一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统

本发明属于隧道工程限排，具体涉及一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统。

背景技术：

1、近几年来，随着不断增多的交通需求量，地下空间的开发与利用成为我国交通发展新趋势，因此各种地下工程建设也相应增多。无论是海滨地区还是山岭地区，隧道建设和运营都受到地下水的影响；因此如何处理地下水对地下结构及地表生态环境的影响非常重要。

2、目前对于地下水的处理措施是“以排为主”，任由地下水排放，虽然可以减小水压对隧道衬砌结构稳定性的影响，使设计简化，降低工程造价，但是基于此理念，容易造成地表水枯竭，生态环境破坏的后果。而如果将“以排为主”的处理措施转变为“以堵为主”，这种方式大大增加了工程造价，加大了施工难度，延长了施工工期，并且通过实践表明，要想完全封堵地下水几乎不可能。因此“限量排放”理念具有重要意义，在生态环境所能承受的范围内允许一部分地下水排出隧道外，这样既能保护生态环境，又能降水泄压，降低工程造价，缩短工期。现有限量排放方案没有解决衬砌结构受力不均匀的问题，以及不能针对某一位置水压过大进行专门的排水卸压。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，实现隧道限量排放，既使衬砌结构的受力最优，又能保护当地的生态环境。

2、为达到上述目的，本申请的技术方案为：一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，包括衬砌结构、分区排水系统和分区智能监测与调控系统；所述分区智能监测与调控系统包括压力数据获取模块、微处理器、控制模块；所述压力数据获取模块包括智能水压监测器和智能压力检测仪，所述智能水压监测器用于感应其所在区域内的外水压力，所述智能压力检测仪用于检测其所在区域内的衬砌内部压力；所述微处理器用于接收压力数据获取模块的数据信息，根据对应区域的数据信息得到地下水排放时间，并向控制模块发送开关指令；所述控制模块安装于分区排水系统上。

3、进一步的，所述地下水排放时间获取方式为：

4、

5、式中，t为地下水排放时间；h1为根据智能水压监测器和智能压力检测仪换算的该区域地下水水头高度；h0为结合生态环境需求、衬砌结构承载力、衬砌内部极限承载应力确定的地下水期望水头高度；h2为单位时间排放地下水水头高度。

6、进一步的，所述地下水期望水头高度h0的取值方式为：

7、当hw或h1>hc>hd>h时，h0取h；

8、当hw或h1>hd>hc>h时，h0取h；

9、当h<h1<hw<hd或hc时，h0取hw；

10、当h<hw<h1<hd或hc时，h0取h1；

11、当hw<h<h1<hd或hc时，h0取h；

12、当hw或h1<h<hd或hc时，h0取h1；

13、式中，h为根据预设压力换算的地下水水头高度；hw为根据当地勘察资料以及植物特性调查所得的植物正常生长所需地下水水头高度；hc为衬砌极限承载力状态下地下水水头高度；hd为极限承载力状态下内部压力对应的地下水水头高度。

14、进一步的，根据智能水压监测器和智能压力检测仪换算的该区域地下水水头高度h1的取值方式为：

15、当ha<hb时，h1取hb；

16、当ha>hb时，h1取ha；

17、式中，ha为分区排水系统的纵向导水管与衬砌结构的二次衬砌处测点，根据智能水压监测器换算的某一区域最大水头高度；hb为通过外水压力p1与衬砌内部压力p2关系式，根据衬砌结构内部智能压力检测仪换算的某一区域最大水头高度。

18、进一步的，外水压力p1与衬砌内部压力p2关系式为：

19、

20、

21、

22、

23、式中，p1为一个面积为s的某个区域外水压力；p2为某一区域衬砌内部压力；θ1为p1所在位置与对称中线的夹角；θ2为p2所在位置与对称中线的夹角；q为隧道上覆荷载；r为隧道半径；g为隧道自重；y为距离中性轴高度；i为惯性矩。

24、更进一步的，所述衬砌结构分为若干区域，每个区域包括从外到内依次设置的隧道初期支护、防水层和二次衬砌；各个区域隧道初期支护外侧、二次衬砌外侧分别设有智能水压监测器，各个区域二次衬砌内部钢筋处设有智能压力检测仪；各个区域的防水层边界处布置密封胶条，保证防水层边缘不透水，实现分区排水。

25、更进一步的，所述分区排水系统包括纵向导水管、环向排水管以及横向出水管，各个区域的隧道初期支护与防水层之间设置纵向导水管和环向排水管，相邻区域的多个纵向导水管通过环向排水管相连，每个环向排水管底部与对应的横向出水管相连，所述环向排水管将纵向导水管的蓄水汇集到对应的横向出水管排出；每个横向出水管均与中央集水沟相连，中央集水沟位于隧道底部仰拱。

26、更进一步的，所述控制模块包括智能水阀，在每个横向出水管布置有智能水阀a，该智能水阀a位于检修井内；在每个区域的两条纵向导水管上设有智能水阀b，所述智能水阀b位于该区域四周。

