CN113446033A - 一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，包括防水结构单元、三维流泄压单元和信息采集控制单元；防水结构单元包括注浆圈、隧道初衬、防水板和隧道二衬；三维流泄压单元包括环向集水管、径向流机构、轴向集水总管和引出管，环向集水管和轴向集水总管均设置于隧道初衬和防水板之间并相接，径向流机构一端伸出于注浆圈外，另一端与环向集水管相接，引出管一端与轴向集水总管连接，另一端伸入隧道内；信息采集控制单元包括设置于引出管上的水压监测装置、自动闸阀和数据处理中心。与现有技术相比，本发明能够实现对高水压富水区修建的隧道减小注浆圈入口水头，达到卸压和减排的目标，对实现隧道排水工程绿色安全有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于隧道与地下建筑工程、降排水工程、地质工程、岩土工程技术领域，具体涉及一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统。
背景技术
目前，随着我国经济水平的提高和工程施工能力的增强，已经开始在高水压富水区修建山岭隧道。但地下水的存在会对隧道工程造成不利影响，因而在隧道施工中，防水工程是最大难题也是重中之重。
常规隧道通常采用注浆圈封堵地下水，实现减水和卸压。地下水通过注浆圈消能，可以实现出口小水压，保护隧道衬砌。但由于在注浆圈施工中，均匀性难以控制，导致局部出现抗水压不足或失效，并且在长期排水中，注浆圈可能逐渐弱化，进而会引发严重的安全问题。此外，注浆圈施工难以控制渗透性，实际运行中会危及衬砌稳定性及施工安全性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统。能够实现对高水压富水区修建的隧道减小注浆圈入口水头，达到卸压和减排的目标，对实现隧道排水工程绿色安全有重大意义。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面提供一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，包括防水结构单元、三维流泄压单元和信息采集控制单元；
所述的防水结构单元包括沿径向方向从外到内依次设置的注浆圈、隧道初衬、防水板和隧道二衬；
所述的三维流泄压单元包括环向集水管、径向流机构、轴向集水总管和分段设置于轴向集水总管上的引出管，所述的环向集水管设置于隧道初衬和防水板之间，所述的径向流机构一端伸出于注浆圈外，另一端与穿过注浆圈和隧道初衬并与环向集水管相接，所述的轴向集水总管沿轴向方向设置于隧道初衬和防水板之间，并与环向集水管相接，所述的引出管的一端与轴向集水总管连接，另一端穿过防水板和隧道二衬伸入隧道内；
所述的信息采集控制单元包括设置于引出管上的水压监测装置和卸压阀，以及与水压监测装置和卸压阀电连接的数据处理中心。
优选的，所述的径向流机构包括沿径向方向从外向内依次连接的径向贴砾滤水管和径向实壁井管；所述的径向贴砾滤水管由合成树脂将砾石粘到钢制衬管上制成，所述的径向贴砾滤水管穿过注浆圈至少2m；所述的径向实壁井管一端与径向贴砾滤水管相连，另一端设有接口，并与环向集水管连接。
优选的，所述的径向流机构设置于拱顶、拱腰和仰拱处。
优选的，所述的三维流泄压单元还包括拱架，所述的拱架为沿着初衬搭建的钢架体系，环向集水管随拱架焊接。
优选的，所述的三维流泄压单元还包括连接于引出管上的法兰，所述的法兰用于引出管从防水板引出。
优选的，所述的三维流泄压单元还包括可塑性粘合剂，所述的可塑性粘合剂填充于法兰引出处与防水板之间以及径向流机构穿越衬砌时的空隙。
优选的，所述的可塑性粘合剂为热熔胶。
优选的，所述的径向流机构、环向集水管和轴向集水总管的连接处外包有土工布并用细线绑扎。
优选的，所述的引出管沿轴向集水总管长度方向间隔50m设置。
优选的，所述的卸压阀为自动闸阀。
本发明第二方面提供一种所述的高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：先完成隧道的开挖与初期支护工作，利用注浆形成的注浆圈实现减水；
S2：沿径向钻孔，钻穿注浆圈，插入径向流机构，径向流机构的外端穿过注浆圈，内端向隧道内引出至围岩，穿越隧道初衬，并留接口；
S3：按照隧道圈形状施作拱架23，同步焊接环向集水管，将径向流机构内端的接口接入环向集水管，环向集水管下接布置在拱底的轴向集水总管；
S3：铺设防水板，在防水板上开预制孔，再施作隧道二衬，隧道二衬预留与防水板上开设的预制孔相匹配的孔洞；
S4：沿轴向集水总管长度方向分段设置穿越防水板和隧道二衬的引出管；
