强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置及方法与流程

1.本发明属于隧道及地下工程技术领域，尤其涉及一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置及方法。


背景技术：

2.随着交通强国战略实施，我国隧道建设重心正逐渐向西部及西南部地区转移。针对云、贵、湘等地区的喀斯特地貌，隧道建设过程中将不可避免的遭遇大量富水岩溶不良地质条件，诸如溶洞、暗河、断层破碎带等等。当隧道建设过程中遭遇或接近大型溶洞时，隧址区强降雨时期，大型溶洞内部水位急剧上升，势必导致隧道外部水压力激增，进而给隧道施工及后期运营带来巨大的安全隐患，如何保证隧道施工及后期运营安全是一个亟需解决的重大问题。
3.公开号为cn106761919a的中国专利公开了一种高压富水区隧道自动调压泄水控制装置，该装置设置在高压富水区隧道边墙脚限量排放区运营隧道两侧电缆槽底部，装置的水流进口连接衬砌背后地下水渗流管道，装置的水流出口连接隧道横向排水管；公开号为cn208431437u的中国专利公开了一种降低岩溶隧道运营风险的自动卸水压装置，该装置在隧道衬砌上设置泄压阀，泄压阀包括泄压阀主体、泄压阀塞和保险膜片三大部分；泄压阀主体贯通衬砌，在泄压阀主体内设置有泄压阀塞，泄压阀塞与泄压阀主体紧密接触；在泄压阀塞的贯通空间内固定有保险膜片；论文《季节性岩溶隧道结构安全预警体系构建及对策》(发表在《现代隧道技术》杂质2019年56卷增刊2)中公开了一种当衬砌水压力达到衬砌结构容许水压力后可以实现自动泄水降压的装置，进而避免了降雨条件下衬砌结构因短时间内承受过大水压而发生结构失稳破坏的现象，最终保证岩溶隧道结构的安全。
4.然而，上述专利或论文成果，一方面破坏了隧道二次衬砌结构完整性，使得隧道二次衬砌结构出现局部应力集中现象，进而导致隧道二次衬砌结构稳定性和安全性进一步降低；另一方面忽略了强降雨时期的降水特征，即短时间内水量与水压将急剧升高，常规的排水管道难以在短时间内将强降雨时期产生的大量降雨及时排走。同时，水量增大及水压升高，还可能进一步导致应力集中现象扩大，进而使得隧道结构开口部位成为事故诱发点，最终引起隧道突涌水事故的发生。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置及方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，包括过滤机构，所述过滤机构的顶端伸入溶洞，所述过滤机构的底端连通筒状机构，所述筒状机构远离所述过滤机构的一端与隧道机构的顶端固接，所述筒状机构的高端连通有细排水管的入口，所述细排水管的出口连通所述隧道机构，所述筒状机构的低端连通有粗排水机构，所述粗排水机构的另一端连通所述隧道机构。
7.优选的，所述隧道机构包括隧道，所述隧道的上方设置有隧道二次衬砌结构，所述隧道二次衬砌结构上设置有隧道初期支护结构，所述隧道初期支护结构与所述隧道二次衬砌结构之间设置有排水盲管，所述排水盲管与所述细排水管的出口连通，所述隧道的底部围岩与所述粗排水机构连通。
8.优选的，所述过滤机构包括依次与所述筒状机构连通的一级过滤网、二级过滤网和三级过滤网，所述一级过滤网、所述二级过滤网和所述三级过滤网的孔径依次增大，所述一级过滤网、所述二级过滤网以及所述三级过滤网伸入所述溶洞。
9.优选的，所述筒状机构包括固接在所述初期支护结构顶端的底座，所述底座上固接有圆筒，所述圆筒的顶端连通所述一级过滤网，所述圆筒内滑动连接有弹簧封闭组件，所述弹簧封闭组件的一端与所述圆筒靠近所述底座的一端固接，所述圆筒的高端连通有所述细排水管，所述圆筒的低端连通有所述粗排水机构。
