一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统及方法

1.本发明属于隧道排水领域，涉及一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统及方法。


背景技术：

2.高速路网的发展推动了隧道建设的迅猛发展，由于隧道特殊的建设环境，“十隧九漏”成为隧道建设及运营过程中一个突出的问题。以往研究地下水的问题多是针对具体工程研究地下水在工程结构体内的流量、结构的防排水和对地下水的处治等方面，而对隧道衬砌结构外水压力分布及结构承载水压力问题研究不多，因此目前遇到这类工程的处理结果是要么是衬砌承受的水压力不是很大，采取了过于保守的对策，造成相应的浪费；要么是衬砌承受的水压力很大，采取过于冒险或盲目的对策，存在安全隐患，造成安全问题。特别是对于衬砌结构外水压力的分级标准，没有合理的确定办法，毫无疑问，衬砌外水压力的分布规律可以为结构设计和施工提供重要理论依据，有助于丰富和发展隧道结构力学理论，保证隧道工程的安全性和提高其经济性。
3.公路隧道若采用“以排为主”的原则进行地下水的处理，将会造成地表地下水的流失，影响洞顶地表附近一定范围内居民的生产、生活用水，破坏区域的自然生态环境，目前提倡的是“防、排、截、堵结合，因地制宜”的治水原则，在该背景下，隧道衬砌势必需要承受外水压力作用，因此需要发明一种隧道地下水自动控制排放系统，当衬砌结构安全状态达到设置的阈值时，基于系统实现隧道地下水的自动排放，第一时间降低衬砌结构压力保障结构安全，实现地下水控制的时效性及自动化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统及方法。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一方面，本发明提供一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，包括远程终端、结构安全感知子系统、地下水流量感知子系统、导水子系统、集水子系统、控制排放子系统与排水子系统；
7.所述结构安全感知子系统用于实时获取围岩与衬砌结构的受力状态和变形状态，并发送到控制排放子系统；
8.所述地下水流量感知子系统用于实时采集地下水流量数据，并发送到控制排放子系统；
9.所述导水子系统用于引导围岩内地下水流向并改善衬砌结构外水压力分布规律；
10.所述集水子系统用于汇水储存地下水，包括设置在隧道两侧的i级沉砂池，设置在i级沉砂池下方和侧方的集水池，以及设置在集水池底部的ii级沉砂池，用于缓解因地下水排放不及时造成的外水压力增大危险，给控制排放争取时间；
11.所述控制排放子系统用于采集结构安全感知子系统和地下水流量感知子系统发送的信息，经过处理后发送到远程终端，还用于接收远程终端的指令，在排水子系统排水能力达到最大时，将i级沉砂池内的集水排入集水池中；
12.所述排水子系统用于将集水子系统中的水排出隧道。
13.进一步，所述结构安全感知子系统包括埋设于围岩与衬砌结构内部的渗压计、应变计和位移计，所述渗压计用于实时测量围岩与衬砌结构孔隙水压力，所述应变计用于实时测量围岩与衬砌结构的应变量，所述位移计用于实时测量围岩与衬砌结构的位移量。
14.进一步，所述地下水流量感知子系统由布置于ⅰ级沉砂池内的与集水池内的超声波液位计组成，用于实时获取ⅰ级沉砂池与集水池内的水位数据。
15.进一步，所述导水子系统由埋设于围岩内部的径向盲管、环向盲管组成，将围岩内地下水引导至i级沉砂池中。
16.进一步，所述控制排放子系统设置在i级沉砂池与集水池间，包括数据采集器、数据分析单元、排放控制器以及止水阀门；所述数据采集器与结构安全感知子系统、地下水流量感知子系统连接采集数据，并将采集到的数据经数据分析单元进行初步处理，发送给远程终端判断当前地下水量是否已超过排水子系统的阈值，是否已出现外水压力增大导致围岩与衬砌结构的受力状态和变形状态超出阈值，若出现，则发送命令至排放控制器，打开止水阀门，使i级沉砂池内的水排入集水池中。
17.进一步，所述排水子系统包括横向排水管、抽水管、水泵、中心水沟和路侧边沟，所述中心水沟设置在隧道中部地下，所述横向排水管向下倾斜，连接i级沉砂池与中心水沟；所述路侧边沟设置在隧道内道路两侧，所述抽水管连接集水池与路侧水沟，并通过水泵将集水池中的水抽到路侧水沟中，所述路侧水沟顶部还设有溢出孔，用于当流量超过路侧边沟排水能力时，使地下水从溢出孔溢出至道路上。