S5：在引出管上安装水压监测装置和卸压阀，水压监测装置自动采集水压数据，将数据传输至数据处理中心，数据处理中心在高水压区、注浆圈减水能力弱的区段以及渗水累积压力超过预定值后，控制卸压阀开关限量排水。
本发明的工作原理为：
本发明通过水压监测装置自动采集水压数据，返送到数据处理中心，处理中心在注浆圈不满足要求以及渗水累积压力超过预定值后，自动开启闸阀系统，部分水通过注浆圈降低水头，但由于注浆圈降水头不满足要求或者水压过大导致了水头差，水因压差通过径向卸压管进入注浆圈经实壁井管穿过隧道初衬汇于环向集水管，经环向流至轴向集水总管进行了三维流动，轴向集水总管分段设置的引出管管口通过法兰引出防水板排入隧道内排水沟渠，完成隧道断面的卸压，将压力卸到一定值后，再自动关闭闸阀，水自然聚集在三维设置的水管处而又不对隧道安全施工造成压力与影响。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明运用防水结构单元、三维流卸压单元和信息采集控制单元，通过结构减水、径向卸压、环向集水、轴向分区排水、自动控制等步骤，实现高水压富水区隧道减小注浆圈入口水头，达到按需卸压和分区限排的目标，减小对环境影响，避免病害，对实现隧道排水工程绿色且安全有重大意义。
附图说明
图1为本发明高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1的高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统的工作流程示意图；
图中：11-注浆圈；12-隧道初衬；13-防水板；14-隧道二衬；21-径向贴砾滤水管；22-径向实壁井管；23-拱架；24-环向集水管；25-引出管；26-法兰；27-可塑性粘合剂；28-轴向集水总管；31-水压监测装置；32-卸压阀；33-数据处理中心。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，如图1所示，包括防水结构单元、三维流泄压单元和信息采集控制单元；防水结构单元包括沿径向方向从外到内依次设置的注浆圈11、隧道初衬12、防水板13和隧道二衬14；三维流泄压单元包括环向集水管24、径向流机构、轴向集水总管28和分段设置于轴向集水总管28上的引出管25(本实施例中优选引出管25沿轴向集水总管28长度方向间隔50m设置)，环向集水管24设置于隧道初衬12和防水板13之间，径向流机构一端伸出于注浆圈11外，另一端与穿过注浆圈11和隧道初衬12并与环向集水管24相接，轴向集水总管28沿轴向方向设置于隧道初衬12和防水板13之间，并与环向集水管24相接，引出管25的一端与轴向集水总管28连接，另一端穿过防水板13和隧道二衬14伸入隧道内；信息采集控制单元包括设置于引出管25上的水压监测装置31和卸压阀32，以及与水压监测装置31和卸压阀32电连接的数据处理中心33。
本实施例中，注浆圈11是注浆形成的最外层环隧道圈，常用于封堵地下水，实现减水和卸压，地下水主要通过注浆圈11消能，实现出口小水压，保护隧道衬砌；隧道初衬12是隧道的初期支护，用于支撑围岩；防水板13置于隧道初衬12后，优选以高分子聚合物为基本原料制成的防渗材料，用于分区的隔水防漏，其上设有预制孔，用于后续的轴向集水总管28的引出管25穿过；隧道二衬14是做安全储备之用的环形衬砌。
本实施例中，优选径向流机构设置于拱顶、拱腰和仰拱处，如图1所示。进一步优选径向流机构包括沿径向方向从外向内依次连接的径向贴砾滤水管21和径向实壁井管22；径向贴砾滤水管21是一种新型水井过滤器，由合成树脂将砾石粘到钢制衬管上制成，径向贴砾滤水管21穿过注浆圈11至少2m，用于在注浆圈11外吸水，至隧道内排水，从而完成卸压；径向实壁井管22一端与径向贴砾滤水管21相连，另一端设有接口，并与环向集水管24连接。本实施例中，优选三维流泄压单元还包括拱架23，拱架23为沿着初衬12搭建的钢架体系，按照隧道圈形状施作，环向集水管24随拱架23同步焊接。优选三维流泄压单元还包括连接于引出管25上的法兰26，法兰26是管端之间相互连接的零件，法兰26用于引出管25从防水板13引出。优选三维流泄压单元还包括可塑性粘合剂27，可塑性粘合剂27填充于法兰26引出处与防水板13之间以及径向流机构穿越衬砌时的空隙。优选轴向集水总管28是沿隧道轴向布置在拱底的，用于与环向集水管24下接，水流通过径向卸压进入注浆圈11穿过隧道初衬12汇于环向集水管24，经环向流至轴向集水总管28进行了三维流动。进一步优选可塑性粘合剂27为热熔胶。进一步优选径向流机构、环向集水管24和轴向集水总管28的连接处外包有土工布并用细线绑扎。
