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专利名称：一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111449657.2

专利申请（专利权）人：中铁十九局集团第二工程有限公司,西南交通大学
权利人地址：辽宁省辽阳市白塔区和平路17号

专利发明（设计）人：弯晓林,马有良,张志强,肖子恩,王海峰,张洋,刘阔,钟云霄,陈博

专利摘要：本发明公开一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，具体步骤为：S1：根据地质勘察资料，并对隧道断面图数据进行等代圆处理，拟合水头高度与断面里程的函数关系式；S2：选取预测断面，计算断面的涌水量预测值Qi；S3：对涌水量预测值Qi进行修正；S4：确定盲管参数，计算得到盲管间距D；S5：布置排水系统；S6：确定下一个预测断面，重复S2～S5，通过每次实测布置间距计算数据与上次布置间距数据的变化值z来判断是否对排水系统进行修正，以此不断沿隧道纵向设计环向盲管间距，直至贯通。本发明的采用动态设计方法，考虑隧道穿越不同地段围岩富水量的不同，计算不同的环向盲管间距，避免采用同一标准造成排水系统设计的亏缺或过盈。

主权利要求：
1.一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，其特征在于：具体步骤为：S1：根据地质勘察资料，并对隧道断面图数据进行等代圆处理，拟合水头高度与断面里程的函数关系式Hi＝h(xi)；
其中Hi为断面i的静止水位至洞身横断面等代圆中心的距离(m)；h(xi)为Hi关于断面i的里程位置xi的拟合函数；
S2：选取预测断面i，计算断面i的涌水量预测值Qi；
S3：对涌水量预测值Qi进行修正，得到断面i的涌水量预测修正值Qic；
S4：确定所用的盲管参数，根据涌水量预测修正值Qic计算得到盲管间距D；
S5：布置排水系统，从该断面往前n米至下一个断面区间内，环向盲管布置使用间距D/γ，其中γ为安全系数；
S6：确定下一个预测断面，重复S2～S5，通过每次实测布置间距计算数据与上次布置间距数据的变化值z来判断是否对排水系统进行修正，以此不断沿隧道纵向设计环向盲管间距，直至贯通；变化值z的计算方法为：若得到间距D与上一断面计算变化值z小于预设值，则加大下个断面间距n，盲管间距D不修正；若得到间距D与上一断面计算变化值z大于预设值，则缩小断面间距n，同时对D进行修正。
2.根据权利要求1所述的基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，其特征在于：在步骤S2中，涌水量预测值Qi根据古德曼经验公式计算得出；
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其中：Qi为断面i处每延米涌水量预测值(m /d)；r为隧道洞身横断面等代圆半径(m)；K为地层渗透性系数。
3.根据权利要求1所述的基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，其特征在于：在步骤S3中对涌水量预测值进行修正，包括根据实测涌水量Qir对涌水量预测值进行修正，修正系数为α；
其中：Qir是断面i实测涌水量，Qi为断面i处涌水量预测值。
4.根据权利要求1所述的基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，其特征在于：在步骤S3中对涌水量预测值进行修正，还包括根据当地水文气象条件对涌水量预测值进行修正，修正系数为β；
其中：Lm为当地全年最大降水量；L为当地当季降水量。
5.根据权利要求1所述的基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，其特征在于：在步骤S4中，根据短管水力计算的伯努利方程式整理计算得到盲管间距Di；
其中：δ为衬砌水压折减系数；λ为环向盲管的沿程阻力系数；ξ进、ξ出、ξ弯为环向盲管的局部阻力系数；l为排水相对环向盲管长度(m)，简化取πr；υ为盲管出水速度(m/s)；d为盲管直2
径(m)；Di为每环盲管布置间距(m)；A为每延米盲管出水口面积(m)。
6.根据权利要求1所述的基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，其特征在于：在步骤S5中，安全系数γ取值为1.2～1.4。