10.优选的，所述弹簧封闭组件包括弹簧，所述弹簧上敷设有防滑橡胶层，所述防滑橡胶层位于所述圆筒与所述弹簧之间，所述弹簧与所述圆筒的侧壁滑动连接，所述弹簧与所述圆筒靠近所述底座的一端固接。
11.优选的，所述粗排水机构包括与所述圆筒的低端连通的粗排水管，所述粗排水管远离所述圆筒的一端设置有阻拦滤网，所述阻拦滤网与所述隧道底部围岩连通。
12.一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置的使用方法，包括以下步骤：
13.步骤一：勘察溶洞地质，绘制溶洞与隧道的剖面图；
14.步骤二：开挖隧道，并揭露溶洞；
15.步骤三：抽排地下水，清理充填物，局部补强围岩；
16.步骤四：设置过滤机构；
17.步骤五：设置筒状机构；
18.步骤六：设置筒状机构上的排水管；
19.步骤七：设置隧道拱底粗排水管上的阻拦滤网；
20.步骤八：固定筒状机构；
21.步骤九：设置弹簧封闭组件；
22.步骤十：设置底座；
23.步骤十一：隧道机构施工。
24.优选的，所述步骤三中，所述隧道与所述溶洞连通后，对所述溶洞内部的地下水进行抽排，对充填物进行清理，同时对所述隧道与所述溶洞连通处的围岩进行局部补强，补强措施采用锚杆或锚索支护方式。
25.优选的，所述步骤八中，对所述筒状机构进行位置固定，然后对所述筒状机构与所述围岩之间的空隙进行充填，所述充填物采用水泥注浆、化学泡沫注浆。
26.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
27.溶洞中的地下水经过滤机构进入筒状结构，水量增多，水压增大时，当压缩到细排水管时，地下水会自动从细排水管排出到隧道机构内；当地下水的水量与水压持续增大时，直至压缩到粗排水机构，此时地下水会自动从粗排水机构排入到隧道机构。
28.本发明一方面是不破坏隧道周围的水文地质环境，最大限度的保护地下水平衡，
同时还能实现强降雨条件下溶洞内部地下水的分级自动排放，最大限度降低隧道结构外部水压力，进而保护隧道结构性能，避免水压力过大导致隧道结构受力不合理而发生结构损毁。另一方面是不破坏隧道二次衬砌结构完整性，进而避免因局部应力集中现象导致结构性能降低。
附图说明
29.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
30.图1为本发明的结构示意图；
31.图2为图1中a的局部放大图；
32.图3为本发明实施方法的示意图；
33.图中：1、溶洞；2、隧道3、细排水管；4、一级过滤网；5、二级过滤网；6、三级过滤网；7、底座；8、圆筒；9、弹簧；10、防滑橡胶层；11、粗排水管；12、阻拦滤网；13、隧道二次衬砌结构；14、排水盲管；15、隧道初期支护结构。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.参照图1-3所示，本发明提供一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，包括过滤机构，过滤机构的顶端伸入溶洞1，过滤机构的底端连通筒状机构，筒状机构远离过滤机构的一端与隧道机构的顶端固接，筒状机构的高端连通有细排水管3的入口，细排水管3的出口连通隧道机构，筒状机构的低端连通有粗排水机构，粗排水机构的另一端连通隧道机构。
37.溶洞1中的地下水经过滤机构进入筒状结构，水量增多，水压增大时，当压缩到细排水管3时，地下水会自动从细排水管3排出到隧道机构顶部；当地下水的水量与水压持续增大时，直至压缩到粗排水机构，此时地下水会自动从粗排水机构排入到隧道机构。
38.进一步优化方案，隧道机构包括隧道2，隧道2的上方设置有隧道二次衬砌结构13，隧道二次衬砌结构13上设置有隧道初期支护结构15，隧道初期支护结构15与隧道二次衬砌结构13之间设置有排水盲管14，排水盲管14与细排水管3的出口连通，隧道2的底部围岩与所述粗排水机构连通。