信息采集控制单元的水压监测装置31是设置在每隔50m区段引出管25上的，用于实时监测轴向集水总管28上的水压，并采集水压数据，实时传输至终端的数据处理中心33(数据处理中心可以采用PC机等)；卸压阀32优选为自动闸阀，自动闸阀也是安装在引出管25上的阀门，通过数据处理中心33控制；数据处理中心33用于实时接收水压的监测数据，在高水压区、注浆圈11减水能力弱的区段以及渗水累积压力超过预定值后，控制自动闸阀32开关限量排水。
上述高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：先完成隧道的开挖与初期支护工作，利用注浆形成的注浆圈11实现减水；
S2：沿径向钻孔，钻穿注浆圈11，插入径向流机构，径向流机构的外端穿过注浆圈11，内端向隧道内引出至围岩，穿越隧道初衬12，并留接口；
S3：按照隧道圈形状施作拱架23，同步焊接环向集水管24，将径向流机构内端的接口接入环向集水管24，环向集水管24下接布置在拱底的轴向集水总管28；
S3：铺设防水板13，在防水板13上开预制孔，再施作隧道二衬14，隧道二衬14预留与防水板13上开设的预制孔相匹配的孔洞；
S4：沿轴向集水总管28长度方向分段设置穿越防水板13和隧道二衬14的引出管25；
S5：在引出管25上安装水压监测装置31和卸压阀32，水压监测装置31自动采集水压数据，将数据传输至数据处理中心33，数据处理中心33在高水压区、注浆圈11减水能力弱的区段以及渗水累积压力超过预定值后，控制卸压阀32开关限量排水。
更具体地，使用方法包括以下步骤：
参考图2，先完成隧道的开挖与初期支护工作，利用注浆形成的隧道注浆圈11实现减水。钻机在拱顶、拱腰和仰拱处设计位置沿着径向钻孔，钻穿注浆圈11，插入直径50mm带贴砾的2m长的径向贴砾滤水管21，并穿过注浆圈11至少2m，径向贴砾滤水管21后继续接径向的径向实壁井管22，并向隧道内引出至围岩，穿越隧道初衬12，留接口。在隧道初衬12外，按照隧道圈形状施作钢筋拱架23，同步焊接环向集水管24，将径向实壁井管22的预留接口接入环向集水管24。环向集水管24下接布置在拱底的轴向集水总管28。在以上系统完成后，在三维流卸压系统的外部铺设防水板13，防止渗入水量沿着防水板13窜水，实现分区控制，在防水板13上开预制孔，再施作隧道二衬14，隧道二衬14上也需留有孔洞。每50m设置穿越防水板13的引出管25。轴向集水管28的引出管25穿过防水板13上的预制孔，再穿越隧道二衬14，用法兰26压住接口处，其余可能渗漏部位用热熔胶27密封。径向实壁井管22与环向集水管24可靠连接，环向集水管24与轴向集水总管28也保证可靠连接，通常在接头处外包土工布并用细线绑扎，并保证与隧道侧沟之间形成畅通的排水通道。在引出管25上安装水压监测装置31和卸压阀32(优选自动闸阀)，水压监测装置31自动采集水压数据，返送到数据处理中心33，处理中心33在注浆圈11不满足要求以及渗水累积压力超过预定值后，自动开启闸阀32系统，部分水通过注浆圈11降低水头，但由于注浆圈11降水头不满足要求或者水压过大导致了水头差，水因压差通过径向卸压管21进入注浆圈11经径向实壁井管22穿过隧道初衬12汇于环向集水管24，经环向流至轴向集水总管28进行了三维流动，轴向集水总管28分段设置的引出管25管口通过法兰26引出防水板13排入隧道内排水沟渠，完成隧道断面的卸压，将压力卸到一定值后，再自动关闭卸压阀32，水自然聚集在三维设置的水管处而又不对隧道安全施工造成压力与影响。
本发明利用径向的排水井管在隧道注浆圈外实现降水头，将水集入防水板13后的环向集水管24，利用隧道初衬12后防水板13实现全断面封水，对隧道抗水压段进行分区，在每个分区沿着隧道轴线方向的环向集水总管24通过引出管25引出防水板13，在防水板13上开预制孔，接头通过法兰26引出，实现三维流动卸压单元在纵向引出管25上安装水压监测装置31和卸压阀32，水压监测装置31自动采集水压数据，在注浆圈不满足降水头要求段以及渗水累积压力超过预定值后，自动开启卸压阀32系统卸压，将压力卸到与定值后，自动关闭卸压阀32。可以按需自动开启卸压阀32排水卸压，按需要辅助注浆圈11工作，在注浆圈11不能满足要求时，利用径向卸压，减小注浆圈入口水头，达到卸压和减排的目标。减小对环境影响，避免病害，对实现隧道排水工程三维可控有重大意义。
总之，本发明运用防水结构单元、三维流卸压单元和信息采集控制单元，通过结构减水、径向卸压、环向集水、轴向分区排水、自动控制等步骤，实现高水压富水区隧道减小注浆圈入口水头，达到按需卸压和分区限排的目标，减小对环境影响，避免病害，对实现隧道排水工程绿色且安全有重大意义。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，包括防水结构单元、三维流泄压单元和信息采集控制单元；