7.根据权利要求1所述的基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，其特征在于：所述预设值为30％。 说明书 : 一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法技术领域[0001] 本发明涉及隧道排水系统的设计方法，特别涉及到一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法。背景技术[0002] 隧道是一种埋置于地表以下的线状构筑物,其服役期需长期承受地下水环境的作用及影响。工程实践表明，在部分地下水发育的地段修建隧道时，围绕隧道防排水经常出现以下问题：由于隧道开挖破坏了地下水循环的平衡，使隧道成为附近地下水聚集的通道，当隧道防排水设施不完善时就会引起渗漏水问题，影响结构及运营安全；由于隧道内地下水的排放，造成区域性地下水的大量流失，使得隧道附近的水资源枯竭，并引发地表塌陷、下沉等环境：，影响居民生活和社会稳定，因此设置切实可靠的防排水系统是满足这种环境条件下隧道结构耐久性及使用功能的基本要求。隧道洞身排水系统主要包括环、纵向盲管(沟)等衬砌背后排水系统以及侧沟和中心沟(管)等洞内沟槽排水系统。[0003] 但是隧道洞身排水系统的工作环境一般随时间、季节而不断变化，且其大部分为隐蔽性工程，若排水系统功能降低不满足排水要求时，将造成重建、维修养护困难的现象。现在的隧道排水系统一般而言沿隧道纵向采用同一系统，而未考虑隧道穿越不同地段围岩富水量的不同，从而造成排水系统设计的亏缺或过盈。发明内容[0004] 为解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，该方法适用于隧道穿越不同程度富水围岩时的排水系统设计，特别适用于前后段围岩富水量相差较大时。[0005] 为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：[0006] 一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，具体步骤为：[0007] S1：根据地质勘察资料，并对隧道断面图数据进行等代圆处理，拟合水头高度与断面里程的函数关系式Hi＝h(xi)；[0008] 其中Hi为断面i的静止水位至洞身横断面等代圆中心的距离(m)；h(xi)为Hi关于断面i的里程位置xi的拟合函数；[0009] S2：选取预测断面i，计算断面i的涌水量预测值Qi；[0010] S3：对涌水量预测值Qi进行修正，得到断面i的涌水量预测修正值Qic；[0011] S4：确定所用的盲管参数，根据涌水量预测修正值Qic计算得到盲管间距D；[0012] S5：布置排水系统，从该断面往前n米至下一个断面区间内，环向盲管布置使用间距D/γ，其中γ为安全系数；[0013] S6：确定下一个预测断面，重复S2～S5，通过每次实测布置间距计算数据与上次布置间距数据的变化值z来判断是否对排水系统进行修正，以此不断沿隧道纵向设计环向盲管间距，直至贯通。[0014] 进一步地，在步骤S2中，涌水量预测值Qi根据古德曼经验公式计算得出；[0015][0016] 其中：Qi为断面i处每延米涌水量预测值(m2/d)；r为隧道洞身横断面等代圆半径(m)；K为地层渗透性系数。[0017] 进一步地，在步骤S3中对涌水量预测值进行修正，包括根据实测涌水量Qir对涌水量预测值进行修正，修正系数为α；[0018][0019] 其中：Qir是断面i实测涌水量，Qi为断面i处涌水量预测值。[0020] 进一步地，在步骤S3中对涌水量预测值进行修正，还包括根据当地水文气象条件对涌水量预测值进行修正，修正系数为β；[0021][0022] 其中：Lm为当地全年最大降水量；L为当地当季降水量。[0023] 进一步地，在步骤S4中，根据短管水力计算的伯努利方程式整理计算得到盲管间距Di；[0024][0025] 其中：δ为衬砌水压折减系数；λ为环向盲管的沿程阻力系数；ξ进、ξ出、ξ弯为环向盲管的局部阻力系数；l为排水相对环向盲管长度(m)，简化取πr；υ为盲管出水速度(m/s)；d为盲2管直径(m)；Di为每环盲管布置间距(m)；A为每延米盲管出水口面积(m)。[0026] 优选的，在步骤S5中，安全系数γ取值为1.2～1.4。[0027] 进一步地，在步骤S6中，变化值z的计算方法为：[0028][0029] 进一步地，若得到间距D与上一断面计算变化值z小于预设值，则加大下个断面间距n，盲管间距D不修正。[0030] 进一步地，若得到间距D与上一断面计算变化值z大于预设值，则缩小断面间距n，同时对D进行修正。[0031] 优选的，所述预设值为30％。[0032] 与现有技术相比，本发明的有益效果有：[0033] 本发明的方法，在沿隧道纵向布置排水系统时，采用动态设计方法，考虑隧道穿越不同地段围岩富水量的不同，计算不同的环向盲管间距，避免采用同一标准造成排水系统设计的亏缺或过盈，特别适用于前后段围岩富水量相差较大时。附图说明[0034] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。[0035] 图1为本发明的步骤流程图；[0036] 图2为本发明排水系统盲管设计示意图；[0037] 图3为隧道横断面图；[0038] 附图标记：1?排水系统环向盲管；2?排水系统纵向盲管；3?隧道断面等代圆；4?超前钻孔。具体实施方式[0039] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0040] 一种基于隧道预测涌水量的排水系统动态设计方法，具体步骤为：[0041] S1：根据地质勘察资料，并如图2所示，对隧道断面图数据进行等代圆处理，拟合出较好的静止水位高度(水头高度)与断面里程的函数关系式(1)，同时通过室内试验得到地层的渗透系数K，并假设地层的渗透系数K为定值。