39.细排水管3与排水盲管14直接连通，可以避免隧道二次衬砌结构13受到破坏，避免水压力过大导致隧道2受力不合理而发生结构损毁；隧道2的底部围岩地下水径流处与粗排水机构连通。
40.进一步优化方案，过滤机构包括与依次与筒状机构连通的一级过滤网4、二级过滤网5和三级过滤网6，一级过滤网4、二级过滤网5和三级过滤网6的孔径依次增大，一级过滤
网4、二级过滤网5以及三级过滤网6伸入溶洞1。
41.一级过滤网4、二级过滤网5以及三级过滤网6相互重叠，三级过滤网6的孔径最大，二级过滤网5次之，一级过滤网4最小。一级过滤网4放在最下面，二级过滤网5居中，三级过滤网6放在最上面。
42.进一步优化方案，筒状机构包括固接在初期支护结构15顶端的底座7，底座7上固接有圆筒8，圆筒8的顶端连通一级过滤网4，圆筒8内滑动连接有弹簧封闭组件，弹簧封闭组件的一端与圆筒8靠近底座7的一端固接，圆筒8的高端连通有细排水管3，圆筒8的低端连通有粗排水机构。
43.当大型溶洞1内的水量增多，水压增大时，弹簧封闭组件会被压缩，当压缩到细排水管3时，地下水会自动从细排水管3排出到排水盲管14内；当地下水的水量与水压持续增大时，弹簧封闭组件被持续压缩，直至压缩到粗排水机构，此时地下水会自动从粗排水机构排入到隧道2的底部围岩地下水径流处。弹簧封闭组件用于承受地下水的冲击力，将地下水流入圆筒8内进行一定的泄放。底座7的主要目的是支撑自动泄水降压装置，避免自动泄水降压装置的自重直接施加到隧道二次衬砌结构上，进而增大隧道2的外部受力。
44.进一步优化方案，弹簧封闭组件包括弹簧9，弹簧9上敷设有防滑橡胶层10，防滑橡胶层10位于圆筒8与弹簧9之间，弹簧9与圆筒8的侧壁滑动连接，弹簧9与圆筒8靠近底座7的一端固接。在弹簧9外侧布置一层防滑橡胶层10，然后将带有防滑橡胶层10的弹簧9安装到圆筒8内部，防滑橡胶层10主要是为了避免溶洞1内部的地下水流到圆筒8的底部。
45.进一步优化方案，粗排水机构包括与圆筒8的低端连通的粗排水管11，粗排水管11远离圆筒8的一端设置有阻拦滤网12，阻拦滤网12与隧道2底部围岩连通。阻拦滤网12是双层滤网，是为了避免污泥、碎石等方向进入粗排水管11，进而堵塞粗排水管11，隧道2的底部围岩地下水径流处与粗排水管11连通。
46.进一步的，在圆筒8侧壁一方面设置连接隧道排水管或盲管的细排水管3，细排水管3需要向下倾斜5度，保证地下水流入隧道2的排水管或盲管；另一方面设置连通隧道2拱底的粗排水管11，粗排水管11需向下倾斜10度。
47.一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置的使用方法，包括以下步骤：
48.步骤一：勘察溶洞1地质，绘制溶洞1与隧道2的剖面图；
49.主要采用超前地质钻孔、地质雷达、钻孔摄像以及微震探测等技术手段，来获取大型溶洞1的规模、形状、高程、充填物类型及形态、围岩级别等，进而绘制大型溶洞1与隧道2之间的典型剖面图。
50.步骤二：开挖隧道2，并揭露溶洞1；
51.隧道2开挖时期选择在非雨季及非降水期，进而避免溶洞1内部水位过高。隧道2开挖方法可以采用台阶法、cd法、全断面法等，在接近大型溶洞1时，主动揭露大型溶洞1，连通隧道2与大型溶洞1，便于后期地下水抽排、充填物清理以及设备安装。
52.步骤三：抽排地下水，清理充填物，局部补强围岩；
53.步骤四：设置过滤机构；
54.在大型溶洞1与隧道2接口位置设置一级过滤网4、二级过滤网5、三级过滤网6，一级过滤网4主要过滤碎石，一级过滤网4尺寸为10.0mm
×
10.0mm；二级过滤网5主要过滤砂、