18.进一步，还包括清洁维护子系统，具体包括维护出入口、步入台阶、爬梯和吊装滑轮组成，所述维护出入口设置在隧道衬砌结构与集水池之间，通过爬梯上下集水池，所述步入台阶设置在i级沉砂池与隧道公路之间，所述吊装滑轮组设置在集水池内，用于将ii级沉砂池中的废渣吊出集水池。
19.另一方面，本发明提供一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放方法，包括以下步骤：
20.s1：结构安全感知子系统实时采集结构安全状态，同时地下水流量实时采集地下水流量数据，并将数据传至控制排放子系统进行初步处理，再传至远程终端；
21.s2：远程终端根据设定的安全阈值做出判断，并向控制排放子系统下达指令，判断内容包括：外水压力超过结构安全承载能力，或地下水流量超过排水子系统的排水能力时；
22.s3：控制排放子系统做出响应，响应模式有两种：
①
当结构安全且排水能力满足时，控制排放子系统的止水阀门关闭，地下水通过横向排水管从i级沉砂池排入中心水沟；
②
结构不安全时或排水能力不足时，控制止水阀门打开，打开数量根据地下水流量确定，i级沉砂池里的地下水排入集水池，地下水流量计算如下：
[0023][0024]nkp
表示待打开的止水阀门数量；q
lr
表示流入沉砂池的地下水流量；n
hp
表示区域内
横向排水管数量；q
hp
表示横向排水管的排水能力；q
kp
表示自动控制排放装置的排水能力；
[0025]
s4：集水池水位超出阈值，集水池中水泵自动工作，水泵工作数量根据集水池中的水实际流量自动确定，将集水池中的地下水抽入路侧边沟排出，当流量超过路侧边沟排水能力时，地下水从溢出孔溢出，启动隧道交通控制系统，封闭隧道保障运营安全；集水池中的水实际流量计算如下：
[0026][0027]ncs
表示待打开的水泵数量；q
cs
表示抽水泵的抽水能力；n
kp
表示打开的自动控制排放装置数量；q
kp
表示自动控制排放装置的排水能力；
[0028]
s5：当安全情况解除时，水泵与止水阀门关闭，地下水继续从横向排水管排入中心水沟；
[0029]
s6：通过清洁维护子系统，对集水池内的废水废渣进行清理，通过爬梯进入集水池出渣，并借助吊装滑轮组将废渣运出集水池。
[0030]
s7：进入下一个循环。
[0031]
本发明的有益效果在于：当衬砌结构安全状态达到设置的阈值时，基于本发明系统及方法实现隧道地下水的自动排放，第一时间降低衬砌结构压力保障结构安全，实现地下水控制的时效性及自动化。
[0032]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0034]
图1为本发明所述基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统的组成框图；
[0035]
图2为本发明所述基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统在隧道横断面结构示意图；
[0036]
图3为控制排放子系统结构示意图；
[0037]
图4为集水子系统大样图；
[0038]
图5为本发明所述基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统工作流程图。
[0039]
附图标记：渗压计1、应变计2、位移计3、径向盲管4、环向盲管5、i级沉砂池6、集水池7、ii级沉砂池8、控制排放子系统9、横向排水管10、抽水管11、水泵12、中心水沟13、路侧边沟14、溢出孔15、维护出入口16、爬梯17、液位计18、数据采集器91、数据分析单元92、排放控制器93、止水阀门94。
具体实施方式
[0040]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0041]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0042]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0043]
