一种控制型泄压阀、隧道防排水体系及方法

1.本发明涉及隧道防排水技术领域，尤其涉及一种控制型泄压阀、隧道防排水体系及方法。


背景技术：

2.隧道工程中主要分为山岭隧道、海底隧道，无论是山岭隧道还是海底隧道，除部分浅埋隧道以外，大多都长期处于水位线以下。因此在施工期及运营期要求隧道做好防排水工作以保证隧道主体的安全显得尤为重要。目前使用较多的防排水体系主要分为全包型防排水体系和半包型防排水体系。全包型防排水体系是在二衬结构外侧设置全封闭的防水层，全包型防排水体系主要用于对防水性能和环境因素(水环境因素)要求较高的隧道，避免过量排水造成对所在地区环境的破坏。半包型防排水体系在隧道仰拱部位不设置防水层，使水在外部压力的作用下可以透过仰拱进入隧道内既定排水系统，用于对隧道防水等级和环境因素要求较低的隧道。
3.但目前这两种主要的防排水体系都存在一定的弊端，全包型防排水体系由于不能排水，使作用在隧道衬砌结构外侧的水压力较大，为保证隧道主体结构的安全，则支护结构提供更强的支护能力，这就会导致施工成本的升高。半包型防排水体系由于排水不可控，除对水环境得造成破坏外，水的渗流作用不断冲蚀隧道结构的微小裂隙，可能会造成地下水和隧道开挖区域的贯通，发生突涌水事故。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种控制型泄压阀、隧道防排水体系及方法，通过控制式泄压阀对隧道底部孔隙水压力最大位置处进行监测，并控制控制式泄压阀的开关及排水流量，对隧道外侧的赋水进行控制性排放，改善隧道衬砌结构的整体受力状态，提高隧道主体结构的安全性和可靠性。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明的实施例提供了一种控制型泄压阀，包括壳体，排水通道沿横向贯穿于壳体，连接杆沿纵向设于壳体内并穿过排水通道，连接杆顶端连接升降机构，底端连接隔板；壳体内壁设有环状固定片，环状固定片内侧均匀分布多个限位杆，各限位杆端部连接用于连接杆穿过的滑套；壳体底部设有进水通道，进水通道内壁安装水流量计，水流量计、升降机构分别连接控制器。
7.作为进一步的实现方式，所述壳体顶部安装水压力计，水压力计连接控制器。
8.作为进一步的实现方式，所述壳体顶部连接安全销，能够将排水通道设置为常开或常关状态。
9.作为进一步的实现方式，所述限位杆一端与环状固定片固定连接。
10.作为进一步的实现方式，所述环状固定片内壁设有防水垫圈。
11.第二方面，本发明的实施例还提供了一种隧道防排水体系，包括所述的控制型泄
压阀，所述排水通道与中央排水沟相连，进水通道与进水管相连。
12.作为进一步的实现方式，所述控制型泄压阀设置于预制箱涵底部，进水管连接纵向盲管，纵向盲管与环向盲管相接，环向盲管设于二次衬砌外侧。
13.作为进一步的实现方式，所述二次衬砌设有梅花形排水孔，梅花形排水孔位于隧道边墙和仰拱位置处。
14.第三方面，本发明的实施例还提供了一种隧道防排水体系的工作方法，包括：
15.在隧道初期支护施作完成后，依据盲管布设位置测量放样，确定环向盲管和纵向盲管的安装位置；
16.铺设盲管后，将进水管和控制式泄压阀安装于中央排水沟上方位置；
17.水压力计用于监测隧道主体结构水压力最大位置，水流量计用于监测控制式泄压阀排水通道的排水量；
18.水压力计和水流量计间隔设定时间向计算机上传监测数据，计算机对监测数据分析后进行相应调控。
19.作为进一步的实现方式，所述调控过程为：
20.当水压力数据超过预先设定的阈值但排水量尚未达到隧道排水能力上限时，调节控制式泄压阀打开或增大排水流量，使隧道衬砌结构的水压力随排水过程而降低；
21.当水压力数据超过预先设定的阈值且超过隧道排水能力上限时，调节控制式泄压阀排水流量达到最大；梅花形排水孔也参与到排水过程中；