细小碎石，二级过滤网5尺寸为5.0mm
×
5.0mm；三级过滤网6主要过滤泥土、粉细砂等，三级过滤网6尺寸为1.0mm
×
1.0mm；从一级过滤网4到三级过滤网6，过滤网尺寸逐渐降低，进而保证大型溶洞1内部充填物不流入泄水装置内部，从而导致泄水装置堵塞。
55.步骤五：设置筒状机构；
56.在隧道2与大型溶洞1连通之间设置自动泄水降压装置的筒状机构，并将筒状机构上部与过滤机构相连接。
57.步骤六：设置筒状机构上的排水管；
58.在圆筒8侧部，一方面设置连接隧道2排水管或盲管的细排水管3，细排水管3需要向下倾斜5度，保证地下水流入隧道2排水管或盲管；另一方面设置连通隧道2拱底的粗排水管11，粗排水管11需向下倾斜10度。
59.步骤七：设置隧道2拱底粗排水管11上的阻拦滤网12；
60.对粗排水管11出水口处进行清理，同时安装阻拦滤网12，避免污泥、碎石等方向进入粗排水管11，进而堵塞粗排水管11。
61.步骤八：固定筒状机构；
62.步骤九：设置弹簧封闭组件；
63.在弹簧9外侧布置一层防滑橡胶层10，然后将带有防滑橡胶层10的弹簧9安装到圆筒8内部，防滑橡胶层10主要是为了避免大型溶洞内部的地下水流到圆筒8底部。
64.步骤十：设置底座7；
65.在圆筒8内部的弹簧9安装完成后，需要在圆筒8底部安装底座7，可以采用混凝土现浇或预制的方式进行施工，底座7的主要目的是支撑自动泄水降压装置，避免自动泄水降压装置的自重直接施加到隧道2结构上，进而增大隧道2结构外部受力。
66.步骤十一：隧道机构施工。
67.隧道机构施工，包括隧道初期支护、钢拱架、二次衬砌、防水板、排水管等。
68.进一步优化方案，步骤三中，隧道2与溶洞1连通后，对溶洞1内部的地下水进行抽排，对充填物进行清理，同时对隧道2与溶洞1连通处的围岩进行局部补强，补强措施采用锚杆或锚索支护方式。
69.进一步优化方案，步骤八中，对筒状机构进行位置固定，然后对筒状机构与围岩之间的空隙进行充填，充填物采用水泥注浆、化学泡沫注浆。
70.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。
71.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，其特征在于：包括过滤机构，所述过滤机构的顶端伸入溶洞(1)，所述过滤机构的底端连通筒状机构，所述筒状机构远离所述过滤机构的一端与隧道机构的顶端固接，所述筒状机构的高端连通有细排水管(3)的入口，所述细排水管(3)的出口连通所述隧道机构，所述筒状机构的低端连通有粗排水机构，所述粗排水机构的另一端连通所述隧道机构。2.根据权利要求1所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，其特征在于：所述隧道机构包括隧道(2)，所述隧道(2)的上方设置有隧道二次衬砌结构(13)，所述隧道二次衬砌结构(13)上设置有隧道初期支护结构(15)，所述隧道初期支护结构(15)与所述隧道二次衬砌结构(13)之间设置有排水盲管(14)，所述排水盲管(14)与所述细排水管(3)的出口连通，所述隧道(2)的底部围岩与所述粗排水机构连通。3.根据权利要求2所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，其特征在于：所述过滤机构包括依次与所述筒状机构连通的一级过滤网(4)、二级过滤网(5)和三级过滤网(6)，所述一级过滤网(4)、所述二级过滤网(5)和所述三级过滤网(6)的孔径依次增大，所述一级过滤网(4)、所述二级过滤网(5)以及所述三级过滤网(6)伸入所述溶洞(1)。4.