和第二圆形钢管321内分别设置的第一信号发射器316和第二信号发射器326可实时监测多级式排水结构3的出流状态，一旦出流，水流信号即被发出且通过传输系统反馈至数据采集与控制中心5。根据不同泄压等级的水流信号，隧道维护人员一方面可以判断地层实时水压范围，及时发现水害潜在风险，另一方面依据信号等级可及时实施针对性的水害防治措施，避免水害的严重化。并且现场的水流信号的能够迅速反馈，能够实时动态地反馈现场的情况，从而帮助维护人员更及时更全面地掌握现场状态，从而更加及时作出正确的处理。数据采集与控制中心5能够将水流信息数据记录下来，便于后期的分析计算。

5.本发明在容易造成堵塞的围岩端的第一圆形钢管311和第二圆形钢管321上，分别设置有第一隔砂层314和第二隔砂层324。极大地避免了堵管情况的发生，若发生堵管的情况，维护人员只需要疏通围岩端的第一圆形钢管311和第二圆形钢管321并且替换第一隔砂层314和第二隔砂层324等部件就可以解决；本发明中的管道多为直通管且转角少，不易于形成堵管，清淤便利，便于管道的疏通，方便维护。

实施例2

如图1所示，本实施例的隧道智能化多级降压排水系统包括隧道支护结构1、隧道常规排水系统2；还包括贯穿隧道支护结构1的多级式排水结构3、用于传递出水信号的传输系统4、数据采集与控制中心5。在不改变常规支护体系与排水系统的前提下，通过增设排水设施及实时监测元件，动态调整隧道排水能力，实现水害风险的阶段化警示提醒。隧道支护结构1包括初支结构11、二衬结构12、仰拱填充13，初支结构11采用C20或C25喷射混凝土，厚度15～25cm，确保全面覆盖围岩；二衬结构12采用C30模注混凝土或钢筋混凝土，厚度35～60cm；仰拱填充13采用模注C20混凝土，不仅留空形成隧道排水沟渠的通道，还为其上覆路面结构或轨道结构提供支撑。

本实施例中，隧道常规排水系统2包括环向排水盲管21、纵向排水盲管22、横向排水管23、侧沟24、中心沟25、横向连接管26；环向排水盲管21采用打孔波纹管，直径8～10cm，沿隧道纵向等距设置于初支结构11与二衬结构12之间，布设间距为5～20m；纵向排水盲管22采用打孔波纹管，直径10～12cm，设置于初支结构11与二衬结构12之间的左、右边墙位置，用于纵向连接环向排水盲管21；横向排水管23采用波纹管，直径8～10cm，用于引导纵向排水盲管22水流进入隧道内部并排至侧沟24；横向连接管26采用波纹管，直径8～10cm，用于连接侧沟24与中心沟25，当侧沟24内水流到达一定高度后横向连接管26可将侧沟24内水流排至中心沟25，实现二者的联合排水。

本实施例中，多级式排水结构3包括隧底排水结构31、边墙排水结构32，隧底排水结构31从底部贯穿隧道支护结构1并设置出水口在中心沟25内，边墙排水结构32从边墙部位贯穿隧道支护结构1并设置出水口在侧沟24内。通过增设隧道内的排水通道，增大隧道排水能力，以加强水压控制效果。

本实施例中，隧底排水结构31包括第一圆形钢管311、出流钢管312、第一排水孔313、第一隔砂层314、第一定压安全阀315、第一信号发射器316、盖板支架317、挡水盖板318。第一圆形钢管311采用DN80或DN100圆形钢管，圆管需贯穿初支结构11、二衬结构12与仰拱填充13且嵌入至围岩一定深度，嵌入深度5～10cm，总管长80～120cm；出流钢管312采用与第一圆形钢管311型号一致的圆形钢管，管长15～20cm；第一排水孔313均匀布设于第一圆形钢管311围岩端底部，孔径1～2cm；第一隔砂层314采用无纺布，规格200～350g/m²，包裹于第一排水孔313对应的第一圆形钢管311区段外表面，以避免排水引发的地层中细颗粒流失和水管堵塞；第一定压安全阀315采用液用安全阀，装置于第一圆形钢管311隧道端顶部并与出流钢管312相连，安全阀压力控制值据实际确定的水压预警值P1、水压警戒值P2制定；第一信号发射器316选用水浸传感器，设置于出流钢管312内表面，通过有线传输或无线传输方式将水流信号发送至传输系统4；盖板支架317采用6#或8#铁丝，一端焊接于出流钢管312顶部，而另一端与挡水盖板318焊接并为其提供支撑；挡水盖板318选用铁质圆盘，直径稍大于出流钢管312直径，可取为10～12cm，用于避免出流钢管312内的高压地下水喷涌影响行车安全。