27、作为更进一步的，所述纵向导水管布置于衬砌结构的拱顶、拱肩、拱腰和拱底处且按照间隔1～10m设置，纵向导水管端部通过环向排水管依次连接形成若干个区域。

28、作为更进一步的，智能水压监测器实时采集水压数据，智能压力检测仪实时采集压力数据，将水压数据、压力数据发送至微处理器，当水压数据或压力数据大于对应阈值时，计算排水时间，微处理器向该区域的智能水阀发送打开指令，由于水压差在智能水阀打开时水进入纵向导水管汇入环向排水管，通过横向出水管排入隧道内的中央集水沟，当达到排水时间后，微处理器向该区域的智能水阀发送关闭指令，停止排水。

29、本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：基于分布式理念，对衬砌结构外水压力进行智能分区调控，通过分区智能监测，实时得到各个区域的外水压力和衬砌内部应力，将外水压力和衬砌内部应力均转化为水头高度，兼顾二者得到最合适的排水时间，然后卸去外水压力，减少衬砌结构内部压力，保证安全性；通过控制智能水阀的开关，智能排水，实现分区自动限排、分区卸压，对最不利位置进行针对性的调控。既能实现衬砌结构的受力最优，又能保护当地的生态环境。

技术特征：

1.一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，包括衬砌结构、分区排水系统和分区智能监测与调控系统；所述分区智能监测与调控系统包括压力数据获取模块、微处理器、控制模块；所述压力数据获取模块包括智能水压监测器和智能压力检测仪，所述智能水压监测器用于感应其所在区域内的外水压力，所述智能压力检测仪用于检测其所在区域内的衬砌内部压力；所述微处理器用于接收压力数据获取模块的数据信息，根据对应区域的数据信息得到地下水排放时间，并向控制模块发送开关指令；所述控制模块安装于分区排水系统上。

2.根据权利要求1所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，所述地下水排放时间获取方式为：

3.根据权利要求2所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，所述地下水期望水头高度h0的取值方式为：

4.根据权利要求2或3所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，根据智能水压监测器和智能压力检测仪换算的该区域地下水水头高度h1的取值方式为：

5.根据权利要求1所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，外水压力p1与衬砌内部压力p2关系式为：

6.根据权利要求1所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，所述衬砌结构分为若干区域，每个区域包括从外到内依次设置的隧道初期支护、防水层和二次衬砌；各个区域隧道初期支护外侧、二次衬砌外侧分别设有智能水压监测器，各个区域二次衬砌内部钢筋处设有智能压力检测仪；各个区域的防水层边界处布置密封胶条，保证防水层边缘不透水，实现分区排水。

7.根据权利要求6所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，所述分区排水系统包括纵向导水管、环向排水管以及横向出水管，各个区域的隧道初期支护与防水层之间设置纵向导水管和环向排水管，相邻区域的多个纵向导水管通过环向排水管相连，每个环向排水管底部与对应的横向出水管相连，所述环向排水管将纵向导水管的蓄水汇集到对应的横向出水管排出；每个横向出水管均与中央集水沟相连，中央集水沟位于隧道底部仰拱。

8.根据权利要求1所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，所述控制模块包括智能水阀，在每个横向出水管布置有智能水阀a，该智能水阀a位于检修井内；在每个区域的两条纵向导水管上设有智能水阀b，所述智能水阀b位于该区域四周。

9.根据权利要求7所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，所述纵向导水管布置于衬砌结构的拱顶、拱肩、拱腰和拱底处且按照间隔1～10m设置，纵向导水管端部通过环向排水管依次连接形成若干个区域。

10.根据权利要求1所述一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，其特征在于，智能水压监测器实时采集水压数据，智能压力检测仪实时采集压力数据，将水压数据、压力数据发送至微处理器，当水压数据或压力数据大于对应阈值时，计算排水时间，微处理器向该区域的智能水阀发送打开指令，由于水压差在智能水阀打开时水进入纵向导水管汇入环向排水管，通过横向出水管排入隧道内的中央集水沟，当达到排水时间后，微处理器向该区域的智能水阀发送关闭指令，停止排水。

技术总结
本发明公开了一种基于分布式衬砌水压力智能调控的隧道地下水限量排系统，包括衬砌结构、分区排水系统和分区智能监测与调控系统；所述分区智能监测与调控系统包括压力数据获取模块、微处理器、控制模块；所述压力数据获取模块包括智能水压监测器和智能压力检测仪；所述微处理器用于接收压力数据获取模块的数据信息，根据对应区域的数据信息得到地下水排放时间，并向控制模块发送开关指令；所述控制模块安装于分区排水系统上。本发明可对隧道进行分区域预警监测、分区限量排水，同时监测衬砌内部荷载，做到衬砌内外荷载联系监测卸压，既能实现衬砌结构的受力最优，又能保护当地的生态环境。

技术研发人员：王峥峥,余世为,陈希茂,谢雄,谢忻,覃晖
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14