所述的防水结构单元包括沿径向方向从外到内依次设置的注浆圈(11)、隧道初衬(12)、防水板(13)和隧道二衬(14)；
所述的三维流泄压单元包括环向集水管(24)、径向流机构、轴向集水总管(28)和分段设置于轴向集水总管(28)上的引出管(25)，所述的环向集水管(24)设置于隧道初衬(12)和防水板(13)之间，所述的径向流机构一端伸出于注浆圈(11)外，另一端与穿过注浆圈(11)和隧道初衬(12)并与环向集水管(24)相接，所述的轴向集水总管(28)沿轴向方向设置于隧道初衬(12)和防水板(13)之间，并与环向集水管(24)相接，所述的引出管(25)的一端与轴向集水总管(28)连接，另一端穿过防水板(13)和隧道二衬(14)伸入隧道内；
所述的信息采集控制单元包括设置于引出管(25)上的水压监测装置(31)和卸压阀(32)，以及与水压监测装置(31)和卸压阀(32)电连接的数据处理中心(33)。
2.根据权利要求1所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，所述的径向流机构包括沿径向方向从外向内依次连接的径向贴砾滤水管(21)和径向实壁井管(22)；所述的径向贴砾滤水管(21)由合成树脂将砾石粘到钢制衬管上制成，所述的径向贴砾滤水管(21)穿过注浆圈(11)至少2m；所述的径向实壁井管(22)一端与径向贴砾滤水管(21)相连，另一端设有接口，并与环向集水管(24)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，所述的径向流机构设置于拱顶、拱腰和仰拱处。
4.根据权利要求1所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，所述的三维流泄压单元还包括拱架(23)，所述的拱架(23)为沿着初衬(12)搭建的钢架体系，环向集水管(24)随拱架(23)焊接。
5.根据权利要求1所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，所述的三维流泄压单元还包括连接于引出管(25)上的法兰(26)，所述的法兰(26)用于引出管(25)从防水板(13)引出。
6.根据权利要求5所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，所述的三维流泄压单元还包括可塑性粘合剂(27)，所述的可塑性粘合剂(27)填充于法兰(26)引出处与防水板(13)之间以及径向流机构穿越衬砌时的空隙。
7.根据权利要求6所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，所述的可塑性粘合剂(27)为热熔胶。
8.根据权利要求1所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于，所述的径向流机构、环向集水管(24)和轴向集水总管(28)的连接处外包有土工布并用细线绑扎。
9.根据权利要求1所述的一种高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统，其特征在于：
所述的引出管(25)沿轴向集水总管(28)长度方向间隔50m设置；
所述的卸压阀(32)为自动闸阀。
10.一种如权利要求1～9任一所述的高水压隧道径向短井管三维流主动卸压控制系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：先完成隧道的开挖与初期支护工作，利用注浆形成的注浆圈(11)实现减水；
S2：沿径向钻孔，钻穿注浆圈(11)，插入径向流机构，径向流机构的外端穿过注浆圈(11)，内端向隧道内引出至围岩，穿越隧道初衬(12)，并留接口；
S3：按照隧道圈形状施作拱架(23)，同步焊接环向集水管(24)，将径向流机构内端的接口接入环向集水管(24)，环向集水管(24)下接布置在拱底的轴向集水总管(28)；
S3：铺设防水板(13)，在防水板(13)上开预制孔，再施作隧道二衬(14)，隧道二衬(14)预留与防水板(13)上开设的预制孔相匹配的孔洞；
S4：沿轴向集水总管(28)长度方向分段设置穿越防水板(13)和隧道二衬(14)的引出管(25)；
S5：在引出管(25)上安装水压监测装置(31)和卸压阀(32)，水压监测装置(31)自动采集水压数据，将数据传输至数据处理中心(33)，数据处理中心(33)在高水压区、注浆圈(11)减水能力弱的区段以及渗水累积压力超过预定值后，控制卸压阀(32)开关限量排水。
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