本实施例中，边墙排水结构32包括第二圆形钢管321、导流钢管322、第二排水孔323、第二隔砂层324、第二定压安全阀325、第二信号发射器326。第二圆形钢管321采用DN80或DN100圆形钢管，圆管需贯穿初支结构11、二衬结构12与仰拱填充13且嵌入至围岩一定深度，嵌入深度5～10cm，总管长80～120cm；导流钢管322采用与第二圆形钢管321型号一致的圆形钢管，管长15～20cm；第二排水孔323均匀布设于第二圆形钢管321围岩端底部，孔径1～2cm；第二隔砂层324采用无纺布，规格200～350g/m²，包裹于第二排水孔323对应的第二圆形钢管321区段外表面，以避免排水引发的地层中细颗粒流失和水管堵塞；第二定压安全阀325采用液用安全阀，装置于第二圆形钢管321隧道端顶部并与导流钢管322相连，安全阀压力控制值据实际确定的水压预警值P1、水压警戒值P2制定；第二信号发射器326选用水浸传感器，设置于导流钢管322内表面，通过有线传输或无线传输方式将水流信号发送至传输系统4。

本实施例中，传输系统4包括信号接收器41、数据引线42，信号接收器41采用与第一信号发射器316和第二信号发射器326相匹配的无线式或有线式接收器，数据引线42将信号接收器41所收集的信号数据传输至数据采集与控制中心5，以实现该排水系统工作状态的实时监测。

一种隧道智能化多级降压排水系统的使用方法，包括以下步骤：

1)根据地层富水情况及隧道设计参数，通过有限元软件与模型试验分析确定隧道水压预警值200kPa、水压警戒值300kPa；

2)预制一定数量的安全阀压力控制值分别为水压预警值200kPa、水压警戒值300kPa的隧底排水结构31与边墙排水结构32，并将200kPa、300kPa的排水结构分别用红色、黄色标识以便于区分；

3)隧道支护结构1与隧道常规排水系统2施工完成后，在具有水害风险的隧道区段长度达300m，沿纵向设置30个排水断面，布设间距10m/个；在每个排水断面内钻设稍大于隧底排水结构31、边墙排水结构32的预留孔洞，孔洞位置分别位于左、右边墙与隧底处；

4)将3)中的30个排水断面的安全阀压力控制值P依次定为200kPa、300kPa、200kPa、300kPa······并以此类推，并在每个排水断面安设与其安全阀压力控制值P一致的隧底排水结构31与边墙排水结构32预制件；

5)在隧道支护结构1内表面布置信号接收器41，并通过数据引线42将信号数据传输至隧道外的数据采集与控制中心5；数据采集与控制中心5通过信号源编号区分排水信号来源，并用于判断地层水压力范围；

6)根据实际地层水压力情况，多级式排水结构3将进入不同等级的工作状态并发出对应等级的信号数据，数据采集与控制中心5依据接收的信号数据制定不同等级的水害防治措施。

本发明中多级排水结构3的工作状态及发送信号可根据地层水压变动而动态调整，具体排水等级分为以下3种：

①当地层水压力小于水压预警值200kPa时，仅有隧道常规排水系统2工作，由于未达到降压阀值，多级式排水结构3均不排水工作，而数据采集与控制中心5不会接收到排水信号，故可无需进行水害防治；

②当地层水压力大于水压预警值200kPa，且小于水压警戒值300kPa时，隧道常规排水系统2正常工作，在安全阀压力控制值P为200kPa的排水断面多级式排水结构3将开启排水工作，而数据采集与控制中心5接收到水压预警值200kPa的排水信号；数据采集与控制中心5从信号可获知地层水压已超过水压预警值200kPa，将及时派出人员检查隧道排水状态、疏通排水管堵塞物、密切关注排水信号后续变化；

③当地层水压力大于水压警戒值300kPa时，不仅隧道常规排水系统2正常工作，而且全部的多级式排水结构3都将开启排水工作，数据采集与控制中心5接收到水压预警值200kPa、水压警戒值300kPa的排水信号；数据采集与控制中心5从信号可获知地层水压已超过水压警戒值300kPa，将派出人员检查隧道排水状态、紧急增设隧道排水孔。

本发明可在不改变隧道常规排水系统2的前提下，提出了一种具有动态排水能力、施做便捷、具备“预警-警戒”水害防控体系的隧道智能化多级降压排水方法及系统，能够实时提示地层水压状态，动态调整隧道自身排水能力，有效控制隧道水压力并实现隧道水害问题的早发现、早处理。同时，从长远来看，本发明能够规避隧道严重水害事故，降低隧道运营维护成本，可带来实际的经济性效应。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种隧道智能化多级降压排水系统使用方法，隧道智能化多级降压排水系统包括隧道支护结构(1)和隧道常规排水系统(2)，所述的隧道支护结构(1)包括：初支结构(11)，其用于支护隧道围岩；二衬结构(12)，其设置于初支结构(11)内侧；仰拱填充(13)，其沿仰拱上表面轴向延伸；所述隧道常规排水系统(2)包括：