如图1-2、图4所示，发明提供一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，该系统设置在隧道的富水区段，每20m设置一个独立的自动控制排放系统，整个系统由结构安全感知子系统、地下水流量感知子系统、导水子系统、集水子系统、控制排放子系统、排水子系统与清洁维护子系统7部分组成。
[0044]
1)结构安全感知子系统。该子系统主要由埋设于围岩与衬砌结构内部的渗压计1、应变计2和位移计3组成，主要负责围岩与衬砌结构的受力状态和变形状态实时获取。
[0045]
2)地下水流量感知子系统。该子系统主要由布置于i级沉砂池6与集水池7内的超声波液位计18组成，主要负责i级沉砂池6集水池7内的水位数据的实施获取。
[0046]
3)导水子系统。该系统主要由埋设于围岩内部的径向盲管4、环向盲管5等组成，主要负责引导围岩内地下水流向并改善衬砌结构外水压力分布规律。
[0047]
4)集水子系统。该子系统主要由布置于隧道两侧的i级沉砂池6、集水池7、ii级沉砂池8组成，主要负责汇水储存地下水并缓解因地下水排放不及时造成的外水压力增大危险，给控制排放争取时间。
[0048]
5)控制排放子系统9。如图3所示，该子系统安装于i级沉砂池6侧壁，主要负责既有排水系统排水能力不足时将i级沉砂池6内的集水排入集水池7中。该装置主要由数据采集器91、数据分析单元92、排放控制器93以及止水阀门94组成，数据采集器91与结构安全感知子系统以及地下水流量感知子系统连接，将经数据分析单元92简单处理后传至远程终端，远程终端发送控制指令至控制排放器93，控制排放器93根据指令打开或关闭止水阀门94。
[0049]
6)排水子系统。该子系统由横向排水管10、抽水管11、水泵12、中心水沟13以及路侧边沟14组成，主要负责将i级沉砂池6与集水池7中的地下水迅速排出。
[0050]
7)清洁维护子系统。该子系统主要由维护出入口16、步入台阶、爬梯17和吊装滑轮组成，主要负责整个系统的清理维护等。
[0051]
如图5所示，该系统的工作的基本原理：当衬砌外水压力超过衬砌结构安全承载能力或地下水流量超过既有排水系统的排水能力时，自动控制排放系统启动，迅速排出地下水，减轻结构压力确保结构安全。其详细的工作流程如下。
[0052]
1)结构安全感知子系统实时采集结构安全状态，同时地下水流量实时采集地下水流量数据，并将数据传至远程终端。
[0053]
2)远程终端根据设定的安全阈值做出判断，并向系统下达指令。判断标准：外水压力超过结构安全承载能力，或地下水流量超过既有排水系统的排水能力。
[0054]
3)系统做出响应。响应模式有两种：
①
结构安全且排水能力满足时，自动控制排放装置关闭，地下水按照原有路径从横向排水管中排入中心水沟；
②
结构不安全或排水能力不足，二者满足其一时，自动控制排放装置打开，打开数量可根据地下水流量计算自动确定(见式1)，ⅰ级沉砂池里的地下水排入集水池。
[0055][0056]nkp
‑‑
待打开的自动控制排放装置数量；
[0057]qlr
‑‑
流入沉砂池的地下水流量；
[0058]nhp
‑‑
区域内横向排水管数量；
[0059]qhp
‑‑
横向排水管的排水能力；
[0060]qkp
‑‑
自动控制排放装置的排水能力。
[0061]
4)集水池水位超出阈值，集水池中水泵自动工作，水泵工作数量可根据实际流量计算确定自动控制(见式2)，将集水池中的地下水抽入路侧边沟排出，当流量超过路侧边沟排水能力时，地下水可从溢出孔溢出，此时可启动隧道交通控制系统，封闭隧道保障运营安全。
[0062][0063]ncs
‑‑
待打开的抽水泵数量；
[0064]qcs
‑‑
抽水泵的抽水能力。
[0065]nkp
‑‑
打开的自动控制排放装置数量；
[0066]qkp
‑‑
自动控制排放装置的排水能力。
[0067]
5)安全解除。水泵与自动控制排放装置关闭，地下水继续从横向排水管排入中心水沟。
[0068]
6)启动清洁维护系统，对集水池内的废水废渣进行清理，该工作需要人工介入，操作工人顺爬梯进入集水池出渣，并借助滑轮组将废渣运出集水池。
[0069]
7)进入下一个循环。
[0070]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。