[发明专利]一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统及方法

权利要求书

1.一种基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，其特征在于：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；

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；

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；

所述导水子系统用于引导围岩内地下水流向；

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；

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；

所述排水子系统用于将集水子系统中的水排出隧道。

2.根据权利要求1所述的基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，其特征在于：所述地下水流量感知子系统由布置于Ⅰ级沉砂池内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。

4.根据权利要求1所述的基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述的基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统，其特征在于：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。

8.如权利要求1-7任一所述基于结构安全的富水隧道自动控制排放系统的排放方法，其特征在于：包括以下步骤：

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；

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；

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：

n_kp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；

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：

n_cs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；

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；

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；

S7：进入下一个循环。