侧沟(24)，其设置于仰拱填充(13)两侧，

中心沟(25)，其设置于仰拱填充(13)中间位置，

其特征在于，还包括多级式排水结构(3)，所述多级式排水结构(3)包括：

隧底排水结构(31)，其贯穿隧道支护结构(1)底部，所述隧底排水结构(31)一端与中心沟(25)连通，另一端伸入隧道下方的围岩；

边墙排水结构(32)，其贯穿边墙部位的隧道支护结构(1)，所述边墙排水结构(32)一端与侧沟(24)连通，另一端伸入隧道侧面的围岩；

所述隧道常规排水系统(2)还包括：

环向排水盲管(21)，其设置于初支结构(11)与二衬结构(12)之间，所述环向排水盲管(21)沿隧道纵向间隔设置；

纵向排水盲管(22)，其纵向连接环向排水盲管(21)；

横向排水管(23)，其连通纵向排水盲管(22)和侧沟(24)；

横向连接管(26)，其连通侧沟(24)与中心沟(25)；

隧底排水结构(31)包括：

第一圆形钢管(311)，其贯穿隧道支护结构(1)底部并一端伸入隧道底部的围岩，另一端伸入中心沟(25)；

第一排水孔(313)，其均匀布设于第一圆形钢管(311)位于围岩的一端；

第一隔砂层(314)，其包裹在第一排水孔(313)上；

第一定压安全阀(315)，其一端连接第一圆形钢管(311)位于中心沟(25)的一端；

出流钢管(312)，其与第一定压安全阀(315)的另一端连接；

第一信号发射器(316)，其设置于出流钢管(312)内表面，用于检测水流并传输水流信号；

盖板支架(317)，其一端连接出流钢管(312)顶部；

挡水盖板(318)，其设置于盖板支架(317)的另一端；

所述边墙排水结构(32)包括：

第二圆形钢管(321)，其贯穿边墙部位的隧道支护结构(1)，并且一端伸入隧道侧面的围岩，另一端临近侧沟(24)；

第二排水孔(323)，其均匀布设于第二圆形钢管(321)位于围岩的一端；

第二隔砂层(324)，其包裹在第二排水孔(323)上；

第二定压安全阀(325)，其一端与第二圆形钢管(321)临近侧沟(24)的一端连接；

导流钢管(322)，其一端第二定压安全阀(325)的另一端连接，另一端连通侧沟(24)；

第二信号发射器(326)，其设置于导流钢管(322)内表面，用于检测水流并传输水流信号；

所述第一信号发射器(316)与第二信号发射器(326)为水浸传感器，并通过有线传输或无线传输发送水流信号；

还包括传输系统(4)，所述的传输系统(4)包括：

信号接收器(41)，其接收第一信号发射器(316)与第二信号发射器(326)发送的水流信号；

数据引线(42)，所述数据引线(42)与信号接收器(41)连接，并且传输水流信号；

还包括数据采集与控制中心(5)，其通过数据引线(42)与信号接收器(41)传输水流信号；

隧道智能化多级降压排水系统使用方法，包括如下步骤：

步骤1：根据隧道及隧道所在地层富水情况设计参数，通过有限元软件与模型试验分析确定隧道的水压预警值和水压警戒值，分别记为P1和P2；

步骤2：将位于同一个排水断面上的第一定压安全阀(315)和第二定压安全阀(325)的水压控制值皆设置为步骤1中预定的水压预警值P1或水压警戒值P2，并将不同水压控制值的隧底排水结构(31)和边墙排水结构(32)标识为不同颜色；

步骤3：在隧道支护结构(1)和隧道常规排水系统(2)施工完成后，在具有水害风险的区段，沿隧道纵向设置的至少两个排水断面中；每个排水断面在隧道上分别钻设与隧底排水结构(31)、边墙排水结构(32)相匹配的预留孔洞；

步骤4：将一个排水断面中的第一定压安全阀(315)和第二定压安全阀(325)的水压控制值设置为水压预警值P1，其相邻排水断面中的第一定压安全阀(315)和第二定压安全阀(325)的水压控制值设置为水压警戒值P2，沿隧道纵向，P1和P2交替设置；然后在对应断面分别安设隧底排水结构(31)的预制件和边墙排水结构(32)的预制件；

步骤5：在隧道支护结构(1)内表面布置信号接收器(41)，并通过数据引线(42)将信号数据传输至隧道外的数据采集与控制中心(5)；

步骤6：根据地层水压力实际情况、水压预警值P1和水压警戒值P2的比对情况，多级式排水结构(3)进入不同等级的工作状态并发出对应等级的信号数据，数据采集与控制中心(5)依据接收的信号数据制定不同等级的水害防治措施；

在步骤6中：

当地层水压力小于水压预警值P1时，仅有隧道常规排水系统(2)工作，多级式排水结构(3)的第一定压安全阀(315)和第二定压安全阀(325)均关闭，系统正常运行；

当地层水压力大于水压预警值P1且小于水压警戒值P2时，隧道常规排水系统(2)工作，水压控制值设置为水压预警值P1的排水断面，其中的多级式排水结构(3)开启，进行排水工作，数据采集与控制中心(5)接收预警信号；

当地层水压力大于水压警戒值P2时，隧道常规排水系统(2)工作，所有排水断面中的多级式排水结构(3)开启，进行排水工作，数据采集与控制中心(5)接收报警信号。

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