根据权利要求3所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，其特征在于：所述筒状机构包括固接在所述初期支护结构(15)顶端的底座(7)，所述底座(7)上固接有圆筒(8)，所述圆筒(8)的顶端连通所述一级过滤网(4)，所述圆筒(8)内滑动连接有弹簧封闭组件，所述弹簧封闭组件的一端与所述圆筒(8)靠近所述底座(7)的一端固接，所述圆筒(8)的高端连通有所述细排水管(3)，所述圆筒(8)的低端连通有所述粗排水机构。5.根据权利要求4所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，其特征在于：所述弹簧封闭组件包括弹簧(9)，所述弹簧(9)上敷设有防滑橡胶层(10)，所述防滑橡胶层(10)位于所述圆筒(8)与所述弹簧(9)之间，所述弹簧(9)与所述圆筒(8)的侧壁滑动连接，所述弹簧(9)与所述圆筒(8)靠近所述底座(7)的一端固接。6.根据权利要求4所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，其特征在于：所述粗排水机构包括与所述圆筒(8)的低端连通的粗排水管(11)，所述粗排水管(11)远离所述圆筒(8)的一端设置有阻拦滤网(12)，所述阻拦滤网(12)与所述隧道(2)底部围岩连通。7.一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置的使用方法，基于权利要求1-6任意一项所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：勘察溶洞(1)地质，绘制溶洞(1)与隧道(2)的剖面图；步骤二：开挖隧道(2)，并揭露溶洞(1)；步骤三：抽排地下水，清理充填物，局部补强围岩；步骤四：设置过滤机构；步骤五：设置筒状机构；步骤六：设置筒状机构上的排水管；步骤七：设置隧道(2)拱底粗排水管(11)上的阻拦滤网(12)；步骤八：固定筒状机构；步骤九：设置弹簧封闭组件；
步骤十：设置底座(7)；步骤十一：隧道机构施工。8.根据权利要求7所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置的使用方法，其特征在于：所述步骤三中，所述隧道(2)与所述溶洞(1)连通后，对所述溶洞(1)内部的地下水进行抽排，对充填物进行清理，同时对所述隧道(2)与所述溶洞(1)连通处的围岩进行局部补强，补强措施采用锚杆或锚索支护方式。9.根据权利要求7所述的强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置的使用方法，其特征在于：所述步骤八中，对所述筒状机构进行位置固定，然后对所述筒状机构与所述围岩之间的空隙进行充填，所述充填物采用水泥注浆、化学泡沫注浆。

技术总结
本发明提供了一种强降雨条件下岩溶隧道大型溶洞自动泄水降压装置及方法，包括过滤机构，过滤机构的顶端伸入溶洞，过滤机构的底端连通筒状机构，筒状机构远离过滤机构的一端与隧道机构的顶端固接，筒状机构的高端连通有细排水管的入口，细排水管的出口连通隧道机构，筒状机构的低端连通有粗排水机构，粗排水机构的另一端连通隧道机构。本发明一方面是不破坏隧道的水文地质环境，保护地下水平衡，还能实现溶洞地下水的分级自动排放，降低隧道结构外部水压力，进而保护隧道结构性能，避免水压过大导致隧道结构受力不合理而发生结构损毁。另一方面是不破坏隧道二次衬砌结构完整性，进而避免因局部应力集中导致结构性能降低。避免因局部应力集中导致结构性能降低。避免因局部应力集中导致结构性能降低。


技术研发人员：杜建明 张翾 万飞 李雪峰
受保护的技术使用者：交通运输部公路科学研究所
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/7