22.当水压力没有超过预先设定的阈值，调节控制式泄压阀关闭、保持或减小排水流量，使隧道衬砌结构发挥其储备的支护能力。
23.本发明的有益效果如下：
24.(1)本发明的控制型泄压阀针对目前隧道内单一的防排水方式无法满足复杂多变的水文地质条件的情况，采用水压力计对衬砌背后的水压力感知，通过控制式泄压阀的控制式排水，可以明显的对衬砌背后的水压力进行折减，改善衬砌结构的受力状态，对隧道的结构变形控制起到显著作用。
25.(2)本发明在正常使用状态下，控制式泄压阀保持计算机分析决策模块自动控制状态，位于控制式泄压阀内部的水压力计和水流量计监测实时水压力和水流量，并将数据传输至计算机分析决策模块，对数据进行分析处理后，计算机数据集成处理模块发出指令对控制器进行调控，调节泄压阀排水流量，达到控制隧道结构外水压力，改善隧道结构受力状态，保证隧道结构安全的目的；在非正常状态下，可以利用控制式泄压阀上带有的机械装置对排水系统进行控制，保持控制式泄压阀的常开或常关状态，以应对特殊要求。
26.(3)本发明通过合理布置隧道内防排水结构，在纵向盲管和中央排水沟之间连接控制式泄压阀，对隧道底部孔隙水压力最大位置处进行监测并控制控制式泄压阀的开关及排水流量，统筹隧道防排水系统的工作，对隧道外侧的赋水进行控制性排放，改善隧道衬砌结构的整体受力状态，提高隧道主体结构的安全性和可靠性。
27.(4)本发明防排水体系相较于现有的防排水体系，可以在全封闭全排水、全封闭不排水和全封闭控制型排水三种模式下自由切换，有更强的的灵活性和适用性，不仅可以应用于山岭隧道，亦可应用于衬砌结构静水压较高的海底隧道和对水环境要求较为严格的城市地下工程。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1是本发明根据一个或多个实施方式的控制式泄压阀主视图；
30.图2是本发明根据一个或多个实施方式的控制式泄压阀侧视图；
31.图3是本发明根据一个或多个实施方式的控制式泄压阀安装示意图；
32.图4是本发明根据一个或多个实施方式的防排水体系作用机制流程图。
33.其中，1、控制式泄压阀；1-1、壳体；1-2、进水通道；1-3、排水通道；1-4、控制器；1-5、连接杆；1-6、限位杆；1-7、环状固定片；1-8、隔板；1-9、防水垫圈；1-10、水压力计；1-11、水流量计；1-12、安全销；1-13、滑套；2、中央排水沟；3、进水管；4、纵向盲管；5、环向盲管；6、梅花形排水孔；7、边沟。
具体实施方式
34.实施例一：
35.本实施例提供了一种控制型泄压阀，如图1和图2所示，包括壳体1-1、排水通道1-3、进水通道1-2、升降机构、水流量计1-11、水压力计1-10等，壳体1-1内部为安装空腔，其整体为封闭结构，形状可以根据实际安装要求设置。
36.在本实施例中，壳体1-1为椭球形；壳体1-1为钢铁制品，使用防腐蚀涂料对壳体内外进行喷涂，以保证装置主体在富水环境的长时间使用过程中不会发生锈蚀。
37.当然，在其他实施例中，壳体1-1也可以为球形或其他形状，也可以采用其他金属材质。
38.以控制型泄压阀1的安装状态为参考，其底部设有进水通道1-2，用于连接进水管3；进水通道1-2内壁安装水流量计1-11，用于对通过控制式泄压阀1的水流量进行监测，在获取水流量信息后，将信号传输至计算机的分析决策模块进行分析决策。
39.壳体1-1靠近上侧位置连接排水通道1-3，排水通道1-3沿横向设置并贯穿壳体1-1；壳体1-1顶部对应于排水通道1-3安装水压力计1-10，用于对衬砌结构底部的水压力进行监测，在获取水压力信息后，将信号传输至计算机的分析决策模块进行分析决策。
