一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统与方法与流程

本发明属于隧道衬砌灾害防治领域，涉及岩溶空腔的排水控制，一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力自适应平衡方法。

背景技术：

1、在岩溶隧道中，常见的质量问题之一是衬砌背后空腔的存在，这可能会对隧道的运营安全带来严重的威胁。若隧道衬砌背后出现空腔，地下水会沿着裂隙汇入空洞中，空腔中汇集的水量将会转化为压力作用在隧道衬砌结构上，进而导致衬砌结构开裂，隧道背后岩溶空腔中存在的水必须采取措施进行处理。

2、现有技术往往采取“以排为主”的防排水设计原则，通过预埋的排水盲管进行排水。然而，由于隧道在施工期掌子面开挖、衬砌施工等原因造成岩溶管道出现扰动破坏，到运营期，隧道背后岩溶管道损伤逐步扩张导致岩溶管道堵塞，在雨季岩溶地下水丰富的时候衬砌背后水压大幅上升出现局部应力集中，进而导致衬砌开裂、渗水甚至坍塌涌水等严重的结构病害，影响隧道运营安全。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统与方法，可有效将隧道衬砌背后局部水压均布分散至衬砌整环，减小应力集中，保护衬砌结构，保障隧道运营安全。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，包括设置在岩溶空腔两侧下方同一断面处的两条排水线路，所述排水线路包括从上至下依次连通的多个水压调节洞室，最上方的水压调节洞室通过水流分散管道与岩溶空腔的底部连通，相邻水压调节洞室通过水流分散管道连通，最下方的水压调节洞室通过排水控制管道与排水沟连接，所述水流分散管道均设有分散控制电磁阀门，所述排水控制管道均设有排水控制电磁阀门；所述水压调节洞室分别设置在衬砌关键点位，所述衬砌关键点位包括隧道拱腰衬砌与围岩之间、隧道边墙衬砌与围岩之间、以及隧道拱脚衬砌与围岩之间；

4、所述岩溶空腔和所述水压调节洞室中均设有水位传感器和水压力计，所述水位传感器实时监测岩溶空腔和水压调节洞室各自内部的水容量，所述水压力计监测对应隧道衬砌背后的外水压力；

5、还包括工控机和监控中心，所述工控机分别与电磁阀门、水位传感器和水压力计电连接；所述工控机读取水位传感器、水压力计的监测数据并上传给监控中心，所述监控中心根据监测数据控制工控机开关分散控制电磁阀门和排水控制电磁阀门。

6、进一步，所述水压调节洞室内部均施作有防水混凝土。本方案能够阻断四周围岩的水渗漏到水压调节洞室中。

7、进一步，所述水压调节洞室与隧道的连通处均设有防水墙，所述防水墙由m10浆砌片石组成。本方案能够阻断水压调节洞室中的水渗漏到隧道中。

8、进一步，所述排水控制管道均为hdpe无孔波纹管。hdpe，即高密度聚乙烯。

9、进一步，所述hdpe无孔波纹管为a100mm规格。

10、进一步，所述水压调节洞室为柱体。

11、进一步，水压调节洞室尺寸根据压强公式计算得到，所述水压调节洞室尺寸满足在充满水的情况下，对底部位置衬砌结构的水压小于衬砌结构的极限水压力值。

12、一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡方法，包括以下步骤：

13、s1、监控中心根据衬砌结构所能承受的极限水压力值设定调节水压力值、安全水压力值以及各水压调节洞室的水位最大值，满足极限水压力值>调节水压力值>安全水压力值；

14、s2、通过各处的水位传感器采集岩溶空腔和对应水压调节洞室的水位，通过各处的水压力计采集岩溶空腔和对应水压调节洞室的外水压力；

15、s3、当监控中心监测到岩溶空腔位置的外水压力小于安全水压力值，所述分散控制电磁阀门均处于关闭状态；

16、s4、当岩溶空腔位置的外水压力大于调节压力值，打开任意一侧排水管线上各个水压调节洞室对应的分散控制电磁阀门，使岩溶空腔中的水沿着排水管线上分散到下方的水压调节洞室，减小岩溶空腔位置的压力值；