[0042] Hi＝h(xi)式(1)[0043] 其中Hi为断面i的静止水位至洞身横断面等代圆中心的距离(m)；h(xi)为Hi关于断面i的里程位置xi的拟合函数。[0044] S2：选取预测断面i，根据古德曼经验公式(2)，计算断面i的涌水量预测值Qi；[0045][0046] 其中Qi为断面i处每延米涌水量预测值(m2/d)；r为隧道洞身横断面等代圆半径(m)；K为地层渗透性系数。[0047] S3：对涌水量预测值Qi进行修正。[0048] S3.1通过钻孔得到实测涌水量Qir对涌水量预测值Qi进行修正；[0049] 在隧道断面等代圆3圆心的同一水平上，开挖超前钻孔4，测试计算实测涌水量Qir和该深度处的水头高度hi；[0050] 由于预测涌水量与实测涌水量存在一定误差，故引入修正系数α，即开挖某一断面时，利用超前钻孔进行水量测试，通过实测涌水量对涌水量预测值基于式(3)进行修正；[0051][0052] α为修正系数；Qir是断面i实测涌水量，Qi为断面i处涌水量预测值。[0053] S3.2：通过气象资料对涌水量预测值Qi进行修正；[0054] 因为隧道排水系统需要保持常年的正常工作状态，根据当地水文气象条件，引入气象修正系数β，并假设沿隧道纵向各断面涌水量预测值的气象修正系数β恒定，计算公式见式(4)；[0055][0056] 其中β为气象修正系数；Lm为当地全年最大降水量；L为当地当季降水量。[0057] S3.3：计算涌水量预测修正值，计算方式见式(5)；[0058] Qic＝αβQi式(5)[0059] 其中Qic为断面i每延米涌水量预测修正值(m2/d)。[0060] S4：确定所用的盲管直径d以及λ，根据短管水力计算的伯努利方程式整理计算得到盲管间距Di。[0061] 根据伯努利方程可知，[0062][0063] 其中：[0064][0065][0066] 反推可以得到盲管间距Di：[0067][0068] 其中：δ为衬砌水压折减系数；λ为环向盲管的沿程阻力系数；ξ进、ξ出、ξ弯为环向盲管的局部阻力系数；l为排水相对环向盲管长度(m)，简化取πr；υ为盲管出水速度(m/s)；d为盲2管直径(m)；Di为每环盲管布置间距(m)；A为每延米盲管出水口面积(m)。[0069] S5：布置排水系统环向盲管1和排水系统纵向盲管2，从该断面往前n米至下一个断面区间内，排水系统环向盲管1布置使用间距D/γ，其中γ为安全系数，排水设计需要有富余，故γ取值为1.2～1.4。[0070] 由于各段富水量的差别，每隔n米进行一次超前钻孔，通过每次实测布置间距计算数据与上次布置间距数据的变化值z来判断是否对排水系统进行修正。[0071][0072] 若得到间距D与上一断面计算变化值z小于预设值，例如30％，可加大下个断面间距n，盲管间距D不修正；若z大于预设值，则缩小断面间距n，同时对D进行修正。[0073] S6：确定下一个预测断面，重复S2～S5，不断沿隧道纵向设计环向盲管间距，直至贯通。[0074] 下面结合实际案例对本方法的正确性进行验证。[0075] 以祁连山隧道工程为例，根据钻孔资料如表1所示，地质以砂岩为主，渗透系数K为0.005m/d。排水系统环向盲管拟采用直径d为105mm，沿程阻力系数λ为0.1；局部阻力系数ξ进＝30、ξ出＝5、ξ弯＝1；安全系数γ取为1.3，水压力折减系数δ取0.7。[0076] 表1祁连山隧道钻孔资料[0077][0078] 用四次多项式拟合得静止水头高度(单位：m)和断面位置(单位：km)的函数关系为：[0079] h(x)＝0.347x4?54.806x3+3230x2?84168x?818333(R2＝0.9162)[0080] 注：R2代表公式对已有数据的拟合程度，其值越大，说明拟合效果越好，更能代表2真实预测，且恒有R≤1。[0081] 得某断面静止水头高度H为51.8m，隧道断面等代圆半径r为5.6m，直径为11.2m。采用古德曼经验公式对该断面涌水量进行预测，有：[0082][0083] 在该隧道断面旁的超前钻孔测得实际涌水量为0.7157m2/d，且衬砌处水头高度h为1.58m，所以修正系数α＝0.7157/0.5574＝1.284。[0084] 由该隧道所处地区得气象资料得到降水量最高发生在7、8月份，约为90mm，地质资料于9月份得到，降水量为62mm，故气象修正系数β＝90/62＝1.452。[0085] 所以该断面的修正预测涌水量Qic＝1.0392m2/d。[0086] 根据伯努利方程，计算得盲管间距D＝9.2m，实际布置盲管间距为D/γ＝7.1m。[0087] 下一个预测断面距此断面100m，计算所需盲管间距D＝6.3m，实际布置盲管间距为D/γ＝4.8m，实际布置间距与上一断面的相差为32.4％>30％，差值过大，故将盲管间距从7.1m修正为4.8m。[0088] 本发明的方法，在沿隧道纵向布置排水系统时，采用动态设计方法，考虑隧道穿越不同地段围岩富水量的不同，计算不同的环向盲管间距，避免采用同一标准造成排水系统设计的亏缺或过盈，特别适用于前后段围岩富水量相差较大时。[0089] 当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2021-11-30

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN114065362B