40.连接杆1-5沿竖向设置，并位于壳体1-1中心位置；连接杆1-5从壳体1-1顶部向下延伸一定长度，连接杆1-5贯穿排水通道1-3并与隔板1-8连接；连接杆1-5顶部连接升降机构，在升降机构的作用下，连接杆1-5能够带动隔板1-8上下移动，以实现排水量调节。
41.在本实施例中，隔板1-8为适应于壳体1-1截面形状的圆盘形，其隔板1-8外缘距壳体1-1内壁有一定距离。
42.壳体1-1内壁位于排水通道1-3下侧位置设有环状固定片1-7，环状固定片1-7为圆环结构，用于安装限位杆1-6。如图1和图2所示，环状固定片1-7内侧间隔均匀分布多个限位杆1-6，限位杆1-6一端与环状固定片1-7固定连接，例如螺纹连接；各限位杆1-6另一端连接至滑套1-13，滑套1-13沿纵向设有用于连接杆1-5穿过的通孔。
43.连接杆1-5穿过滑套1-13与隔板1-8连接，连接杆1-5能够相对于滑套1-13上下移动，限位杆1-6对隔板1-8移动位置进行限位，当隔板1-8顶面与限位杆1-6底面接触时隔板1-8两端与环状固定片1-7形成闭合结构。为了保证隔板1-8与环状固定片1-7的密封性，防
止渗水，环状固定片1-7的内表面设有防水垫圈1-9，防水垫圈1-9为环形的橡胶圈。
44.环状固定片1-7作为安装限位杆1-6和防水垫圈1-9的基础，其内径大小应在考虑防水垫圈1-9的基础上略小于隔板1-8。
45.在本实施例中，限位杆1-6设置四个，相邻限位杆1-6之间的夹角为90
°
。
46.水压力计1-10、水流量计1-11、升降机构均连接控制器1-4，以通过监测水压力信号、水流量信号反馈的信号对连接杆1-5进行升降控制，以达到调节排水量的目的。
47.本实施例的升降机构采用现有结构，只要能够实现直线运动即可，例如电机驱动的丝杠螺母机构、电机驱动的液压机构，等。
48.壳体1-1顶部连接安全销1-12，用于在特殊情况下，人工对控制式泄压阀1的排水量进行控制，能够将排水通道设置为常开或常关状态。安全销1-12为一保险装置，与连接杆1-5横向开设的插销孔配合控制排水通道的全开或全闭，在需要控制全开或全闭时，解除分析决策模块对控制器1-4的控制，插入安全销1-12，使排水通道不能在水流冲击下开关和闭合。
49.本实施例针对隧道内单一的防排水方式无法满足复杂多变的水文地质条件的情况，采用水压力计1-10对衬砌背后的水压力感知，通过控制式泄压阀1的控制式排水，可以明显的对衬砌背后的水压力进行折减，改善衬砌结构的受力状态，对隧道的结构变形控制起到显著作用。
50.本实施例通过计算机对复杂的数据进行采集传输分析，可以对隧道衬砌结构的水压力变化有准确详细的地感知，信息的传送速率也将大幅提升，从而做出准确的判断，实现及时的对水压力带来的的隧道不稳定变化进行控制处理，做出实时灾害预警，进一步推进隧道管理的智能化。
51.实施例二：
52.本实施例提供了一种隧道防排水体系，如图3所示，包括实施例一所述的控制型泄压阀1，控制型泄压阀1设置于中央排水沟2上侧、预制箱涵8的底部，控制型泄压阀1的排水通道1-3与中央排水沟2相连，进水通道1-2与进水管3相连。
53.在本实施例中，进水通道1-2与进水管3一端为螺纹连接，进水管3另一端与纵向盲管4采用三通接口相接；排水通道1-3可以外接软管与中央排水沟2相连，也可以直接向中央排水沟2内排水。
54.纵向盲管4与环向盲管5相接，环向盲管5设于二次衬砌外侧。环向盲管5和控制式泄压阀1的间距根据隧道施工图纸结合现场水文地质情况适当增减。
55.二次衬砌设有梅花形排水孔6，梅花形排水孔6位于隧道边墙和仰拱位置处，用于应对隧道盲管堵塞导致排水困难或排水能力达到上限等特殊情况，在隧道排水不畅或不及时的情况下，梅花形排水孔6可以将隧道防水板外侧的积水沿预先埋设的pvc管排入边沟7，以保证不会因排水不及时使水压力过大破坏隧道结构。
56.本实施例的所有管件及装置接口处均使用防水材料缠绕防止渗漏。