17、s5、判断岩溶空腔位置的压力值是否减小到安全水压值，若是，且最下方水压调节洞室的水位值未达到最大水位值时，则关闭最下方水压调节洞室上方所有分散控制电磁阀；若否，且最下方的水压调节洞室的水位值达到最大水位值时，则关闭对应的分散控制电磁阀，使水停留在与最下方水压调节洞室相邻的水压调节洞室，而不再流入最下方水压调节洞室；

18、s6、从下至上依次对该侧排水管线上的其他水压调节洞室执行s5的判断和操作，直至最上方水压调节洞室的水位值达到最大水位值时，关闭岩溶空腔与最上方水压调节洞室之间的分散控制电磁阀门，打开另一侧排水管线上各个分散控制电磁阀门；

19、s7、对另一侧排水管线上的各个水压调节洞室执行s5与s6的判断和操作；

20、s8、当两侧排水管线中最上方水压调节洞室的水位值均达到最大水位值时，打开最上方水压调节洞室下方的所有分散控制电磁阀门和排水控制电磁阀门，使所有水压调节洞室内的水都从排水沟排出隧道；当监控中心监测到各水压调节洞室内的水位传感器数值都为零时，关闭所有分散控制电磁阀门和排水控制电磁阀门。

21、本发明的有益效果在于：

22、本发明由监控系统自动分析控制，根据监测分析各监测点的水位值和水压值，自动控制管道阀门的开关，运用计算机控制系统可以更快速并准确调节衬砌受压情况。

23、本发明可以避免盲目的排水对生态环境造成的影响，也可以有效地减缓外水压力对衬砌结构的影响，能够有效地保障隧道的运营安全。

24、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。

技术特征：

1.一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，其特征在于：包括设置在岩溶空腔两侧下方同一断面处的两条排水线路，所述排水线路包括从上至下依次连通的多个水压调节洞室，最上方的水压调节洞室通过水流分散管道与岩溶空腔的底部连通，相邻水压调节洞室通过水流分散管道连通，最下方的水压调节洞室通过排水控制管道与排水沟连接，所述水流分散管道均设有分散控制电磁阀门，所述排水控制管道均设有排水控制电磁阀门；所述水压调节洞室分别设置在衬砌关键点位，所述衬砌关键点位包括隧道拱腰衬砌与围岩之间、隧道边墙衬砌与围岩之间、以及隧道拱脚衬砌与围岩之间；

2.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，其特征在于：所述水压调节洞室内部均施作有防水混凝土。

3.根据权利要求2所述的一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，其特征在于：所述水压调节洞室与隧道的连通处均设有防水墙，所述防水墙由m10浆砌片石组成。

4.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，其特征在于：所述排水控制管道均为hdpe无孔波纹管。

5.根据权利要求4所述的一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，其特征在于：所述hdpe无孔波纹管为a100mm规格。

6.根据权利要求1所述的一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，其特征在于：所述水压调节洞室为柱体。

7.根据权利要求6所述的一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统，其特征在于：水压调节洞室尺寸根据压强公式计算得到，所述水压调节洞室尺寸满足在充满水的情况下，对底部位置衬砌结构的水压小于衬砌结构的极限水压力值。

8.一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种岩溶隧道衬砌承载力与外水压力平衡系统与方法，属于隧道衬砌灾害防治领域。包括设置在岩溶空腔两侧下方的两条排水线路，所述排水线路包括从上至下依次连通的多个水压调节洞室，最上方的水压调节洞室通过管道与岩溶空腔的底部连通，相邻水压调节洞室通过管道连通，最下方的水压调节洞室通过管道与排水沟连接，所有管道上均设有电磁阀门；水压调节洞室分别设置在衬砌关键点位，包括隧道拱腰衬砌与围岩之间、隧道边墙衬砌与围岩之间、以及隧道拱脚衬砌与围岩之间，通过电磁阀门控制各个水压调节洞室的水流分散。本方案能够将隧道衬砌背后局部水压均布分散至衬砌整环，减小应力集中，保护衬砌结构，保障隧道运营安全。

技术研发人员：周武召,胡学兵,王业好,程亮,邹会安,曹鹏,赵天伟,张宗龙
受保护的技术使用者：重庆渝湘复线高速公路有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15