57.本实施例通过增加控制式泄压阀1对隧道渗水实行控制性排放，通过水压力计1-10和水流量计1-11对排水情况进行实时监测，针对水压力的变化情况，通过控制器1-4控制隔板1-8升降以达到控制排水流量的目的，进而减小隧道衬砌结构上的水压力，提高隧道主体结构的安全性。
58.实施例三：
59.本实施例提供了一种隧道防排水体系的工作方法，采用实施例二所述的防排水体系，包括：
60.施作隧道初期支护，按照预定方案布设环向盲管5和纵向盲管4，当前区段全部完成后铺设防水材料。
61.施作仰拱，在预定位置安装进水管3和控制式泄压阀1，将控制式泄压阀1接入中央排水沟2。
62.检查各位置密封良好、各处设备状态正常后投入使用。
63.在正常使用过程中，水压力计1-10和水流量计1-11实时监测隧道防排水系统的运转情况，间隔一定时间对计算机分析决策模块上传数据，计算机分析决策模块做出相应指令调控控制式泄压阀1调整排水流量。
64.在非正常使用过程中，水压力计1-10和水流量计1-11监测数据上传到计算机分析决策模块后，若出现非正常因素，需超量排水或暂停排水，可人为对防排水系统进行干预以保证隧道主体安全。
65.具体的，如图4所示，包括以下步骤：
66.1)准备工作，准备控制型泄压阀1、压力计1-10和流量计1-11，按照使用要求，将压力计1-10和流量计1-11安装至控制式泄压阀1相应部位。
67.2)测量标记，在隧道初期支护施作完成后，依据图纸盲管布设位置测量放样，确定环向盲管5和纵向盲管4的安装位置。
68.3)盲管安装，在指定安装位置进行盲管的铺设，盲管之间采用三通接头连接，连接完成后，使用自动铺挂台车完成防水卷材的铺挂工作。此处要求接缝处搭接不小于15cm，使用成梅花形排列的铆钉与初期支护固定。
69.4)阀体安装，在盲管安装完成后施作仰拱及进行混凝土填充，然后将进水管3和控制式泄压阀1安装在预制箱涵8底板以下中央排水沟2上方位置。在通过防水层和二衬的进水管3位置处需要格外加强的防水工作，必要时采用防水材料进行二次灌浆填充。
70.5)压力检测，在排水管线及阀体完成全部安装工作及密封工作后，采用专用检测器对排水管线在设定压力下的密闭性进行检测，检查无漏后投入使用。
71.在整个体系安装布置完成后，水压力计1-10用于对隧道主体结构水压力最大位置拱底处进行监测，水流量计1-11用于对控制式泄压阀1排水通道的排水量进行监测。水压力计1-10、水流量计1-11间隔固定时间对计算机分析决策模块上传一定时间内监测获得的数据，计算机对所得数据进行分析后，将会对以下几种情况做出相应调控；
72.1)若所得水压力数据超过预先设定的阈值但排水量尚未达到隧道排水能力上限时，则对控制式泄压阀1上的控制器1-4发出指令，调节控制式泄压阀1打开或增大排水流量，使隧道衬砌结构上的水压力随排水过程而降低。
73.2)若所得水压力数据超过预先设定的阈值且超过隧道排水能力上限时，则对控制式泄压阀1上的控制器1-4发出指令，调节控制式泄压阀1排水流量达到最大，并对隧道管理人员发出预警，提醒隧道管理人员做出相应的检查和灾害防范措施。边墙上的梅花形排水孔6也会参与到排水过程中。作为控制式隧道防排水体系被动调节水压力的另一项措施。
74.3)若所得水压力没有超过预先设定的阈值，则对控制式泄压阀1上的控制器1-4发
出指令，调节控制式泄压阀1关闭、保持或减小排水流量，使隧道衬砌结构发挥其储备的支护能力，达到减小隧道泵房的工作量或保护环境水资源的目的。
75.在特殊情况下，如隧道检修需要暂时停止排水或其他人为原因，可以依照意愿调节控制式泄压阀1，达到人为调控排水量和隧道所处环境水压力的目的。
76.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。